三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法，该方法所研究的系统包含直流侧电压源，直流侧电容，三电平逆变器电路，三相L滤波器，三相L滤波器的等效电阻和三相电网。该方法不需要知道实际模型参数值，仅通过采样流过三相L滤波器的电流和三相电网的电压，进而用于无参数有限集模型预测控制，提升有限集模型预测控制的参数鲁棒性，同时不增加成本并且简单有效。

Parameter free finite set model predictive control method for three-level grid connected inverter

【技术实现步骤摘要】
三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法
本专利技术属于三电平并网逆变器控制
，更具体地说是一种三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法，用于改善逆变器并网电流波形质量，提高有限集模型预测控制在三电平并网逆变器的参数失配下的鲁棒性。
技术介绍
近年来，有限集模型预测控制得到了电力电子界的极大关注。有限集模型预测控制的早期实现是用于逆变器的电流控制和转矩控制，现已应用于各种转换器拓扑和电力电子设备。有限集模型预测控制具有快速动态响应、简单包含非线性和约束、多目标优化、低开关频率运行等优点。尽管具有上述优点，但参数不匹配是有限集模型预测控制的一个关键问题,参数不匹配会使系统的控制性能恶化。现有的研究已经提出了许多参数鲁棒预测控制算法，包括：1.题为“Robustmodelpredictivecurrentcontrolofthree-phasevoltagesourcePWMrectifierwithonlinedisturbanceobservation”，C.Xia,M.Wang,Z.Song,andT.Liu,IEEETrans.Ind.Inf,vol.8,no.3,pp.459–471,Aug.2012.(“基于在线干扰观测器的三相电压源PWM整流器鲁棒模型预测电流控制”，《IEEE工业电子会刊》，2012年发表)的文章。文中使用龙伯格观测器来观测参数。并且分析了当电感滤波器参数存在误差时观测器的稳定性。但是该方法是基于连续控制集模型预测设计和使用的。2.题为“Deadbeatpredictivecurrentcontrolofpermanent-magnetsynchronousmotorswithstatorcurrentanddisturbanceobserver”，X.Zhang,B.Hou,andY.Mei,IEEETrans.Ind.Inf,vol.32,no.5,pp.3818–3834,May2017.(“带有干扰观测器的永磁同步电动机的定子电流无差拍预测电流控制”，《IEEE工业电子会刊》，2017年发表)的文章。文章提出的滑模观测器有效地抑制了模型扰动。但是滑膜观测器的抖振现象没有解决。3.题为“Robustpredictivecontrolfordirect-drivensurface-mountedpermanent-magnetsynchronousgeneratorswithoutmechanicalsensors”，M.Abdelrahem,C.Hackl,Z.Zhang,andR,IEEETrans.EnergyConvers,vol.33,no.1,pp.179–189,Mar.2018.(“无机械传感器的直接驱动式表面安装永磁同步发电机的鲁棒预测控制”，《IEEE能源变换期刊》，2018年发表)的文章。文章提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器的模型预测控制，实现了很好的参数在线估计效果，但是算法过于复杂，不利于实际工程实现。综合以上文献，现有的技术存在以下不足：1、现有基于观测器参数识别的模型预测控制，观测器的加入，使得本身就复杂的模型预测控制算法更加复杂，不利于实际实现。2、现有基于观测器参数识别的模型预测控制，观测器的相关参数设计复杂。参数设计的不合适，会导致控制效果不好，更严重的情况下会导致系统不稳定。