基于空間矢量調(diào)制的Vienna整流器無模型預(yù)測(cè)電流控制

張永昌 屈祈延 楊海濤

基于空間矢量調(diào)制的Vienna整流器無模型預(yù)測(cè)電流控制

張永昌1屈祈延2楊海濤2

（1. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 北京 102206 2. 北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電氣傳動(dòng)北京市工程研究中心 北京 100144）

三相三電平Vienna整流器具有開關(guān)應(yīng)力低、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。為了消除傳統(tǒng)無差拍預(yù)測(cè)電流控制（DPCC）對(duì)系統(tǒng)參數(shù)的依賴性，該文提出一種無模型預(yù)測(cè)電流控制（MFPCC）方法，其特點(diǎn)是利用超局部模型代替原有的Vienna整流器精確模型，并利用過去兩個(gè)時(shí)刻的電壓和電流信息實(shí)現(xiàn)超局部模型的增益和動(dòng)態(tài)部分的在線更新。進(jìn)一步結(jié)合DPCC預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻參考電壓矢量，通過空間矢量調(diào)制（SVM）得到開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。該方法魯棒性強(qiáng)、計(jì)算量小、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能良好。在參數(shù)精確和失配的情況下，對(duì)傳統(tǒng)DPCC和該文所提方法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能對(duì)比，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

Vienna整流器 無模型 預(yù)測(cè)電抗控制 空間矢量調(diào)制

0 引言

Vienna整流器是1997年奧地利學(xué)者提出的一種能量單向流動(dòng)的整流器[1]，作為特殊的三電平整流器，它的開關(guān)應(yīng)力是傳統(tǒng)三電平脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）整流器的一半，同時(shí)擁有功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，不會(huì)出現(xiàn)開關(guān)器件上下橋臂直通的情況，無需設(shè)置死區(qū)，在高壓大功率場(chǎng)合獲得了廣泛的應(yīng)用，如航空直流供電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電樁等[2-4]。

為了實(shí)現(xiàn)Vienna整流器的單位功率因數(shù)控制，學(xué)者們提出不同的方法，如電壓定向矢量控制（Voltage Oriented Vector Control, VOC）[5]、滯環(huán)電流控制（Hysteresis Current Control, HCC）[6]、模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control, MPC）[7]等。其中模型預(yù)測(cè)電流控制（Model Predictive Current Control, MPCC）因其原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)被廣泛關(guān)注，其工作原理是通過離散數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻網(wǎng)側(cè)電流值，然后枚舉所有電壓矢量得到使代價(jià)函數(shù)最小的最優(yōu)電壓矢量[7]。傳統(tǒng)MPCC在每個(gè)控制周期僅能輸出單個(gè)電壓矢量，導(dǎo)致開關(guān)頻率不固定。文獻(xiàn)[8]提出一種基于空間矢量調(diào)制（Space Vector Modulation, SVM）的Vienna整流器MPCC，根據(jù)整流器模型預(yù)測(cè)最優(yōu)電壓矢量，結(jié)合最優(yōu)電壓矢量和兩個(gè)基本矢量，利用SVM轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)固定開關(guān)頻率控制，降低輸入電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD），但是該方法依賴系統(tǒng)參數(shù)的精度。

針對(duì)MPCC方法在參數(shù)不匹配時(shí)導(dǎo)致的性能惡化問題，為了提高參數(shù)魯棒性，文獻(xiàn)[9]將自抗擾控制引入PWM整流器的控制中，補(bǔ)償無模型與外部擾動(dòng)帶來的干擾，魯棒性較好，但參數(shù)設(shè)計(jì)較為繁瑣。文獻(xiàn)[10]提出一種基于電流差分的無模型電流預(yù)測(cè)控制（Model-Free Predictive Current Control, MFPCC），采用過去時(shí)刻的電流差分替代基于模型的電流預(yù)測(cè)，需要在每個(gè)采樣周期采樣兩次，對(duì)硬件要求較高。文獻(xiàn)[11]針對(duì)永磁同步電機(jī)提出一種改進(jìn)的MFPCC，在一個(gè)控制周期只需一次電流采樣，文獻(xiàn)[12]也提出類似的改進(jìn)MFPCC并應(yīng)用在PWM整流器上。文獻(xiàn)[10-12]無需任何系統(tǒng)參數(shù)，顯著提高了系統(tǒng)的魯棒性，但是由于存在電流差分更新不及時(shí)的問題，穩(wěn)態(tài)性能相對(duì)較差。為此，文獻(xiàn)[13]提出一種基于超局部模型和SVM的改進(jìn)MFPCC，通過擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器和代數(shù)微分法來估計(jì)超局部模型的動(dòng)態(tài)部分，在解決參數(shù)魯棒性的同時(shí)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，但控制相對(duì)復(fù)雜，需要調(diào)試參數(shù)較多。另外，其所用超局部模型中的增益并未進(jìn)行辨識(shí)或估計(jì)，一般是通過試湊或經(jīng)驗(yàn)提前得到，在實(shí)際應(yīng)用有一定局限性。

