一种三相三电平T型并网逆变器的模型预测控制方法

一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法。


背景技术：

2.并网逆变器作为直流发电机与电网直接连接的设备，在整个电网系统中起着至关重要的作用。其中三相三电平t型电路拓扑结构近年来得到了广泛的关注和应用。该电路结构相对简单，且在中小功率情况下效率较高。常见的逆变器控制方法有比例积分(pi)控制、重复控制和比例谐振(pr)控制。但这类线性控制采用简化的系统线性化模型，有时不能准确描述非线性系统的特性，在电力电子逆变器中使用时，会使系统抗干扰能力较差。一旦鲁棒性较低，将达不到预定的性能要求。而模型预测控制能很好地适应非线性系统的特点。同时有限控制集模型预测控制因其瞬态响应快、实现简单、直接处理非线性约束等优点，目前已广泛应用于各种电力电子变换器中。有限控制集模型预测控制由预测模型、目标函数和滚动优化组成。它可以在有限开关状态下进行循环计算和预测，所有开关状态都可以在线计算，具有良好的适应性和稳定性。并且它不需要pwm调制模块，使系统控制更容易实现。
3.目前在传统的有限控制集模型预测控制策略中通常采用电压向量枚举的方法，而这导致了较高的计算负荷，增加了微处理器的计算负担。其次，单矢量输出方式没有充分考虑电流跟踪和中性点电位平衡，容易产生电流纹波和中点电位偏差。
4.目前有通过减小控制集来降低计算负荷的技术。该方案将前一时刻的电压矢量及与其相邻的电压矢量作为当前时刻的控制集，将备选向量从125个减少到7个。但是，该方法所选出的最优矢量可能不在当前时刻的控制集中，降低了逆变器的控制性能。同时还有方案通过控制中小矢量的作用时间来促进中点电位平衡。
5.传统的有限控制集模型预测控制策略需要对27个电压矢量进行枚举计算，产生了较大的计算负荷。单矢量输出方式没有充分考虑电流跟踪和中性点电位平衡，容易产生电流纹波和中点电位偏差。


