[发明专利]基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略

说明书

本发明涉及一种基于空间矢量调制的双级式矩阵变换器模型预测控制策略，针对整流级作用矢量的选取，提出了对各有效矢量对应的价值函数直接排序的思想，选出最小两个价值函数所对应的有效矢量作为下一时刻整流级的作用矢量，并根据价值函数求取其作用占空比，针对逆变级，提出了将参考输出电流转化为期望输出电压，根据期望输出电压矢量在两相静止坐标系位置分布，选择两个有效矢量和一个零矢量，根据输出相位角求得各矢量占空比。本发明简化了整流级作用矢量的选取过程，逆变级不存在价值函数的求取和开关状态的遍历寻优，大大降低了系统的计算量，不存在权重因子的设置且系统开关频率固定，对选出的开关状态再次分配，实现了整流级的零电流换流。

技术领域

本发明涉及双级式矩阵变换器的模型预测控制，具体涉及双级式矩阵变换器整流级矢量选择方法的优化，逆变级不存在价值函数的求取和开关状态的遍历寻优。

背景技术

相比较于传统的背靠背式变换器，矩阵变换器(MC)具有功率密度高、可四象限运行、输入电流正弦，输入功率因数可调等优点，因此常用于高功率密度场合，如电机驱动，电能质量改善和风力发电等许多领域。近年来引起国内外众多学者的研究，主要集中在调制策略、稳定性分析、换流方法和提高电压传输比等方面。

间接式矩阵变换(Indirect Matrix Converter，IMC)是在直接式矩阵变换器(Direct Matrix Converter，DMC)的基础上衍生出来的。其拓扑结构分为整流级和逆变级，整流级采用双向开关以实现输入侧波形的调制。与DMC相比，IMC不仅继承了DMC所有的优点，而且克服了DMC钳位电路庞大、换流方式复杂等缺点。可实现整流级的零电流换流，逆变级不存在特殊的换流方式，因此逆变级可实现较高的开关频率，除此之外，这种拓扑不需要较为复杂的调制策略，这也使得IMC具有更好的发展潜力和应用前景。

由于输入滤波器的引入，使得常规的DSVPWM调制并不能实现网侧单位功率因数，需采用复杂的控制方法与DSVPWM结合实现单位功率因数和正弦输出电流的控制目标。除此之外，由于输入输出的直接耦合，也大大增加了调制策略和控制算法的复杂程度。为了提高系统的响应速度，20世纪80年代Campo Peter J提出了模型预测控制算法(ModelPredictive Control，MPC)。

MPC相比较于传统的调制和控制方法具有诸多优势，例如可同时实现多个目标的控制，且拥有较好的动态性能等。目前，IMC已广泛采用MPC以获得正弦的输入输出电流，输入无功功率控制和减小共模电压，由于传统的MPC在每个采样周期选取只选取一个最小的价值函数所对应的开关状态，由于缺乏调制，开关频率的不固定将会导致输入、输出波形较大纹波。此外，当含有多个控制目标时，权重因子的确定也较为繁琐。

发明内容

本发明的目的在于简化整流级作用矢量的选取过程，省去逆变级价值函数的求取和开关状态的遍历寻优，降低系统的计算量，并消除权重因子的设置，实现整流级的零电流换流。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述双级式矩阵变换器由整流级和逆变级构成，在本发明中，通过对整流级各有效矢量对应的价值函数排序，选出最小两个价值函数所对应的有效矢量作为下一时刻整流级的作用矢量，并根据价值函数求取其作用占空比，针对逆变级，提出了将参考输出电流转化为期望输出电压，根据期望输出电压矢量在两相静止坐标系位置分布，选择两个有效矢量和一个零矢量，根据输出相位角求得各矢量占空比。然后重新分配开关状态，对整流级和逆变级均采用SVPWM调制技术，具体如下：

(1)检测三相网侧电流和电压，检测双级式矩阵变换器输入侧三相电压和双级式矩阵变换器输出电流，通过预测模型预测三相网侧电流和三相输出电流；

(2)根据约束条件选出六个有效矢量中能产生正的直流侧电压的矢量，根据价值函数的定义求取整流级选出有效矢量对应的价值函数，然后利用排序算法对其排序，选择价值函数最小的两个对应的有效矢量作为整流级下一时刻作用的矢量；