3、现有基于观测器参数识别的模型预测控制，在系统实际运行工作点改变的情况下，需要调整观测器的相关参数，这在实际实施时是相当困难的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服上述各种控制方案的局限性，针对三电平并网逆变器系统，提出一种无参数有限集模型预测控制方法，可以在不需要知道系统模型参数的情况下实现对并网电流的有效控制。所提出的方法不需要复杂的观测器，只需要采样流过三相L滤波器(40)的电流和三相电网(60)电压，实现简单并且控制效果良好。为了实现上述专利技术目的，所采用的技术方案为：一种三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法，应用该方法的三电平并网逆变器主电路拓扑结构包括直流侧电压源、直流侧串联电容、三电平逆变器、三相L滤波器、三相L滤波器的等效电阻和三相电网，所述直流侧串联电容包括直流电容C1和直流电容C2，直流电容C1和直流电容C2串联后接在直流侧电压源的直流正母线P与直流负母线N之间，其连接点记为中点n，中点n与三电平逆变器电路的中性点O连接，直流侧电压源与直流侧串联电容并联后和三电平逆变器连接，三电平逆变器经三相L滤波器与三相L滤波器的等效电阻连接后接入三相电网；所述三电平逆变器由a,b,c三相桥臂组成，每相桥臂包括4个开关管，即三电平逆变器共包括12个开关管，分别记为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sb3和Sc4；定义每个开关管的集电极为正端，每个开关管的发射极为负端，对于a相桥臂，开关管Sa1的正端连接直流正母线P，开关管Sa1的负端连接开关管Sa2的正端和开关管Sa4的正端以及a相桥臂输出端，开关管Sa2的负端连接开关管Sa3的负端，开关管Sa3的正端连接中性点O，开关管Sa4的负端连接直流负母线N；对于b相桥臂，开关管Sb1的正端连接直流正母线P，开关管Sb1的负端连接开关管Sb2的正端和开关管Sb4的正端以及b相桥臂输出端，开关管Sb2的负端连接开关管Sb3的负端，开关管Sb3的正端连接中性点O，开关管Sb4的负端连接直流负母线N；对于c相桥臂，开关管Sc1的正端连接直流正母线P，开关管Sc1的负端连接开关管Sc2的正端和开关管Sc4的正端以及c相输出端，开关管Sc2的负端连接开关管Sc3的负端，开关管Sc3的正端连接中性点O，开关管Sc4的负端连接直流负母线N；本控制方法的步骤如下：步骤1，当前采样时刻记为k时刻，采样流过三相L滤波器的电流并记做k时刻并网电流ia(k),ib(k),ic(k)，采样三相电网的电压并记做k时刻电网电压ea(k),eb(k),ec(k)；步骤2，对步骤1中采样得到的k时刻电网电压ea(k),eb(k),ec(k)和k时刻并网电流ia(k),ib(k),ic(k)进行坐标变换，采用三相静止坐标系abc变换到两相静止坐标系αβ的CLARK坐标变换，得到k时刻两相静止坐标系αβ下的电网电压eα(k),eβ(k)和k时刻两相静止坐标系αβ下的并网电流iα(k),iβ(k)；所述CLARK坐标变换公式如下：步骤3，计算k时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压Uα(k),Uβ(k)，计算式如下：其中，Vdc为直流侧电压，Sopta(k),Soptb(k),Soptc(k)是k时刻的三电平并网逆变器最优开关管动作信号；步骤4，进行参数估计；将三相L滤波器的电感估计值记为电感估计值三相L滤波器的等效电阻的电阻估计值记为电阻估计值电感估计值和电阻估计值的计算式如下：其中，T本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法，应用该方法的三电平并网逆变器主电路拓扑结构包括直流侧电压源(10)、直流侧串联电容(20)、三电平逆变器(30)、三相L滤波器(40)、三相L滤波器的等效电阻(50)和三相电网(60)，所述直流侧串联电容(20)包括直流电容C1和直流电容C2，直流电容C1和直流电容C2串联后接在直流侧电压源(10)的直流正母线P与直流负母线N之间，其连接点记为中点n，中点n与三电平逆变器电路(30)的中性点O连接，直流侧电压源(10)与直流侧串联电容(20)并联后和三电平逆变器(30)连接，三电平逆变器(30)经三相L滤波器(40)与三相L滤波器的等效电阻(50)连接后接入三相电网(60)；/n所述三电平逆变器(30)由a,b,c三相桥臂组成，每相桥臂包括4个开关管，即三电平逆变器(30)共包括12个开关管，分别记为S

