宋衛(wèi)章,杜曉斌,賀 瑾,李 希,張 皓,王有云,鐘彥儒
(1. 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,陜西西安710048;2. 大型電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅天水741020)
根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同,矩陣變換器可分為兩種,即傳統(tǒng)矩陣變換器(conventional matrix converter,CMC)與雙級(jí)矩陣變換器(two-stage matrix converter,TSMC)[1],相對(duì)CMC,TSMC具有控制、換流策略更加簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn),是一種比CMC更具有發(fā)展?jié)摿Φ男滦妥儞Q器[2-4]。
對(duì)于傳統(tǒng)的交—直—交變換器,為了獲得相對(duì)穩(wěn)定的直流側(cè)電壓,直流側(cè)一般存在儲(chǔ)能電容,雖然儲(chǔ)能環(huán)節(jié)一定程度降低了拓?fù)湔髋c逆變兩級(jí)耦合影響,但這無疑也增大了該拓?fù)潴w積,降低了其使用壽命。相比于傳統(tǒng)的交—直—交變換器,一體化的TSMC拓?fù)渲率瓜到y(tǒng)前后兩級(jí)相互耦合影響。此外,在實(shí)際工程中,系統(tǒng)往往要求能抵御一定特殊工況影響,如網(wǎng)側(cè)電壓突升突降與不平衡、三相負(fù)載不對(duì)稱等等,這類特殊工況對(duì)中間無儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的TSMC影響尤為突出,而傳統(tǒng)空間矢量調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)復(fù)雜且前后級(jí)之間必須協(xié)調(diào)控制,該策略并不能提升TSMC對(duì)此特殊工況的抗干擾能力。因此,如何在不增加硬件的前提下,有效提高TSMC抗干擾性能,成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。
預(yù)測(cè)控制通過循環(huán)矯正開關(guān)狀態(tài),使期望目標(biāo)時(shí)刻跟蹤其參考值,并依據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)矢量直接對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行控制,具有很強(qiáng)的抗干擾性能和很高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[5-7]。文獻(xiàn)[5]將包含導(dǎo)通模式檢測(cè)的預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于三相功率因數(shù)校正(PFC)系統(tǒng);文獻(xiàn)[6]實(shí)現(xiàn)了對(duì)三相逆變器電壓的預(yù)測(cè)控制,指出預(yù)測(cè)控制相比于傳統(tǒng)調(diào)制策略在快速性和抗擾性方面更具優(yōu)勢(shì);文獻(xiàn)[7]提出將預(yù)測(cè)控制用于傳統(tǒng)矩陣變換器(CMC),但CMC與TSMC在電路拓?fù)錁?gòu)成上不同,故本文與該文獻(xiàn)模型預(yù)測(cè)控制中的開關(guān)矩陣模型不同,兩者的預(yù)測(cè)值的計(jì)算方式也將不同。文獻(xiàn)[8]中,通過對(duì)TSMC的電壓矢量扇區(qū)進(jìn)行細(xì)分,縮短了開關(guān)狀態(tài)的遍歷時(shí)間,但是由于該方案所選出的開關(guān)狀態(tài)并非全局最優(yōu),因此會(huì)對(duì)系統(tǒng)的輸入輸出性能產(chǎn)生一定影響。文獻(xiàn)[9]針對(duì)電網(wǎng)電壓不對(duì)稱等擾動(dòng)影響,采用雙空間矢量預(yù)測(cè)控制方案對(duì)三相調(diào)制波進(jìn)行預(yù)測(cè),并取得了較好的效果。