本文提出了一種改進(jìn)的基于SVM的MFPCC方法，采用超局部模型代替原有的Vienna整流器精確模型，但是與文獻(xiàn)[13]不同，超局部模型的增益和動(dòng)態(tài)部分是在線計(jì)算得到，僅利用過去兩個(gè)時(shí)刻的電壓和電流信息即可實(shí)現(xiàn)超局部模型的在線更新，具有計(jì)算量小、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)一步和無差拍控制結(jié)合得到參考電壓矢量，并通過SVM生成驅(qū)動(dòng)脈沖，在改善魯棒性的同時(shí)具有良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。該方法的有效性通過Simulink仿真和實(shí)際Vienna整流器平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證。

1 Vienna整流器數(shù)學(xué)模型

1.1 Vienna整流器基本原理

圖1 Vienna整流器主電路拓?fù)?/p>

定義Vienna整流器的端電壓為交流側(cè)端與母線中點(diǎn)之間的電壓。當(dāng)雙向開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，直流母線電壓被鉗位到0。當(dāng)雙向開關(guān)關(guān)斷時(shí)，Vienna整流器的交流側(cè)輸出電壓極性與網(wǎng)側(cè)電流極性相關(guān)；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流大于0時(shí)，端電壓為dc/2；當(dāng)網(wǎng)側(cè)電流小于0時(shí)，端電壓為-dc/2。

Vienna整流器的數(shù)學(xué)模型在兩相靜止坐標(biāo)系下可以表示為

Vienna整流器網(wǎng)側(cè)復(fù)功率可通過采樣得到的電網(wǎng)電壓和電網(wǎng)電流計(jì)算，即

在兩相靜止坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)電流參考值為

1.2 傳統(tǒng)無差拍電流預(yù)測(cè)控制

將式（1）采用一階歐拉法進(jìn)行離散化，可以得到

式中，為采樣時(shí)刻；sc為采樣周期。

假設(shè)下一時(shí)刻電流預(yù)測(cè)值與當(dāng)前時(shí)刻的電流參考值相同，若網(wǎng)側(cè)輸入電流在一個(gè)采樣周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)參考值的無差跟蹤，就能達(dá)到無差拍的控制效果。通過Vienna整流器的數(shù)學(xué)模型可以得到當(dāng)前時(shí)刻交流側(cè)輸入電壓復(fù)矢量為

將式（5）的電壓矢量通過SVM得到開關(guān)器件的控制信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)Vienna整流器的傳統(tǒng)無差拍電流預(yù)測(cè)控制。

1.3 空間矢量調(diào)制（SVM）

圖2 三相三電平Vienna整流器基本電壓矢量

需要注意的是，在同一種電流極性下，Vienna整流器只有八種開關(guān)狀態(tài)，因此可以選擇的基本電壓矢量只有8個(gè)，包括000、001、010、011、100、101、110、111。

2 無模型預(yù)測(cè)電流控制

將式（13）代入式（11）中可以得到

Vienna整流器采用基于SVM的MFPCC方法控制框圖如圖3所示。

圖3 Vienna整流器基于SVM的MFPCC控制框圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提方法的優(yōu)越性，對(duì)三相三電平Vienna整流器進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。為了實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，無功功率參考值設(shè)置為0?？刂破髦械碾姼袇?shù)設(shè)定為實(shí)際精確值的c倍，在本文中令其按照0.5→0.75→1→1.25→1.5的規(guī)律變化，從而能夠驗(yàn)證本文方法和傳統(tǒng)方法在電感參數(shù)精確與失配時(shí)的效果。其系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

表1 Vienna整流器系統(tǒng)主要參數(shù)

Tab.1 The system parameters of Vienna rectifier

3.1 仿真性能

3.1.1 穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性

3.1.2 動(dòng)態(tài)性能

Vienna整流器在功率階躍情況下傳統(tǒng)DPCC和本文所提MFPCC方法仿真的控制效果如圖5所示，有功功率參考值從200W階躍到500W。圖5表明本文所提方法動(dòng)態(tài)性能良好，在有功功率階躍時(shí)，無沖擊電流，相比傳統(tǒng)DPCC方法，有功功率和無功功率脈動(dòng)小。兩種方法的直流電壓在有功功率階躍時(shí)隨之上升至穩(wěn)定值，約0.15s后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

