一种ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种ANPC三电平逆变器，包括三相桥臂，所述相桥臂包括六个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极和负极，两个串联的IGBT实现中点箝位功能，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作，该ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，与传统控制方法相比，新型模型预测控制考虑电网不平衡的情况影响，不需要复杂的正负序分离和调节PI参数，控制简单，并网电流波形质量较好，能够固定开关频率，易于滤波器的设计，能够实现主动控制中点电位平衡的能力，中点电位波动大幅减小，在异常情况造成中点电位偏移时能够进行有效的抑制，可以应用于光伏发电系统等可再生能源发电领域。

ANPC Three-level Inverter and Its Model Predictive Control Method

【技术实现步骤摘要】
一种ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法
本专利技术涉及三电平逆变器
，具体为一种ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法。
技术介绍
与传统两电平逆变器相比，三电平逆变器具有开关损耗小和输出波形质量好等优点，在光伏发电和风力发电等分布式电压场合得到广泛应用。其中，二极管箝位(NPC)三电平逆变器由于控制简单是应用最为广泛的一种三电平拓扑。但是NPC三电平逆变器存在功率器件损耗不均的缺点，会造成部分开关器件发热较为严重而损坏，这大大缩短了NPC逆变器的寿命。有源中点箝位(ANPC)三电平逆变器的出现解决了上述问题，被誉为光伏发电和风力发电变换器的新选择。而且，随着光伏发电和风力发电的大量接入电网，并网要求也逐渐增高。并网要求电网发生不平衡时，逆变器输出并网质量不变，传统的控制方法难以保证该要求。为了消除电网不平衡的影响急需一种新型控制方法实现高质量并网要求。有源中点箝位(ANPC)三电平逆变器存在中点电位不平衡问题，传统方法采用PI控制器抑制中点电位不平衡，但是系统中需要调节大量的PI参数。为了解决该问题，急需一种新型控制方法，实现中点电位平衡控制。因此，研究一种ANPC三电平逆变器控制方法具有重要意义。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，解决了有源中点箝位(ANPC)三电平逆变器存在中点电位不平衡问题，传统方法采用PI控制器抑制中点电位不平衡，但是系统中需要调节大量PI参数的问题。(二)技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种ANPC三电平逆变器，包括三相桥臂，所述相桥臂包括六个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极和负极，两个串联的IGBT实现中点箝位功能，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作。优选的，输入直流电源连接两个分压电容，两个电容的中点与ANPC三电平逆变器的中点相连接。优选的，所述滤波器为三相LC滤波电路。优选的，所述控制电路包括DSP+CPLD主控制器、驱动电路、信号采样及调理电路，DSP芯片负责电压和电流信号采样、矢量作用时间的计算，CPLD用于分配PWM信号，传递给驱动电路驱动ANPC三电平逆变器。优选的，采样直流侧分压电容的电压、逆变器三相输出电流、三相输出电压，经信号调理电路后输入DSP控制器的AD转换模块。本专利技术还公开了一种ANPC三电平逆变器的模型预测控制方法，具体包括以下步骤：步骤一、根据逆变器的模型，建立逆变器在abc坐标系的等效关系式；步骤二、采用clarke变换，得到逆变器电网不平衡情况下在αβ坐标系下等效关系式，将给定电流和变换后的电流送入到价值函数中，对价值函数的电压矢量求导，得到最优的电压矢量，将最优矢量送入到空间矢量调制中；步骤三、根据直流侧上电容电压、下电容电压，将上侧电容电压和下侧电容电压的差值和0比较，比较输出送入到重复控制器中，然后调整每相桥臂的转态转换时间，实现中点电位平衡控制；步骤四、将各个矢量的作用时间转换成占空比，通过同相载波调制后生成PWM信号，经驱动电路控制IGBT的开通或关断。优选的，所述步骤一中，检测电网电压和并网电流，根据基尔霍夫定律得到ANPC三电平逆变器系统的模型表达式。优选的，所述步骤二中，为了计算简单，对abc轴的电压和电流采用clarke变换，得到ANPC三电平逆变器在电网不平衡情况下αβ坐标系等效关系式，然后求出α轴和β轴的电流表达式，将α轴和β轴的给定电流和求出的α轴和β轴的电流送入到价值函数中，对价值函数的电压矢量求导，得到最优的电压矢量，将最优的电压矢量送入到空间矢量调制中，进行中点电位平衡控制。优选的，所述步骤三中，当直流侧上电容电压高于下电容电压时，此时重复控制器的输出会增加P型小矢量作用时间，从而减少直流侧上侧电容电压，实现中点电位平衡控制；当直流侧上电容电压低于下电容电压时，此时重复控制器的输出会增加N型小矢量作用时间，从而减少直流侧下侧电容电压。优选的，所述步骤四中，由开关状态确定IGBT的PWM信号，x(x＝a，b，c)相输出P状态时，Sx1、Sx2、Sx6开通；x相输出O状态时，Sx2、Sx3、Sx5、Sx6开通；x相输出N状态时，Sx3、Sx4、Sx5开通。(三)有益效果本专利技术提供了一种ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法。具备以下有益效果：(1)、该ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，与传统控制方法相比，新型模型预测控制考虑电网不平衡的情况影响，不需要复杂的正负序分离和调节PI参数，控制简单，并网电流波形质量较好。(2)、该ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，将α和β轴电流和给定电流送入到价值函数中，并对电压矢量求导，得到最优的输出矢量，将该电压矢量送入到空间矢量调制中，该方法能够固定开关频率，易于滤波器的设计。(3)、该ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，采用重复控制器，不需要调节复杂的PI参数，能够实现主动控制中点电位平衡的能力，中点电位波动大幅减小，在异常情况造成中点电位偏移时能够进行有效的抑制。(4)、该ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，可以应用于光伏发电系统等可再生能源发电领域。附图说明图1为ANPC三电平逆变器系统的电路结构示意图；图2为本专利技术的模型预测和重复控制图；图3为本专利技术所用空间矢量图；图4为扇区1内的参考矢量时的开关序列；图5为本专利技术提出方法电网平衡情况下ANPC三电平逆变器的运行结果；图6为本专利技术提出方法在电网不平衡模式下ANPC三电平逆变器的运行结果；图7异常情况导致中点电位发生偏移时，本专利技术提出方法的控制效果图；图8为本专利技术的控制框图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。为解决以上问题，本专利技术提出了本专利技术提出的模型预测控制方法采用恒定开关频率的方法，根据电网不平衡情况的电压模型，计算得到静止坐标系下的电流模型，实现电流准确跟踪，和传统方法相比，该方法能够消除电网不平衡引起的二倍频波动，而且不需要正负序分离。并根据直流侧电容差值，通过重复控制，实现ANPC三电平逆变器的中点电位控制。本专利技术具有中点电位控制和并网电流跟踪控制的功能，能够使ANPC高效稳定工作。本专利技术实施例提供一种ANPC三电平逆变器及其模型预测控制方法，包括三相桥臂，所述相桥臂包括六个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极和负极，两个串联的IGBT实现中点箝位功能，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作，电感与输入直流电源的连接侧串联有二极管，且两个二极管反向。两个电容的一端连接在二极管和电感的连接处，另一端连接在另一个电感和ANPC三电平逆变器桥臂的连接处。选择直流侧电容的中点O1为参考点，以A相桥臂为例，当功率器件Sa1、Sa2和Sa6导通时，uAO1＝Vdc_link/2，定义此本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ANPC三电平逆变器，包括三相桥臂，其特征在于：所述相桥臂包括六个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极和负极，两个串联的IGBT实现中点箝位功能，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作。