該方案雖然省略了PI控制器,但是仍舊保留著傳統(tǒng)的調(diào)制環(huán)節(jié),相比傳統(tǒng)的空間矢量(SVPWM)調(diào)制其算法復(fù)雜程度增加。文獻(xiàn)[10]首次提出將預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于雙級(jí)矩陣變換器中,在保證輸出電流良好跟隨性能的同時(shí),使得輸入無功功率最小,但是文中只是描述了預(yù)測(cè)控制用于TSMC的實(shí)現(xiàn)方式,并沒有對(duì)預(yù)測(cè)控制下的抗擾性能進(jìn)行研究和驗(yàn)證,也未涉及電網(wǎng)非正常工況時(shí)預(yù)測(cè)控制抗擾性的研究。文獻(xiàn)[11]研究了矩陣變換器驅(qū)動(dòng)的永磁同步電機(jī)S型滑模觀測(cè)器無速度傳感器矢量控制系統(tǒng);文獻(xiàn)[12]研究了模型預(yù)測(cè)控制下的間接矩陣變換器驅(qū)動(dòng)感應(yīng)電機(jī)系統(tǒng),該矩陣變換器以電機(jī)為負(fù)載,預(yù)測(cè)控制以輸出轉(zhuǎn)矩和磁通作為控制目標(biāo),本文與該文獻(xiàn)預(yù)測(cè)控制算法的負(fù)載模型和目標(biāo)函數(shù)均不同,同時(shí)本文研究工作側(cè)重解決TSMC的耦合影響和弱抗擾性問題,兩者研究對(duì)象和解決問題均不同。
本文將探索一種適用于TSMC的預(yù)測(cè)電流控制策略,以離散化數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),利用當(dāng)前時(shí)刻的采樣值對(duì)下一時(shí)刻的輸入輸出電流量做出預(yù)測(cè)計(jì)算,以網(wǎng)側(cè)無功功率最小和輸出電流誤差作為系統(tǒng)主要控制目標(biāo),循環(huán)優(yōu)化開關(guān)狀態(tài),使其在不同工況下均能確保良好的輸入輸出性能,提高系統(tǒng)的抗干擾性能。
TSMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,TSMC由輸入LC濾波電路、矩陣整流級(jí)、逆變級(jí)和負(fù)載四部分組成。其中,Sap、Sbp、Scp分別表示矩陣整流級(jí)上橋臂開關(guān),San、Sbn、Scn分別表示矩陣整流級(jí)下橋臂開關(guān),Sup、Svp、Swp分別表示逆變級(jí)上橋臂開關(guān),Sun、Svn、Swn分別表示逆變級(jí)下橋臂開關(guān)。udc、idc分別為中間虛擬直流側(cè)電壓與電流,Lf為線路寄生電感與濾波電感之和,Cf為線路寄生電容與濾波電容之和,Rf為線路和濾波器上等效電阻值之和,Ll為負(fù)載電感,Rl為負(fù)載電阻。
TSMC預(yù)測(cè)控制框圖如圖2所示。通過檢測(cè)網(wǎng)側(cè)電壓usk、電流isk和輸入濾波電容上電壓uek,結(jié)合k時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)Sk獲得開關(guān)輸入電流值iek,再依據(jù)TSMC輸入濾波器離散數(shù)學(xué)模型計(jì)算網(wǎng)側(cè)電流預(yù)測(cè)值isk+1,并將此預(yù)測(cè)值用于計(jì)算k+1拍網(wǎng)側(cè)無功功率qink+1大小。通過檢測(cè)輸出電流iok,利用k時(shí)刻的開關(guān)狀態(tài)Sk獲得輸出電壓值uok,利用負(fù)載離散數(shù)學(xué)模型計(jì)算輸出電流預(yù)測(cè)值iok+1,獲得輸出電流參考值io(k+1)*與輸出電流預(yù)測(cè)值iok+1的誤差,最終與輸入無功參考值qin(k+1)*和輸入無功預(yù)測(cè)值qink+1的誤差聯(lián)合成一個(gè)品質(zhì)函數(shù),用于尋求對(duì)應(yīng)的最佳開關(guān)狀態(tài)Sk+1,實(shí)現(xiàn)TSMC主功率開關(guān)控制。
圖2 預(yù)測(cè)控制框圖Fig.2 Block diagram of predictive control