技术实现要素：

6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
7.一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，包括以下步骤：
8.采样电网电流与电压，通过clarke变换对其进行αβ坐标变换；
9.结合欧拉公式得到预测电流，根据预测电流及其参考值计算代价函数；
10.比较在矢量辐射范围的6个扇区中哪个中电压矢量能使代价函数的值最小，则选择相应中电压矢量所处的第一扇区进行下一步计算；
11.再次计算预测电流，再应用第一扇区中所有子扇区中的电压矢量来计算所述代价函数，比较哪一个电压矢量能使代价函数的值最小，得出最优电压矢量，将所述最优电压矢量对应的开关状态应用至逆变器的开关器件上。
12.进一步地，所述三相三电平t型并网逆变器包含三个t型npc平桥。
13.进一步地，根据基尔霍夫电压定律，所述逆变器的输出相电压表示为：
[0014][0015]
其中，rs为线路电阻，ls为滤波电感，ea、eb、ec为三相电网电压，ia、ib、ic为通过滤波电感ls和线路电阻rs流向电网的三相并网电流，u
an
、u
bn
、u
cn
为逆变器输出三相电压。
[0016]
进一步地，所述通过clarke变换对其进行αβ坐标变换包括：
[0017]
对上式(1)进行clarke变换，得α-β坐标系下的数学表达式：
[0018][0019]iα
,i
β
为α-β坐标系下的电流，u
α
、u
β
为α-β坐标系下的电压，e
α
、e
β
为α-β坐标系下的输出交流信号。
[0020]
进一步地，所述结合欧拉公式得到预测电流，包括：
[0021]
电流i
α
,i
β
在一个采样周期内的变化率可由欧拉近似得到：
[0022][0023]
其中k为采样个数，ts为采样周期；
[0024]
由此可得电流预测值：
[0025][0026]
进一步地，所述代价函数表示为：
[0027][0028]
其中，和为k+1时刻在αβ坐标系下给定的电流参考值，i
α
(k+1)和i
β
(k+1)为k+1时刻在αβ坐标系下的电流预测值。
[0029]
进一步地，所述6个扇区为基于电压矢量的有效辐射范围划分得到的，所述电压矢量的有效辐射范围是从参考矢量到给定矢量的线性距离最短的区域。
[0030]
本发明的优点在于：通过扇区优化选择以及组合电压矢量的应用能够降低电流总谐波失真，促进中点电位平衡。通过二步判断法能显著降低计算量。
附图说明
[0031]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0032]
图1示出了根据本发明实施方式的三相三电平t型并网逆变器的电路拓扑图。
[0033]
图2示出了矢量辐射范围和扇区划分示意图。
[0034]
图3示出了改进fcs-mpc算法流程图。
[0035]
图4示出了传统算法下的输出电流仿真图。
[0036]
图5示出了传统算法下a相电压和输出电流仿真图。
[0037]
图6示出了传统算法下ia的总谐波失真仿真图。
[0038]
图7示出了改进算法下的输出电流仿真图。
[0039]
图8示出了改进算法下a相电压和输出电流仿真图。
[0040]
图9示出了改进算法下ia的总谐波失真仿真图。
[0041]
图10示出了无二步判断的改进算法下输出电流仿真图。
[0042]
图11示出了无二步判断的改进算法下ia的总谐波失真仿真图。
[0043]
图12示出了传统算法下的中性点电位v
p
,vn及其差值。
[0044]
图13示出了改进算法下的中性点电位v
p
,vn及其差值。
具体实施方式
[0045]
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0046]
术语解释：
[0047]
三电平逆变器：三电平逆变器的桥臂上有四个电力半导体器件，它通过对直流侧的分压与开关动作的不同组合，实现多电平阶梯波输出电压，可以使波形更加接近正弦波。
[0048]
有限控制集模型预测控制：有限控制集模型预测控制的基本思想是将系统状态分为有限多个集合，然后根据当前状态和历史状态的信息，预测未来状态的可能性，并根据预测结果进行控制。这种方法的优点是可以处理非线性、时变和不确定的系统，同时可以考虑多个目标和约束条件。
[0049]
总谐波失真(thd)：总谐波失真表明功放工作时，由于电路不可避免的振荡或其他谐振产生的二次，三次谐波与实际输入信号叠加，在输出端输出的信号就不单纯是与输入信号完全相同的成分，而是包括了谐波成分的信号，这些多余出来的谐波成分与实际输入信号的对比，用百分比来表示就称为总谐波失真。
[0050]
中点电位平衡：在逆变器中，因为有着不平衡的直流侧中点电位，会使开关器件承受电压不同，严重时会损坏设备，此外，在这个过程中也会出现谐波，逆变器输出性能就会受到影响，所以需要控制直流侧中点电位平衡。
[0051]
本发明在三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制中应用扇区优化选择，基于电压矢量的有效辐射范围划分扇区，并使用组合电压矢量来替代传统的会对中点电位产生
影响的小、中电压矢量。在此基础上，应用基于中电压矢量判断所在大扇区的二步判断法。
[0052]
本发明使用的三相三电平t型并网逆变器的电路拓扑如图1所示。
[0053]
t型逆变器拓扑结构包含三个t型npc平桥，其中s
ax
,s
bx
,s
cx
(x＝1～4)代表桥臂a,b,c的四个开关。以电桥a为例，当开关s
a1
,s
a2
导通，开关s
a3
,s
a4
关断时，输出电压为u
dc
/2，输出电压与电流方向无关，输出状态定义为“p”。当开关s
a2
,s
a3
导通，开关s
a1
,s
a4
关断时，输出电压为0，输出电压与电流方向无关，输出状态定义为“o”。当开关s
a3
,s
a4