【技术特征摘要】
1.一种ANPC三电平逆变器，包括三相桥臂，其特征在于：所述相桥臂包括六个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极和负极，两个串联的IGBT实现中点箝位功能，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作。2.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器，其特征在于：输入直流电源连接两个分压电容，两个电容的中点与ANPC三电平逆变器的中点相连接。3.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器，其特征在于：滤波器为三相LC滤波电路。4.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器，其特征在于：控制电路包括DSP+CPLD主控制器、驱动电路、信号采样及调理电路，DSP芯片负责电压和电流信号采样、矢量作用时间的计算，CPLD用于分配PWM信号，传递给驱动电路驱动ANPC三电平逆变器。5.根据权利要求1所述的一种ANPC三电平逆变器，其特征在于：采样直流侧分压电容的电压、逆变器三相输出电流、三相输出电压，经信号调理电路后输入DSP控制器的AD转换模块。6.根据权利要求1所述的1-5中任一项所述的一种ANPC三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：步骤一、根据逆变器的模型，建立逆变器在abc坐标系的等效关系式；步骤二、采用clarke变换，得到逆变器电网不平衡情况下在αβ坐标系下等效关系式，将给定电流和变换后的电流送入到价值函数中，对价值函数的电压矢量求导，得到最优的电压矢量，将最优矢量送入到空间矢量调制中；步骤三、根据直流侧上电容电压、下电容电压，将上侧电容电压和下侧电容电压的差值和0比较，比较输出送入到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兆伟，王卫星，
申请(专利权)人：烟台大学，
类型：发明
国别省市：山东,37