基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法，基于两矢量合成的模型预测功率控制来调节并网逆变器的瞬时有功和无功功率，并平衡中点电压；基于两矢量合成的模型预测功率控制分为两个步骤，建立两个代价函数，先求得理想电压矢量所在的小扇区，然后通过合理的代价函数来选择两个矢量并调节其占空比来对三电平逆变器的各个开关器件进行控制。本发明专利技术方法可以实现开关频率固定，减小算法的运算量，节约计算资源，而且方法控制的逆变器稳态和动态性能都表现良好。

【技术实现步骤摘要】
基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法
本专利技术涉及三电平逆变器控制
，特别涉及一种基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法。
技术介绍
随环境污染和能源危机的日益严重，利用太阳能、风能等可再生能源的分布式发电技术受到越来越广泛的关注。而逆变器是分布式发电系统与电网的接口，与传统的两电平逆变器相比，三电平逆变器谐波含量低，开关损耗小，电能质量和效率都要高很多。模型预测控制是一种新型的预测控制策略，该策略需要建立一个能预测将来行为的系统模型，通常构造一个代价函数，选择使这个代价函数达到最小值的最优开关状态，就可以使预测值接近目标值。关于三电平逆变器的预测控制算法最早有模型预测功率控制和模型预测电流控制。这些预测控制算法可以平衡三电平逆变器的中点电压，但是这两种传统方法的开关频率都是变化的，在一个开关周期内都只选择一个最优电压矢量作为电压输出，开关状态的变化没有规律，这样的输出对采样频率有较高的要求且开关频率不固定，谐波频谱广，给输出滤波器的设计带来困难。目前，用于逆变器的预测最优开关序列直接功率控制和调制模型预测控制策略被提出，这两种方法可以实现固定开关频率，但是计算量较大，并且一个开关频率内采用的开关状态有3个，导致逆变器开关状态切换次数增加。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法，克服现有的三电平逆变器控制策略开关频率变化，计算量较大的缺点，实现恒定开关频率，减少开关切换次数，减小算法的运算量，节约计算资源。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现：一种基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法，包括：将所有的27个开关状态在传统6个大扇区的基础上分成12个小扇区；第一步用第一个代价函数选择包含理想输出电压矢量所在的小扇区，然后通过第二个代价函数在第一步中获得的小扇区中选择最优两矢量开关序列，最后利用三电平逆变器选择的两个矢量对应的开关状态，按照对应的占空比对逆变器的功率开关器件进行控制。具体步骤如下：在忽略电阻的影响下，求出三相电网中在静止两相坐标系αβ下，有功功率和无功功率的微分方程：其中，(eα,eβ)和(iα,iβ)代表静止两相坐标系αβ下的电网电压和电流，L是交流滤波器的电感，ω表示电气角速度，P代表有功功率，Q代表无功功率，当逆变器开关状态为vi时，逆变器在静止两相坐标系αβ下输出的电压为ui(uαi,uβi)，输入到电网侧有功功率与无功功率的导数分别表示为fpi,fqi，所以也可以将上式表示为：假设三电平逆变器在第k个采样周期开始时的有功功率和无功功率分别为P(k),Q(k)，经过两个电压矢量电压矢量ui,uj分别作用ti,tj时间后，在第k+1个采样周期开始时，逆变器输出的有功功率与无功功率预测值为：设采样时间为Ts，由于每个采样周期只有两个矢量作用，所以Ts＝ti+tj；分别取零矢量，中矢量和大矢量组成小扇区的中心，利用这12个位于中心的矢量分别计算第k+1个采样周期开始时刻的有功功率P(k+1)和无功功率Q(k+1)；定义一个代价函数，从计算结果中找出使代价函数最小的中心矢量所在的扇区，这时先不考虑电容中点电压平衡，定义代价函数J′为：J′＝[Pref-P(k)-fpcTs]2+[Qref-Q(k)-fqcTs]2(4)其中，Pref是给定的有功功率值，Qref是给定的无功功率值，而fpc,fqc是输出中心矢量对应的有功功率和无功功率的变化率，从上述计算结果中找出使代价函数J′最小的中心矢量所在的扇区，则该扇区即为所需两矢量所在扇区；在求取小扇区中最优两矢量开关序列之前，先要对小扇区中每个两矢量组合的最优占空比进行计算，其中两个矢量的作用时间分别为ti和tj，ti可以通过令代价函数J对ti求导，并令其等于0得到，定义代价函数J为：J＝ΔP2+ΔQ2＝[Pref-P(k)-fpiti-fpjtj]2+[Qref-Q(k)-fqiti-fqjtj]2(5)得到计算ti的公式为：另外，由Ts＝ti+tj得到tj＝Ts-ti；在代价函数中，考虑中点电压平衡，中点电压方程为：其中，uo＝uc2-uc1为母线电容的电压差，C是直流侧两个电容的大小，viabc为逆变器的开关状态，ti是开关状态对应的作用时长，|viabc|＝{|via|,|vib|,|vic|}T,vix(x＝a,b,c)∈{-1,0,1}，iabc是所连接系统的线电流且iabc＝{ia,ib,ic}；考虑电容中点电压平衡，求出小扇区中在一个开关周期内最优两矢量开关序列，定义代价函数J″为：J″＝[Pref-P(k)-fpiti-fpjtj]2+[Qref-Q(k)-fqiti-fqjtj]2+λ|uo(k+1)|(8)从上述计算结果中找出使代价函数取最小值对应的两个矢量，按照开关序列对应的占空比，合成使代价函数最小的最优矢量；最后，利用得到的两个矢量及其对应的占空比对三电平逆变器进行控制。具体的，式(8)中λ的取值为0.1。优选的，为了避免相邻扇区开关状态切换时不会出现N与P之间的切换，采用小矢量集中的实现方法输出两矢量开关序列，即把小矢量放在开关序列中间，将零矢量/中矢量/大矢量作用时间等分在两边。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本专利技术在模型预测控制的基础上，采用基于两矢量合成的模型预测功率控制，相比于传统的三电平逆变器模型预测控制，实现了恒定开关频率控制，有效平衡了两个电容的中点电压，提高了三电平逆变器的性能，减少了输出电流的谐波含量，相对于预测最优开关序列直接功率控制和调制模型预测控制，减少了开关切换次数，减少了大量的运算量，节约了控制芯片的计算资源。附图说明图1是三电平并网逆变器电路图。图2是三电平逆变器空间电压矢量图。图3是三电平逆变器空间矢量扇区图。图4是当理想电压矢量位于两矢量之间时代价函数J的几何解释。图5是当理想电压矢量位于两矢量之外时代价函数J的几何解释。图6是理想电压矢量与小扇区中心矢量的几何联系。图7是基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制系统流程图。图8是基于两矢量合成的模型预测功率控制系统仿真中逆变器输出线电压的动态响应。图9是基于两矢量合成的模型预测功率控制系统仿真中电网线电流的动态响应。图10是基于两矢量合成的模型预测功率控制系统仿真中电网有功和无功的动态响应。图11是基于两矢量合成的模型预测功率控制系统仿真的直流侧电容电压的动态响应。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1在图1中，给出了三电平并网逆变器电路图，三电平三相逆变器通过滤波电感L以及等效电阻R与电网相连。在图2中，给出了27个开关状态对应的空间电压矢量，每一个开关状态都对应着响应的逆变器输出的电压矢量。当逆变器开关状态为vi时，三电平逆变器输出的电压向量为ui(uαi,uβi)，三电平逆变器的输出电压向量ui可以由电网线电压向量e，线电流向量i以及电感L和电阻R求得：在式(1)中，通过忽略滤波器的电阻，经过Clark变换，可以将方程变换到两相静止坐标系αβ下：其中，(eα,eβ)和(iα,iβ)代表静止两相坐标系αβ下的电网电压和电流。以三相电压为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法，其特征在于，包括：针对三电平三相并网逆变器，将所有的27个开关状态在传统6个大扇区的基础上分成12个小扇区；第一步用第一个代价函数选择包含理想输出电压矢量所在的小扇区，然后通过第二个代价函数在第一步中获得的小扇区中选择最优两矢量开关序列，最后利用三电平逆变器选择的两个矢量对应的开关状态，按照对应的占空比对逆变器的功率开关器件进行控制。