【技术特征摘要】
1.一种三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法，应用该方法的三电平并网逆变器主电路拓扑结构包括直流侧电压源(10)、直流侧串联电容(20)、三电平逆变器(30)、三相L滤波器(40)、三相L滤波器的等效电阻(50)和三相电网(60)，所述直流侧串联电容(20)包括直流电容C1和直流电容C2，直流电容C1和直流电容C2串联后接在直流侧电压源(10)的直流正母线P与直流负母线N之间，其连接点记为中点n，中点n与三电平逆变器电路(30)的中性点O连接，直流侧电压源(10)与直流侧串联电容(20)并联后和三电平逆变器(30)连接，三电平逆变器(30)经三相L滤波器(40)与三相L滤波器的等效电阻(50)连接后接入三相电网(60)；
所述三电平逆变器(30)由a,b,c三相桥臂组成，每相桥臂包括4个开关管，即三电平逆变器(30)共包括12个开关管，分别记为Sa1、Sa2、Sa3、Sa4、Sb1、Sb2、Sb3、Sb4、Sc1、Sc2、Sb3和Sc4；定义每个开关管的集电极为正端，每个开关管的发射极为负端，对于a相桥臂，开关管Sa1的正端连接直流正母线P，开关管Sa1的负端连接开关管Sa2的正端和开关管Sa4的正端以及a相桥臂输出端，开关管Sa2的负端连接开关管Sa3的负端，开关管Sa3的正端连接中性点O，开关管Sa4的负端连接直流负母线N；对于b相桥臂，开关管Sb1的正端连接直流正母线P，开关管Sb1的负端连接开关管Sb2的正端和开关管Sb4的正端以及b相桥臂输出端，开关管Sb2的负端连接开关管Sb3的负端，开关管Sb3的正端连接中性点O，开关管Sb4的负端连接直流负母线N；对于c相桥臂，开关管Sc1的正端连接直流正母线P，开关管Sc1的负端连接开关管Sc2的正端和开关管Sc4的正端以及c相输出端，开关管Sc2的负端连接开关管Sc3的负端，开关管Sc3的正端连接中性点O，开关管Sc4的负端连接直流负母线N；
其特征在于，本控制方法的步骤如下：
步骤1，当前采样时刻记为k时刻，采样流过三相L滤波器(40)的电流并记做k时刻并网电流ia(k),ib(k),ic(k)，采样三相电网(60)的电压并记做k时刻电网电压ea(k),eb(k),ec(k)；
步骤2，对步骤1中采样得到的k时刻电网电压ea(k),eb(k),ec(k)和k时刻并网电流ia(k),ib(k),ic(k)进行坐标变换，采用三相静止坐标系abc变换到两相静止坐标系αβ的CLARK坐标变换，得到k时刻两相静止坐标系αβ下的电网电压eα(k),eβ(k)和k时刻两相静止坐标系αβ下的并网电流iα(k),iβ(k)；所述CLARK坐标变换公式如下：






步骤3，计算k时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压Uα(k),Uβ(k)，计算式如下：






其中，Vdc为直流侧电压，Sopta(k),Soptb(k),Soptc(k)是k时刻的三电平并网逆变器最优开关管动作信号；
步骤4，进行参数估计；
将三相L滤波器(40)的电感估计值记为电感估计值三相L滤波器的等效电阻(50)的电阻估计值记为电阻估计值电感估计值和电阻估计值的计算式如下：






其中，Ts是采样周期,eα(k-1),eβ(k-1)为(k-1)时刻两相静止坐标系αβ下的电网电压，iα(k-1),iβ(k-1)为(k-1)时刻两相静止坐标系αβ下的并网电流，Uα(k-1),Uβ(k-1)为(k-1)时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压；
步骤5，将下一个采样时刻记为(k+1)时刻，进行第一步预测，得到(k+1)时刻的预测电流值和计算式如下：






步骤6，将下两个采样时刻记为(k+2)时刻，进行第二步预测，求得(k+2)时刻两相静止坐标系αβ下的预测电流值
将(k+2)时刻两相静止坐标系αβ下的预测电流值记为(k+2)预测电流值其计算式如下：



其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，洪剑峰，曹仁贤，王宝基，高泽宇，许成俊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34