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本科生毕业外文翻译
题 目基于预测算法的永磁直线发电机转换器
的直接功率控制
基于预测算法的永磁直线发电机转换器的直接功率控制
Guangqing Bao, Jingyi Wen, Xiaolan Wang, Dongsong Luo
College of Electrical Engineering and Information Engineering, Lanzhou University of Technology, China
E-mail: Wenjy614@163.com
摘要: 全世界对于利用可持续和可再生能源的潜力的太阳能热发电设备越来越感兴趣。本文提出了一种改进太阳能碟/斯特林发电系统的永久磁铁线性发电机（PMLG）侧转换器的预测直接功率控制（P-DPC）的策略。作为一种消除谐波的方案，P-DPC的主要目的是消除输出电压频率波动。同时也可有效避免传统直接功率控制的延时问题。在永久磁铁线性发电系统的数学模型基础上，预测直接功率控制根据永久磁铁线性发电机的瞬时功率，反电动势参考值和反馈值通过计算得到预期的电压矢量。接着将电压矢量变换为具有空间矢量脉宽调制（SVPWM）模型的开关信号。最后通过原型系统的仿真结果验证提出的控制策略的有效性。
1.绪论
人们对于低碳可再生能源对发电的需求不断增长引起了对于开发具有高效电能转换系统的新型机电的高度关注。碟式/ 斯特林技术拥有以较低成本生产电力的潜力，同时可以保证电力来源的安全和环保。20世纪90年代以来，世界各国积极发展了基于永磁线性发电机（PMLG）的碟式/斯特林发电系统技术。永磁线性发电机可以依靠直接驱动技术将斯特林机械振动转换为电力。与旋转发生器相比，永磁线性发电机不仅简化了系统结构，提高了热电转换效率而且降低了噪声污染[1]。
由于直线电机在拓扑结构和工作原理方面与旋转电机不同，控制方法也不尽相同。对于永磁线性发电机最常见的控制方案是电流控制和功率控制。当前方法的主要思想是通过定子电压控制发电机侧电流，得到单位功率因数[2]。然而，这种方法需要复杂的相位和幅度计算，高成本的控制芯片和调制模块，还需要DSP或几个微控制单元[3]。直接功率控制（DPC）基于有功和无功功率控制环路，由于转换器切换状态是通过有功和无功功率的指令值和估计值之间的瞬时误差来选择的，所以，在直接功率控制中，电流控制和PWM调制器可以被有功和无功线路功率快速准确地预估代替[4]。有文献[5]提出了在自由活塞能量转换器中由永磁线性发电机组成的混合动力车辆中使用的这种直接功率控制方法。实验表明，直接功率控制系统具有功率因数较高，THD低，系统结构简单，算法简单的优点。传统的直接功率控制方法采用了迟滞比较器和开关的组合[6]。该控制方案的主要缺点是需要高采样频率和时间延迟[7]。为解决这一困难问题，文献[8]建议使用两个PI调节器代替迟滞比较器，虽然固定开关频率，但动态响应能力也下降。
预测控制是一种新颖的控制策略，广泛应用于电力转换器和电机。预测控制的优点是使用系统模型来预测受控变量的未来行为[9]。预测控制包括死区控制，跟踪控制和模型预测控制（MPC）[10]。对于表面安装的永磁同步电机，在文献[11]中提出了一种改进的预测转矩控制。在文献[12]中使用的其中一种改进模型预测控制，使永磁电机侧转换器的开关频率和/或损耗大大降低。此外，这种控制使得相电流和扭矩的总谐波失真（THD）水平下降。本文基于直接功率控制控制，提出了在永磁线性发电侧转换器中使用的预测控制。这种组合是一种无节制控制，可以确保在转换器切换周期结束时，瞬时功率的跟踪误差被消除。该预测算法具有控制精度高，动态响应快等优点。仿真结果表明设计方法具有可行性。
2.发电机瞬时功率分析
2.1永磁线性发电机的数学模型
线性电机的原理可以看作是旋转电机做径向切割，然后以直线形式将旋转圆周扩大[13]。理想情况下，本文提出以下假设：