【技术特征摘要】
1.基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法，其特征在于，包括：针对三电平三相并网逆变器，将所有的27个开关状态在传统6个大扇区的基础上分成12个小扇区；第一步用第一个代价函数选择包含理想输出电压矢量所在的小扇区，然后通过第二个代价函数在第一步中获得的小扇区中选择最优两矢量开关序列，最后利用三电平逆变器选择的两个矢量对应的开关状态，按照对应的占空比对逆变器的功率开关器件进行控制。2.根据权利要求1所述的基于两矢量合成的三电平逆变器模型预测功率控制方法，其特征在于，具体步骤如下：在忽略电阻的影响下，求出三相电网中在静止两相坐标系αβ下，有功功率和无功功率的微分方程：其中，(eα,eβ)和(iα,iβ)代表静止两相坐标系αβ下的电网电压和电流，L是交流滤波器的电感，ω表示电气角速度，P代表有功功率，Q代表无功功率，当逆变器开关状态为vi时，逆变器在静止两相坐标系αβ下输出的电压为ui(uαi,uβi)，输入到电网侧有功功率与无功功率的导数分别表示为fpi,fqi，所以也可以将上式表示为：假设三电平逆变器在第k个采样周期开始时的有功功率和无功功率分别为P(k),Q(k)，经过两个电压矢量电压矢量ui,uj分别作用ti,tj时间后，在第k+1个采样周期开始时，逆变器输出的有功功率与无功功率预测值为：设采样时间为Ts，由于每个采样周期只有两个矢量作用，所以Ts＝ti+tj；分别取零矢量，中矢量和大矢量组成小扇区的中心，利用这12个位于中心的矢量分别计算第k+1个采样周期开始时刻的有功功率P(k+1)和无功功率Q(k+1)；定义一个代价函数，从计算结果中找出使代价函数最小的中心矢量所在的扇区，这时先不考虑电容中点电压平衡，定义代价函数J′为：J′＝[Pref-P(k)-fpcTs]2+[Qref-Q(k)-fqcTs]2(4)其中，Pref是给定的有功功率值，Qref是给定的无功功率值，而fpc,fqc是输出中...

【专利技术属性】
技术研发人员：康龙云，程建材，胡毕华，肖文哲，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44