导通，开关s
a1
,s
a2
关断时，输出电压为-u
dc
/2，电桥的输出电压与电流方向无关，输出状态定义为“n”。三相三电平t型逆变器的输出状态如表1所示。
[0054]
表1三相三电平t型并网逆变器的输出状态
[0055][0056][0057]
本发明所使用的系统数学模型如下公式所示。
[0058]
根据基尔霍夫电压定律，逆变器的输出相电压可表示为：
[0059][0060]
其中，rs为线路电阻，ls为滤波电感，ea、eb、ec为三相电网电压，ia、ib、ic为通过滤波电感ls和线路电阻rs流向电网的三相并网电流，u
an
、u
bn
、u
cn
为逆变器输出三相电压。
[0061]
对上式进行clarke变换，可得α-β坐标系下的数学表达式：
[0062][0063]
电流i
α
,i
β
在一个采样周期内的变化率可由欧拉近似得到：
[0064][0065]
由此可得电流预测值：
[0066][0067]
然后利用代价函数来判断电流的预测值，从而选择最佳的开关状态组合来控制开关管。代价函数可以表示为:
[0068][0069]
在该表达式中，和为k+1时刻在αβ坐标系下给定的电流参考值，i
α
(k+1)和i
β
(k+1)为k+1时刻在αβ坐标系下的电流预测值。
[0070]
本发明利用基于电压矢量的有效辐射范围划分扇区。电压矢量的有效辐射范围是从参考矢量到给定矢量的线性距离最短的区域。如下图2所示，有效辐射范围为虚线包围的每个多边形区域，将整个大扇区划分为六个扇区。
[0071]
在传统的电压矢量选择过程中，小电压矢量和中电压矢量都对中性点电压有影响，因此将这些电压矢量用矢量组合代替。以扇区i为例，合并后的向量如表2所示。
[0072]
表2扇区i中的矢量组合
[0073]
子扇区v(k)av
26
b1/2v
13
+1/2v
14
c1/2v
15
+1/2v
16
dv1e1/2v1+1/2v2fv2[0074]
为了减少计算量，提出了一种基于中电压矢量的方法，然后在选定的大扇区内进行电压矢量优化。这样，只需要三分之一的计算量就可以达到与传统方法相同的性能。例如，如果所选目标电压向量v7计算出的代价函数值最小，则应选择扇区ⅰ，然后对该扇区内的每个电压向量进行计算和优化。
[0075]
如下图3所示是改进的有限控制集模型预测控制的流程图。
[0076]
首先采样电网电流与电压，通过clarke变换对其进行αβ坐标变换，再结合欧拉公式得到预测电流，根据预测电流及其参考值计算代价函数。比较在6个扇区中哪个中电压矢量能使代价函数的值最小，则选择相应中电压矢量所处的扇区进行下一步计算。再次计算预测电流，再应用第一扇区中所有子扇区中的电压矢量来计算所述代价函数，比较哪一个电压矢量能使代价函数的值最小，得出最优电压矢量，将所述最优电压矢量对应的开关状态应用至逆变器的开关器件上。假设选择扇区ⅰ，同样计算预测电流，再应用扇区ⅰ中所有子扇区中的电压矢量来计算代价函数，比较得出最优值，然后等待下一个采样时间，重复上述
算法。同理，对其他扇区的算法保持一致。(v1～v6被定义为大电压矢量，v7～v
12
被定义为中电压矢量，v
13
～v
24
被定义为小电压矢量，v
25
～v
27
被定义为零电压矢量)。
[0077]
具体实施例：
[0078]
下面进行仿真验证，具体的仿真参数如表3所示。
[0079]
表3仿真参数
[0080]
参数类型数值u
dc
直流母线电压800vi
ref
参考电流20～30ac1,c2直流侧电容50μfls交流侧电感10mhrs电感内阻0.05ωts采样时间50μs
[0081]
首先对传统的fcs-mpc算法与加入扇区优化和二步判断的改进fcs-mpc算法分别进行仿真验证，在0.05s时使参考电流从20a突变至30a，可以同时比较二者的稳态性能与动态性能，并分析比较两者的总谐波失真。
[0082]
其次，要对二步判断方法加入前后的仿真实验进行比较，以证明其不会对算法性能产生影响，保证实验的严谨性与准确性。
[0083]
最后，通过仿真分析比较改进前后算法对于中点电位平衡的影响。
[0084]
本发明的实验效果
[0085]
图4和图6为传统fcs-mpc策略下输出电流和总谐波失真的仿真结果，图7和图9为提出的fcs-mpc策略下输出电流和总谐波失真的仿真结果。图5和图8为两种策略下的电网a相电压和输出电流。在两种控制策略下，电网相电压a与输出电流相位角一致，验证了仿真的有效性。
[0086]
仿真结果表明，当参考电流从20a变化到30a时，两种策略下的输出电流都能保持良好的跟踪性能和较短的响应时间。两种策略突变后输出电流均在0.001s以内稳定，具有良好的动态性能。但从图中也可以发现，与传统策略相比，本发明策略下输出电流的总谐波失真更小，电流质量更好。
[0087]
此外，为了保证改进的fcs-mpc算法中扇区的二次判断不影响整个系统中电压矢量的优化和输出电流的质量，还对不使用扇区的算法进行了仿真分析，如上图10和图11所示。由于总谐波失真值相同，可以推断二次扇区判断不影响输出电流的性能。
[0088]
图12和图13分别为传统算法和改进算法下的中性点电位v
p
,vn及其差值。可以看出，虽然常规算法可以实现中性点电位平衡，但本发明通过扇区优化和电压矢量组合，可以使v
p
和vn的值更接近，从而使中性点电位平衡更加稳定。
[0089]
需要说明的是：
[0090]
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备有固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本技术也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本技术的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本技术的最佳实施方式。