- 永磁体和转换器无阻尼作用；
- 沿间隙的磁场分布为正弦曲线;
- 忽略铁芯饱和，涡流和磁滞损耗。
由于考虑到永磁线性发电机的定子端直接连接到三相二电平逆变器，定子侧的电压和电流如下[14]：
(1)
参数Rs和Ls是定子电阻与定子自感，是永磁线性发电机的三相诱发反电动势，由下式给出：
(2)
其中是永磁线性发电机转换器速度，而是极点。从abc参考帧转换到静止帧，获得以下等式：
(3)
2.2瞬时功率控制理论
永磁线性发电机的效率可以简写为，为损耗，为电磁功率。从效率方程来看，以最大电磁有功功率和零无功功率为目标，发电机的电流相位应遵循反电动势相位，而功率因数角应尽可能小。基于平均值，传统的电力理论在不平衡三相电路的情况下无法给出合适的定义。使用瞬时功率理论可以准确地获得有功和无功功率，从而可以很好地对平衡或不平衡三相电路进行说明。假设功率转换恒成立，根据瞬时功率理论[15]，我们可以得到永磁线性发电机瞬时有功功率P在静止框架下的点积形式：
(4)
瞬时无功功率Q以叉乘的形式表示：
(5)
图1瞬时功率矢量
永磁线性发电机的瞬时功率控制把整流器的直流电压当作外环，把瞬时功率当作内部双回路。通过对瞬时有功和无功功率的控制，交流侧输入电流可以间接控制，因此电流相位将跟随电压相位。最后，实现了统一功率因数的目标。
3. 永磁线性发电机的直接功率控制策略
3.1常规直接功率控制结构
传统的直接功率控制策略是基于电压导向控制，其中开关表是控制方法的核心。其系统结构如图2所示。
图2常规直接电源控制器的结构
永磁线性发电机的直接功率控制系统由主电路和控制电路组成。控制电路由交流电压和电流检测电路，功率估计器，扇区优化器，直流检测电路，PI调节器，迟滞比较器和开关表组成。根据检测到的发电机三相交流电压，电流，通过从abc框架到静止框架的坐标变换，电压和电流为，。通过等式（4-5）可以计算瞬时有功和无功功率p，q。电压的位置由决定：并且将电压空间分为12个扇区。每个扇区跨越30°，的取值范围为：
(6)
图3静止坐标系中的空间电压矢量
将瞬时功率测量值p，q与参考值p *，q *进行比较，然后将差值Delta;p，Delta;q反馈至滞后比较器，可以获得，。根据瞬时有功功率误差信号，通过开关表适当地选择瞬时无功功率误差信号和扇区信号和整流器开关状态，，。此外，无功功率设置为q* = 0，有功功率由直流电压控制回路给出。直接功率控制的切换方式可以简化PID控制器模块的数量，系统的功率只需通过在切换台上选择合适的电压矢量来调整。这种控制算法更简单，动态响应更快，输入电流失真率较低。然而，由于系统使用滞环比较器和开关台，使得电源开关器件依赖于电路状态，因此它的开关频率不固定，需要的采样频率较高，并且系统响应会有延迟的缺点。
3.2预测直接功率控制的原则
所提出的控制系统采用预测算法和具有空间矢量的脉宽调制模型（SVPWM）代替直接功率控制起到传统滞后控制的功能。在该系统中，使用预测算法来解决延迟问题，而具有空间矢量的脉宽调制模型用于弥补由于不固定开关频率引起的高采样需求的缺点。原理如图4所示。
图4预测直接功率控制结构
传统直接功率控制根据通过瞬时功率计算公式获得的电压e（k）和电流i（k）的当前采样点（假设k时刻）计算有功和无功功率，并查询开关表以获得相应的电压矢量v（k）。理想情况下，k时刻施加的电压矢量为v（k），在k 1时刻，功率的瞬时值达到期望值。但是由于数字计算和采样延迟，实际上在k 1时刻施加了所需的电压矢量，在k 2时刻才能达到给定的值，所以这种控制方法总是滞后于开关周期，减少了永磁线性发电系统性能。预测算法和具有空间矢量的脉宽调制模型的组合可以更好地解决可变开关频率和延迟缺点，其作用是预测下一时刻的空间电压矢量。因此，k 1时刻的电压矢量为v（k 1）。到达k 2时刻，瞬时值发生达到给定值，消除由时间延迟引起较大的波动。
3.3预测算法
根据永磁线性发电机的稳定方程（3）和整流器的直流侧基尔霍夫电压定律：