圖5 傳統(tǒng)DPCC和所提MFPCC的功率階躍響應(yīng)仿真

THD分析見表2，可以看出通過功率階躍兩種方法網(wǎng)側(cè)電流THD都有所減小，本文所提的MFPCC方法網(wǎng)側(cè)電流正弦度更高。

表2 Vienna整流器功率階躍仿真網(wǎng)側(cè)電流THD分析

Tab.2 Grid-side current THD analysis of Vienna rectifier power step simulation

3.2 實(shí)驗(yàn)性能

搭建三電平Vienna整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示，對(duì)其進(jìn)行傳統(tǒng)DPCC和本文所提MFPCC方法控制。

圖6 Vienna整流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2.1 穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性

圖7 參數(shù)L失配時(shí)傳統(tǒng)DPCC和所提MFPCC的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3.2.2 動(dòng)態(tài)性能

Vienna整流器在功率階躍時(shí)傳統(tǒng)DPCC和本文所提MFPCC的控制效果如圖8所示，有功功率參考值從200W階躍到500W。圖8表明，采用傳統(tǒng)DPCC方法在進(jìn)行功率階躍時(shí)網(wǎng)側(cè)電流和有功功率有沖擊，重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后有功功率脈動(dòng)大；本文所提MFPCC動(dòng)態(tài)效果良好，無沖擊功率和電流，有功功率脈動(dòng)相較傳統(tǒng)DPCC小。兩種方法的直流電壓在有功功率階躍時(shí)隨之上升至穩(wěn)定值，約0.15s后穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，沒有沖擊與波動(dòng)，具有較好的動(dòng)態(tài)性能。

圖8 傳統(tǒng)DPCC和所提MFPCC的功率階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)不同功率下的網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行THD分析，結(jié)果見表3，表明本文采用基于SVM的MFPCC方法穩(wěn)態(tài)性能良好，電流THD低。

表3 Vienna整流器功率階躍實(shí)驗(yàn)網(wǎng)側(cè)電流THD分析

Tab.3 Grid-side current THD analysis of Vienna rectifier power step experiment

4 結(jié)論

本文提出了一種基于SVM的MFPCC方法，與傳統(tǒng)DPCC相比，此方法不依賴整流器模型與系統(tǒng)參數(shù)。通過儲(chǔ)存前兩個(gè)時(shí)刻的電流差分及對(duì)應(yīng)的電壓矢量，從而重構(gòu)出系統(tǒng)的超局部模型并實(shí)現(xiàn)在線更新?；谠撃Ｐ皖A(yù)測(cè)下一時(shí)刻電壓矢量，再經(jīng)由SVM轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號(hào)。通過與傳統(tǒng)DPCC方法進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證比較，可以證明該方法魯棒性強(qiáng)，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能良好。

[1] Kolar J, Zach F. A novel three-phase utility interface minimizing line current harmonics of high-power telecommunications rectifier modules[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997, 44(4): 456-467.

[2] 李萍, 王久和, 李建國(guó), 等. 單向混合整流器無源電流控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4511-4523.

Li Ping, Wang Jiuhe, Li Jianguo, et al. A passivity-based current control strategy for unidirectional hybrid rectifier[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(21): 4511-4523.

[3] 郝振洋, 徐子梁, 陳宇, 等. 航空Vienna整流器故障診斷與容錯(cuò)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(24): 5152-5163.

Hao Zhenyang, Xu Ziliang, Chen Yu, et al. Fault diagnosis and fault tolerant control for aviation Vienna rectifier[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(24): 5152-5163.

[4] 肖蕙蕙, 蘇新柱, 郭強(qiáng), 等. 三相Vienna整流器無網(wǎng)壓傳感器預(yù)測(cè)電流控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(6): 1304-1312.

Xiao Huihui, Su Xinzhu, Guo Qiang, et al. Predictive current control of three-phase Vienna rectifier without grid voltage sensors[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(6): 1304-1312.

[5] Rajendran G, Vaithilingam C, Misron N, et al. Voltage oriented controller based Vienna rectifier for electric vehicle charging stations[J]. IEEE Access, 2021, 9: 50798-50809.

[6] 楊頔, 姚鋼, 周荔丹. 功率變化環(huán)境下的四線制Vienna整流器優(yōu)化聯(lián)合控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(2): 305-319.

Yang Di, Yao Gang, Zhou Lidan. An improved control method of 4-wire Vienna rectifier considering power fluctuation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(2): 305-319.

[7] 張錦, 於鋒, 高磊, 等. Vienna整流器模型預(yù)測(cè)電流控制優(yōu)化方案研究[J]. 電源學(xué)報(bào), 2020, 18(5): 110-117.