為保證TSMC具有良好的輸入輸出性能,將系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化的條件設(shè)定為[4]:
1) 輸入側(cè)無功功率接近于零;
2) 輸出電流與參考值的誤差接近于零。
為便于構(gòu)建TSMC數(shù)學(xué)模型,將三相abc坐標(biāo)系下的電壓電流量轉(zhuǎn)化至兩相αβ坐標(biāo)系下。例如,輸出電壓uo在abc坐標(biāo)系下為uou、uov、uow,在αβ坐標(biāo)系下則可表示為:
uo=uoα+juoβ
(1)
(2)
abc/αβ坐標(biāo)系下TSMC電壓電流表示符號(hào)如表1所示,TSMC數(shù)學(xué)模型可以被分為整流級(jí)和逆變級(jí)。
表1 abc/αβ坐標(biāo)系下TSMC電壓電流表示符號(hào)
Tab.1 Voltage and current signs of TSMC in the
abc/αβ reference frame
1) 建立TSMC的開關(guān)模型:
(3)
根據(jù)輸入輸出關(guān)系,結(jié)合開關(guān)狀態(tài),TSMC的輸入輸出電壓關(guān)系式為:
(4)
其中,T為TSMC的總開關(guān)矩陣,T的值由TSMC的開關(guān)狀態(tài)決定。
同理,亦可建立輸出電流與輸入電流的關(guān)系式:
(5)
2) 利用基爾霍夫定律,建立輸入濾波器模型:
(6)
(7)
將式(6)、(7)用狀態(tài)空間方程表示:
(8)
同上,負(fù)載的數(shù)學(xué)模型為:
(9)
TSMC整流級(jí)如表2所示,共有9種開關(guān)狀態(tài);逆變級(jí)如表3所示,共存在8種可能的開關(guān)狀態(tài)。對(duì)前后級(jí)可能的開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行排列組合,共存在72種可能的開關(guān)狀態(tài)組合。為了保證TSMC整流級(jí)輸出電壓最大化,剔除存在的3個(gè)零矢量,此零矢量作用下逆變級(jí)輸出電壓瞬時(shí)值為零,故TSMC模型預(yù)測(cè)控制中僅剩余48種有效的開關(guān)狀態(tài)組合可供選用。
表2 整流級(jí)開關(guān)狀態(tài)
表3 逆變級(jí)開關(guān)狀態(tài)
注:uuv、uvw、uwu為三相線電壓。
將輸入濾波器與負(fù)載的數(shù)學(xué)模型分別離散化。
對(duì)式(8)引入前向歐拉方程進(jìn)行離散化,可分別推導(dǎo)出網(wǎng)側(cè)電流預(yù)測(cè)值和輸入濾波器電容電壓預(yù)測(cè)值:
(10)
C=eATs
(11)
(12)
式中:τ為時(shí)間常數(shù);Ts為采樣周期。
利用前向歐拉插值法,可得輸出電流的導(dǎo)數(shù)近似值為:
(13)
將式(13)代入式(10)可得到離散化的負(fù)載數(shù)學(xué)模型:
(14)
由式(14)知,TSMC預(yù)測(cè)控制算法與負(fù)載參數(shù)有關(guān),但離散后的負(fù)載模型表達(dá)式中含有Ts,Ts為小時(shí)間常數(shù),故Ts/L1和(R1Ts)/L1在離散負(fù)載模型中所占份量較小,于是負(fù)載參數(shù)變化時(shí)預(yù)測(cè)電流值并未受太大影響,算法對(duì)負(fù)載變化引起的擾動(dòng)具有一定自抑制作用,故在負(fù)載參數(shù)發(fā)生變化而又提前未知的情況下,TSMC模型預(yù)測(cè)控制算法的準(zhǔn)確性和可靠性仍較高。
品質(zhì)函數(shù)是對(duì)控制目標(biāo)的直接反映,也是系統(tǒng)循環(huán)優(yōu)化的條件。
將三相輸出電流轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系中,與參考值作差,獲得誤差絕對(duì)值表達(dá)式為:
(15)
式中:ioαk+1、ioβk+1是αβ坐標(biāo)系中輸出電流在k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值;ioα*、ioβ*分別是其所對(duì)應(yīng)的參考值。
