四象限脉冲整流器模型预测电流控制算法研究

陈 天 宇 （１９８７— ）男 ，工 程 师 （修 回 日 期 ：２０１９－０３－０５）
第４期 四象限脉冲整流器模型预测电流控制算法研究 １ ７
图１ ４犙犆 结构图
两部分，其原理图如图 ２所示，其原理表达式为
∫ 烄犐ｓｍ１ ＝ 犓ｐ（犝ｄｃ －狌ｄｃ）＋犓犻 （犝ｄｃ －狌ｄｃ）ｄ狋
运算性能的 基 础 上，虽 然 该 方 法 能 实 现 较 高 的 控 制 性
能，但由于该控制 方 法 开 关 频 率 不 固 定，容 易 造 成 较 高
电流波动。文献［６］提出了一种直接功 率模型 预测 控制
方法，该方法具有 较 快 的 动 态 响 应 能 力，但 是 其 开 关 频
率无法固定。文献［７］提出了一种定开 关频率 的预 测控
烅犐ｓｍ２ ＝ ２狌ｄｃ犻ｓ／犝ｓｍ
犐 ｓｍ
＝犐ｓｍ１
＋犐ｓｍ２
烆狌ａｂ ＝狌ｓ ＋ω犔ｓ犐ｓｍｓｉｎω狋－犓犻ｐ（犻ｓ －犐ｓｍｃｏｓω狋）
（２）
式中，外环 ＰＩ调节器实现了对直流 电压 的控制，内环比
通过控制４ＱＣ网侧电流的相位，可使牵引变流器整体 对外显现为纯电阻特性，即实现了单位功率因数控制的功 能。通过控制４ＱＣ 电流幅值，可实现对直流侧电压的 调 节，进而可为后级逆变环节提供稳定的供电电压［３４］。
瞬 态 直 接 电 流 控 制 （ＴｒａｎｓｉｅｎｔＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌ， ＴＣＣ）实现较为 简 单，但 由 于 其 电 流 内 环 仅 采 用 比 例 控 制器而未采用积分控制器，因而无法 实现稳 态 下网 侧电 流的无残差控制。犱狇 轴电 流 解 耦 控 制 将 网 侧 电 流 进 行 解耦，并将其变换为直流量，便于利用 ＰＩ调 节 器进 行高 性能控制，同时简化了系统模型。但 是该方 法 的关 键是 对 ＰＩ控制参数 进 行 优 化，其 设 计 难 度 较 大。 比 例 谐 振 （ＰＲ）控制 的 ［９］ 优点是稳 态 精 度 较 高，但 是，当 网 侧 供 电 频率波动时，其 控 制 精 度 将 明 显 降 低。 此 外，在 实 际 工 况中通常需要并联多个 ＰＲ 控 制 器 以 提 高 控 制 精 度，这 将导 致 控 制 系 统 复 杂，稳 定 性 能 降 低。 间 接 电 流 控 制 仅 ［１０］ 通过一 个 ＰＩ调 节 器 对 直 流 母 线 电 压 进 行 控 制 从而达到间接控制网侧电流的目的。该方法实现较为 简单 ，稳 定 性 较高 ，但 是 无 法 实 现 对 网 侧 输 入 电 流 的 高
精度控制。
模型预 测 电 流 控 制 （ｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎ ｔｒｏｌ，ＭＰＣＣ）分 为 有 限 集 （ｆｉｎｉｔｅｃｏｎｔｒｏｌｓｅｔ，ＦＣＳ）
ＭＰＣＣ 和连续集（ｃｏｎｔｉｎｕｅｃｏｎｔｒｏｌｓｅｔ，ＣＣＳ）ＭＰＣＣ 两
类。传统 ＦＣＳＭＰＣＣ 算法建立的高采样频率和较强的
第 ３９ 卷 第 ４ 期
铁道机车车辆
Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．４
２０１９年８月 ＲＡＩＬＷＡＹ ＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥ ＆ ＣＡＲ Ａｕｇ． ２０１９
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专题研究
文章编号：１００８－７８４２ （２０１９）０４－００１６－０５
摘 要 采用模型预测电流控制（ｍｏｄｅｌｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＰＣＣ）算 法 实 现 了 对 四 象 限 脉 冲 整 流 器 的 控 制。ＭＰＣＣ 算法所采用的调制脉冲由评价函数优化生 成，同 时 避 免 了 内 环 电 流 比 例 调 节 器 的 使 用，简 化 了 控 制 系 统。通过与瞬态直接电流控制（ＴｒａｎｓｉｅｎｔＣｕｒｒｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌ，ＴＣＣ）算法相对比，表明 ＭＰＣＣ 算法具有更高的控制精 度和响应速度。最后通过试验测试，给出了对比结果，表明 ＭＰＣＣ 方法具有较高的电流控制动态性能，同时能 够 降 低电流中的谐波含量。 关 键 词 电 力 电 子 与 电 力 传 动 ；脉 冲 整 流 器 ；直 接 电 流 控 制 ；模 型 预 测 控 制 ；评 价 函 数 中 图 分 类 号 ：Ｕ２６４．６ 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００８－７８４２．２０１９．０４．０４
四 象 限 脉 冲 整 流 器 （Ｆｏｕｒｑｕａｄｒａｎｔ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ， ４ＱＣ）作为机车 车 辆 的 主 要 供 电 电 源 装 置，在 我 国 轨 道 交通领域得到了广泛的应 用 。 ［１２］ 四 象 限 脉 冲 整 流 器 控 制技术决定 了 牵 引 系 统 的 控 制 性 能，成 为 国 内 外 学 者 的研究热点。
四象限脉冲整流器模型预测电流控制算法研究
陈 天 宇１ ，宋 术 全２，３，卜 丽 东２，３，程 相 勋４
（１ 中车长春轨道客车股份有限公司，长春 １３００６２； ２ 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 １０００８１；
３ 北京纵横机电科技有限公司，北京 １０００９４； ４ 郑州地铁集团有限公司，郑州 ４５００４６）
ｔｒｏｌｓｅｔ，ＣＣＳ）模型电 流 控 制 ＣＣＳＭＰＣＣ 的 算 法 原 理。
通过试验证明了 ＭＰＣＣ 算法的有效性。
１ ４犙犆 数学模型 根据图１所示的拓扑结构，４ＱＣ电压方程可以表示为
犔ｓ
ｄ犻ｓ ｄ狋
＝狌ｓ
－犚ｓ犻ｓ
－狌ａｂ
（１）
２ 瞬 态 直 接 电 流 控 制
ＴＣＣ算 法 包 含 内 环ＰＩ调 节 器 和 外 环 比 例 调 节 器
制方法，提高 了 的 工 程 实 用 性。 文 献 ［８］将 占 空 比 最 优
作为调节目标，通过构建评价函数实现了有效 电压 矢量作 用 的 最 优 化 ，提 高 了 控 制 动 态 和 稳 态 性 能 。
以４ＱＣ 为 研 究 对 象，首 先 建 立 了 ４ＱＣ 的 数 学 模
型，构建了评价函 数，分 析 了 一 种 连 续 集 （ｃｏｎｔｉｎｕｅｃｏｎ