(7)
假设与永磁线性发电机电压周期相比,采样周期（开关周期）足够小，则的分量在开关周期内假设为恒定：
(8)
因此，在两个相邻采样周期内，有功和无功功率的变化可以表示为：
(9)
忽略电抗器R的电阻和方程式（3）的近似离散一阶函数的影响，输入电流矢量的变化如下：
(10)
将方程（9）代入方程（8），采样期间的有功和无功功率的变化如下：
(11)
预测控制的目的是使有功和无功功率等于参考值，如下式所示：
(12)
在功率控制策略中，给定的无功功率q *设置为0，对于给定的有功功率p *由比例积分直流母线电压控制器控制，可以假设在两个采样周期中，p *呈线性变化，因此（k 1）瞬时功率如下：
(13)
将方程（13）代入方程（9），电压矢量的分量，由下式给出：
(14)
其中和分别是实际有功和无功功率跟踪误差。
其中。根据计算的电压矢量的参考值，可以确定参考电压在电压空间矢量上的扇区位置，从而控制PWM信号切换功能。
4. 仿真结果
使用MATLAB / Simulink工具建立永磁线性发电机预测功率控制系统的仿真模型，永磁线性发电机和转换器的额定值（左）和参数（右）如表1所示。
图5 - 图8分别是传统DPC和PDPC的采样频率为5kHz，负载电阻 为15 的响应波形。同样，两种方法在RL负载情况下的比较结果如图9〜图11所示。
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永磁线性发电机 |
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额定电压 额定功率 额定频率 极对数 最大行程 |
76V 1Kw 50Hz 3 14mm |
=0.0513Wb =1.77mH =1.77mH =0.448 行程=5mm |
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转换器 |
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直流母线电压50V |
C=4700F |
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表1额定值和参数
- 直接功率控制法
- 预测直接功率控制法
图5单相反电动势和定子电流
（1）直接功率控制法
（2）预测直接功率控制法
图6有功功率和无功功率
图7直流母线电压
图8瞬态阶跃负荷变化
图5显示传统控制和预测方法下永磁线性发电机的反电动势和定子电流的波形。相电流的两种方法可以与反电动势总是同步，提供单位功率因数控制。然而，常规方法中电流的高次谐波失真率达到13.4％，采用预测直接功率控制法后，失真率仅为5.09％。与传统直接功率控制法相比，系统性能有所提高。
图6分别是永磁线性发电机的直接功率控制和预测直接功率控制中的有功和无功功率波形。两种方法都将无功功率强制为0并在上下波动，有功功率在180W左右波动，由于计算的下一个采样周期的预测算法中，预测直接功率控制明显地解决了以往的延迟的问题，波动较小。由于在相邻电压恒定采样周期（等式8）中假定相位电压周期的采样周期足够小，但相邻采样周期的电压仍有轻微变化 导致功率轨迹存在偏差，会有小的波动。
图7显示，由于PI调节器，直流母线电压可以更好地保持在设定点。 然而，与直接功率控制方法稳定时间为0.08s相比，预测直接功率控制法的稳定时间小于0.03s，验证直流母线电压的容量迅速达到稳定，曲线平滑。
当t = 0.5s时，输出负载从15增加到25。负载扰动下的直流电压与预测直接功率控制法和直接功率控制法的比较如图11所示。为了对比两种方法的动态特性。从图11可以看出，两个电压都可以靠近参考值。然而，显然P-DCP的响应速度更快。lt;
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