根據(jù)瞬時(shí)功率理論,將網(wǎng)側(cè)電壓電流轉(zhuǎn)換至αβ坐標(biāo)系下,可知網(wǎng)側(cè)無功功率的預(yù)測(cè)值為:
(16)
(17)
將輸入無功功率參考值設(shè)為0,構(gòu)建無功的誤差表達(dá)式:
(18)
最后,式(15)、(18)組合成一個(gè)品質(zhì)函數(shù):
(19)
在每個(gè)采樣周期,將每種開關(guān)狀態(tài)組合代入數(shù)學(xué)模型,計(jì)算出對(duì)應(yīng)的品質(zhì)函數(shù),最終,選出品質(zhì)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài),以此驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)開關(guān)器件導(dǎo)通。
品質(zhì)函數(shù)中λ是權(quán)重因子,在含有多個(gè)約束項(xiàng)的品質(zhì)函數(shù)中,λ相當(dāng)于次要項(xiàng)的加權(quán)系數(shù)。本文λ決定開關(guān)狀態(tài)的選擇對(duì)輸出電流和輸入最小無功功率的重視程度。
當(dāng)品質(zhì)函數(shù)中有多個(gè)不同控制目標(biāo)時(shí),可以以控制目標(biāo)為約束對(duì)權(quán)重因子進(jìn)行縮小范圍選取。本文以輸入無功功率與電流參考誤差最小為控制目標(biāo),通過以下兩步來確定權(quán)重因子λ的取值范圍。
首先,以輸出電流控制誤差為約束,即以輸出電流波形質(zhì)量為衡量標(biāo)準(zhǔn),將輸出電流總諧波畸變率THD≤5%作為判斷條件,用二分法對(duì)權(quán)重因子的范圍進(jìn)行初選[13]。如圖3所示,λ先取0或1,依據(jù)仿真,λ=1時(shí)輸出電流THD=14.5%,THD>5%不滿足要求,于是λ取中間值0.5,依靠仿真可知,輸出電流THD=10.3%>5%不滿足要求,然后確定下次λ的范圍為[0,0.5],以此類推,直到輸出電流THD≤5%,最終得到λ的初選范圍為0≤λ≤0.016。
圖3 權(quán)重因子λ的初選范圍Fig.3 Primary range of weighting factor λ
其次,在上一步確定的初選范圍[0,0.016]基礎(chǔ)上,同時(shí)考慮網(wǎng)側(cè)無功功率與輸出電流THD,以這兩個(gè)因素為約束對(duì)權(quán)重因子細(xì)選。將λ從0增至0.016,記錄每個(gè)λ所對(duì)應(yīng)的輸出電流THD與無功功率,將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)繪在一起,可得到如圖4所示的曲線,兩線相交處即為同時(shí)滿足輸出電流THD與無功功率最小的λ值,由圖可知,權(quán)重因子λ=0.004 5時(shí)可同時(shí)滿足上述要求。
圖4 輸入無功Q和輸出電流THD與權(quán)重因子λ的關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between reactive power Q and THD of output current and weighting factor λ
為了驗(yàn)證上述方案的正確性和有效性,搭建以數(shù)字信號(hào)處理器+現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(DSP+FPGA)為核心控制器,功率450 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),其中硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖5所示,實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。表4為實(shí)驗(yàn)參數(shù),圖7為控制流程圖。分別對(duì)不同工況下系統(tǒng)所采用的預(yù)測(cè)控制方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