[0091]
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本技术的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0092]
类似地，应当理解，为了精简本技术并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本技术的示例性实施例的描述中，本技术的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本技术要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本技术的单独实施例。
[0093]
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。
[0094]
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本技术的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0095]
本技术的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本技术实施例的虚拟机的创建系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本技术还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本技术的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
[0096]
应该注意的是上述实施例对本技术进行说明而不是对本技术进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本技术可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0097]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，
任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：采样电网电流与电压，通过clarke变换对其进行αβ坐标变换；结合欧拉公式得到预测电流，根据预测电流及其参考值计算代价函数；比较在矢量辐射范围的6个扇区中哪个中电压矢量能使代价函数的值最小，则选择相应中电压矢量所处的第一扇区进行下一步计算；再次计算预测电流，再应用第一扇区中所有子扇区中的电压矢量来计算所述代价函数，比较哪一个电压矢量能使代价函数的值最小，得出最优电压矢量，将所述最优电压矢量对应的开关状态应用至逆变器的开关器件上。2.根据权利要求1所述的一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，所述三相三电平t型并网逆变器包含三个t型npc平桥。3.根据权利要求1或2所述的一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，根据基尔霍夫电压定律，所述逆变器的输出相电压表示为：其中，rs为线路电阻，ls为滤波电感，e
a
、e
b
、e
c
为三相电网电压，i
a
、i
b
、i
c
为通过滤波电感ls和线路电阻rs流向电网的三相并网电流，u
an
、u
bn
、u
cn
为逆变器输出三相电压。4.根据权利要求3所述的一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，所述通过clarke变换对其进行αβ坐标变换包括：对上式(1)进行clarke变换，得α-β坐标系下的数学表达式：i
α
,i
β
为α-β坐标系下的电流，u
α
、u
β
为α-β坐标系下的电压，e
α
、e
β
为α-β坐标系下的输出交流信号。5.根据权利要求4所述的一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，所述结合欧拉公式得到预测电流，包括：电流i
α
,i
β
在一个采样周期内的变化率可由欧拉近似得到：
其中k为采样个数，t
s
为采样周期；由此可得电流预测值：6.根据权利要求5所述的一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，所述代价函数表示为：其中，和为k+1时刻在αβ坐标系下给定的电流参考值，i
α
(k+1)和i
β
(k+1)为k+1时刻在αβ坐标系下的电流预测值。7.根据权利要求1所述的一种三相三电平t型并网逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，所述6个扇区为基于电压矢量的有效辐射范围划分得到的，所述电压矢量的有效辐射范围是从参考矢量到给定矢量的线性距离最短的区域。

技术总结
一种三相三电平T型并网逆变器的模型预测控制方法，包括：采样电网电流与电压，通过Clarke变换对其进行αβ坐标变换；结合欧拉公式得到预测电流，根据预测电流及其参考值计算代价函数；比较在矢量辐射范围的6个扇区中哪个中电压矢量能使代价函数的值最小，则选择相应中电压矢量所处的第一扇区进行下一步计算；再次计算预测电流，再应用第一扇区中所有子扇区中的电压矢量来计算代价函数，比较得出最优值。本发明的优点在于：通过扇区优化选择以及组合电压矢量的应用能够降低电流总谐波失真，促进中点电位平衡。通过二步判断法能显著降低计算量。计算量。计算量。


技术研发人员：杨勇 龚铭祺 丁俊龙
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：2023.04.23
技术公布日：2023/8/9