Zhang Jin, Wu Feng, Gao Lei, et al. Research on optimal scheme of Vienna rectifier model predictive current control[J]. Journal of Power Supply, 2020, 18(5): 110-117.

[8] Huang Xiping, Yang Zekun, Chen Guitao, et al. Model predictive control of current with fixed switching frequency on VEINNA rectifier[C]//2020 Chinese Control and Decision Conference (CCDC), Hefei, 2020: 2392-2397.

[9] 王久和. 電壓型PWM整流器的非線性控制[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2015.

[10] Lin Chengkai, Liu Tianhua, Yu Jente, et al. Model-free predictive current control for interior permanent-magnet synchronous motor drives based on current difference detection technique[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(2): 667-681.

[11] 張虎, 張永昌, 劉家利, 等. 基于單次電流采樣的永磁同步電機(jī)無模型預(yù)測(cè)電流控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2017, 32(2): 180-187.

Zhang Hu, Zhang Yongchang, Liu Jiali, et al. Model-free predictive current control of permanent magnet synchronous motor based on single current sampling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(2): 180-187.

[12] 張永昌, 焦健, 劉杰. 電壓型PWM整流器無模型預(yù)測(cè)電流控制[J]. 電氣工程學(xué)報(bào), 2018, 13(6): 1-6.

Zhang Yongchang，Jiao Jian，Liu Jie. Model-free predictive current control of voltage type PWM rectifier[J]. Journal of Electrical Engineering, 2018, 13(6): 1-6.

[13] Zhang Yongchang, Jin Jialin, Huang Lanlan. Model-free predictive current control of PMSM drives based on extended state observer using ultralocal model[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2021, 68(2): 993-1003.

[14] 王濤, 陳昌松, 段善旭, 等. 用于改善電流過零點(diǎn)畸變的Vienna整流器空間矢量調(diào)制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(18): 3854-3864.

Wang Tao, Chen Changsong, Duan Shanxu, et al. Space vector modulation strategy of Vienna rectifier for improving current zero-crossing distortion[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(18): 3854-3864.

[15] 楊玉波, 謝運(yùn)祥. 三電平Vienna整流器的一種簡(jiǎn)化SVPWM算法[J]. 電氣應(yīng)用, 2015, 34(11): 54-57.

Yang Yubo，Xie Yunxiang. A simplified SVPWM algorithm for three-level Vienna rectifier[J]. Electrotechnical Application, 2015, 34(11): 54-57.

[16] Zhang Yongchang, Wang Xing, Yang Haitao, et al. Robust predictive current control of induction motors based on linear extended state observer[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2021, 7(1): 94-105.

[17] Zhang Yongchang, Min Zeyu. Model-free predictive current control of a pwm rectifier based on space vector modulation under unbalanced and distorted grid conditions[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2022, 10(2): 2319-2329.

Model Free Predictive Current Control of Vienna Rectifier Based on Space Vector Modulation

Zhang Yongchang1Qu Qiyan2Yang Haitao2

（1. School of Electrical and Electronic Engineering North China Electric Power University Beijing 102206 China 2. Power Electronics and Motor Drive Engineering Research Center of Beijing North China University of Technology Beijing 100144 China）

The three-phase three-level Vienna rectifier has the advantages of low switching stress and high power factor. In order to eliminate the dependence of traditional deadbeat predictive current control (DPCC) on system parameters, a model-free predictive current control (MFPCC) method is proposed in this paper. The features of the proposed method include using an ultra-local model instead of the conventional accurate model of the Vienna rectifier, and the online updating of the gain and the dynamic part of the ultra-local model based on the voltage/current information in the past two control periods. The proposed method is combined with DPCC to calculate the reference voltage vector at the next instant and space vector modulation (SVM) is used to generating the gating pulses. The proposed method has strong robustness, small amount of calculation, and good steady and dynamic performance. The proposed method is compared to conventional DPCC in terms of steady-state and dynamic performance under the condition of accurate and inaccurate model parameters. Simulation and experiment results verify the superiority of the proposed method.

Vienna rectifier, model free, predictive control, space vector modulation (SVM)

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211753

TM61

國(guó)家自然科學(xué)基金（52077002）、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2021YFB2400702）和華能集團(tuán)總部科技項(xiàng)目海上風(fēng)電與智慧能源系統(tǒng)科技專項(xiàng)（一期）（HNKJ20-H88）資助。

2021-11-01

2021-11-30

張永昌 男，1982年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電機(jī)控制。E-mail：zyc@ncepu. edu. cn（通信作者）

屈祈延 女，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)閂ienna整流器控制。E-mail：qqyan213@163.com

（編輯 赫蕾）