圖5 TSMC硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.5 Diagram of hardware system for TSMC
圖6 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.6 Experimental prototype
參數(shù)名稱參數(shù)值輸入電壓100 V/50 Hz輸入濾波器Rf=0.5 Ω; Lf=1.2 mH; Cf=2 μF負(fù)載Rl=10 Ω; Ll=10 mH權(quán)重因子0.004 5采樣頻率20 kHz死區(qū)時(shí)間3 μs
圖7 預(yù)測(cè)控制流程圖Fig.7 Flow chart of predictive control
將輸入無功功率最小與輸出電流誤差共同加入品質(zhì)函數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,仿真與實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示,其中uuv表示輸出線電壓。圖8(a)、(b)為網(wǎng)側(cè)相電壓與相電流的仿真與實(shí)驗(yàn)波形,由波形可知,網(wǎng)側(cè)相電流與相電壓時(shí)刻保持同相位,網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1,從而驗(yàn)證了預(yù)測(cè)控制下TSMC良好的網(wǎng)側(cè)性能。圖8(c)、(d)分別為預(yù)測(cè)控制下TSMC的輸出三相電流與輸出線電壓穩(wěn)態(tài)波形,從波形可看出,三相電流頻率為100 Hz,輸出紋波較低,穩(wěn)態(tài)性能良好。圖9為輸出電流頻率由6 A、100 Hz階躍變化至5 A、200 Hz后又恢復(fù)至6 A、100 Hz的動(dòng)態(tài)變化仿真與實(shí)驗(yàn)波形,由圖可看出,輸出電流階躍變化響應(yīng)快,波形正弦度良好,證明TSMC具有優(yōu)良的動(dòng)態(tài)性能。
圖8 預(yù)測(cè)電流控制穩(wěn)態(tài)性能驗(yàn)證Fig.8 Predictive control steady state performance verification
圖9 預(yù)測(cè)電流控制動(dòng)態(tài)性能驗(yàn)證Fig.9 Predictive control dynamic performance verification
在實(shí)際工程中,系統(tǒng)往往要求能一定程度抵御非正常工況的影響,為驗(yàn)證TSMC預(yù)測(cè)控制的高抗擾特性,分別從電網(wǎng)電壓不平衡與突升突降、三相負(fù)載不對(duì)稱三方面對(duì)TSMC在傳統(tǒng)閉環(huán)控制與預(yù)測(cè)控制下的系統(tǒng)抗擾性進(jìn)行了測(cè)試。
考慮到實(shí)驗(yàn)的可操作性,三相電網(wǎng)電壓分別設(shè)置為usa=50V、usb=60V、usc=80V,圖10和圖11分別為傳統(tǒng)控制與預(yù)測(cè)控制方案下電網(wǎng)不平衡時(shí)TSMC波形,其中圖10(a)、(b)與圖11(a)、(b)分別為傳統(tǒng)控制與預(yù)測(cè)控制方案下的網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流仿真與實(shí)驗(yàn)波形;圖10(c)、(d)與圖11(c)、(d)分別為傳統(tǒng)控制與預(yù)測(cè)控制方案下的三相輸出電流波形。經(jīng)波形對(duì)比可知,三相電網(wǎng)不平衡工況時(shí),傳統(tǒng)控制方案對(duì)電網(wǎng)不平衡的影響抑制能力有限,需額外增設(shè)補(bǔ)償模塊才能消除不平衡的影響。相比于傳統(tǒng)控制方案,預(yù)測(cè)控制始終以輸入無功及輸出電流跟蹤誤差為零為控制目標(biāo),于是預(yù)測(cè)控制方案下TSMC仍具有單位功率因數(shù),輸出電流跟蹤參考,三相輸出電流基本平衡,從而驗(yàn)證了預(yù)測(cè)控制對(duì)TSMC網(wǎng)側(cè)電壓不平衡的影響具有一定程度的抑制作用,提高了TSMC的抗擾性。
圖10 傳統(tǒng)控制下電網(wǎng)不平衡時(shí)波形Fig.10 Waveforms of traditional control in input imbalance
圖11 預(yù)測(cè)控制下電網(wǎng)不平衡時(shí)波形Fig.11 Waveforms of predictive control in input imbalance
圖12和圖13分別為電網(wǎng)電壓由100V跌落至90V時(shí)傳統(tǒng)控制與預(yù)測(cè)控制方案下的仿真與實(shí)驗(yàn)波形,其中圖12(a)和(b)分別為傳統(tǒng)控制策略下網(wǎng)側(cè)電壓與輸出電流波形,由波形知,在電網(wǎng)電壓跌落時(shí),傳統(tǒng)閉環(huán)控制方案雖一定程度抑制了輸出電流幅值變化,但卻使輸出電流波形嚴(yán)重畸變。圖13(a)、(b)分別為預(yù)測(cè)控制下電壓跌落時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓的仿真與實(shí)驗(yàn)波形;圖13(c)和(d)分別為預(yù)測(cè)控制下電壓跌落時(shí)輸出三相電流、輸出線電壓的仿真與實(shí)驗(yàn)波形。由波形知,預(yù)測(cè)控制以輸出電流誤差最小為控制目標(biāo)之一,即使網(wǎng)側(cè)電壓跌落,但輸出電流仍能夠跟蹤參考,仍能使三相輸出電流平衡并具有較好的正弦度。由此,相比于傳統(tǒng)的PID控制方案,預(yù)測(cè)控制能更有效地抑制網(wǎng)側(cè)電壓跌落對(duì)系統(tǒng)的影響,從而使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抗擾性。
圖12 傳統(tǒng)控制下電壓跌落時(shí)波形Fig.12 Waveforms of traditional control at voltage drop
圖14和圖15分別為三相負(fù)載RL1=10 Ω、RL2=7 Ω、RL3=6 Ω不對(duì)稱時(shí)的仿真和實(shí)驗(yàn)波形,其中圖14(a)、(b)和圖15(a)、(b)分別為傳統(tǒng)控制和預(yù)測(cè)控制下的網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流波形;圖14(c)、(d)和圖15(c)、(d)分別為傳統(tǒng)控制和預(yù)測(cè)控制下的輸出三相電流和線電壓波形。由波形知,即使在負(fù)載不平衡條件下,預(yù)測(cè)控制下TSMC仍能實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo),相較于傳統(tǒng)調(diào)制策略,其輸出的三相電流幅值更平衡且具有更好的正弦度,使系統(tǒng)具有更強(qiáng)的抵御負(fù)載不平衡擾動(dòng)影響的能力。
圖14 傳統(tǒng)控制下負(fù)載不對(duì)稱時(shí)波形Fig.14 Results of traditional control under unbalanced load
圖15 預(yù)測(cè)控制下負(fù)載不對(duì)稱時(shí)波形Fig.15 Results of predictive control under unbalanced load
本文研究了一種適用于TSMC的預(yù)測(cè)電流控制,以TSMC離散化數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ),利用當(dāng)前時(shí)刻的采樣值對(duì)下一時(shí)刻的輸入輸出電流量做出預(yù)測(cè)計(jì)算,將網(wǎng)側(cè)無功功率最小和輸出電流誤差作為控制目標(biāo),循環(huán)優(yōu)化開關(guān)狀態(tài),使其在正常和非正常工況下輸出電流均能時(shí)刻跟隨參考給定,提高了系統(tǒng)魯棒性,降低了前后級(jí)耦合影響,并實(shí)現(xiàn)了“綠色”網(wǎng)側(cè)性能。此研究對(duì)于解決矩陣變換器耦合和弱抗擾性問題具有重要借鑒意義。