一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统技术方案

本公开提出了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统，提出新的开关周期定义，通过控制开关周期，间接控制开关频率，在保持模型预测控制方法的快速暂态性等优势特点的同时，改进预测控制的目标函数，增加开关频率约束项，能够使得输出电流的频谱与脉宽调制效果相似，实现频谱整形，且依然能够良好的追踪参考电流和平衡母线电容电压，可以极大简化滤波器、散热装置的设计，提高系统的寿命和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统
本公开涉及变流器控制技术相关
，具体的说，是涉及一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
技术介绍
信息，并不必然构成在先技术。并网变流器是一种将电能从直流转换为交流、实现馈网的功率变换装置。中性点钳位型三电平变流器通过中性钳点和串联直流电容器来产生三种电平，与两电平变流器相比，在同等单管开关频率下，具有更小的谐波电流、桥臂上开关器件承受的反向电压和开关损耗减半等优势，在低压380V-690V的光伏、风电及储能的并网变流器系统中得到广泛应用。并网变流器的控制方法包括传统基于调制器和线性控制器的控制方法和直接模型预测控制方法。直接模型预测控制方法是依赖于高速微型处理器的功率变换器和电机高性能的控制方法。通过建立被控对象的离散化模型，预测被控系统变量未来的演变规律，根据应用场景和工况要求，构建代价函数，评价变流器的开关状态，在相应的优化准则下选择最优开关组合，控制变流器的实际输出，实现系统的高性能控制。不同于传统基于调制器和线性控制器的控制方法，直接模型预测控制将“开关调制”和“目标优化”两个环节合二为一，直接送出开关序列。省去调制器，极大地降低了控制系统的实现复杂度，但会导致变流器的开关频率难以固定、频谱分布宽杂。为了满足并网标准，变流器的输出端通常配有相应的滤波器，而滤波器的设计需要依据输出电流和输出分布频谱，变流器的开关频率难以固定、频谱分布宽导致滤波器的设计难度大、系统控制效果差。因此，现有模型预测控制方法虽然具有极快的暂态响应特性、较强的多变量控制能力以及处理系统非线性的能力，却存在开关频率变化大这一问题，一方面导致各个开关的使用寿命相差大，对散热器的设计增加了较大困难，另一方面使输出电流的频谱在频域上分布不集中，容易引起系统产生谐振，给滤波器的设计增加了较大困难。专利技术人发现，现有的模型预测控制方法，根据有无借助调制器，分成两类：第一类是基于调制器的类脉宽调制方法，在α-β坐标系中挑选电压矢量组合，通过代价函数求出各矢量最优的作用时间占空比；第二类是不借助调制器的方法，包括对开关动作进行简单的惩罚、借助陷波器等手段。第一类模型预测控制方法，基于调制器的类脉宽调制方法，开关频率基本维持稳定，尽管频谱分布与传统的脉宽调制技术效果相似，但丢失了模型预测控制的优势特点，尤其在桥臂数量增加时，控制算法复杂度大幅提高，难以通用推广。第二类模型预测控制方法，对开关动作进行简单的惩罚，在一定程度上降低了开关的平均动作频率，陷波滤波器能清除较大部分的谐波成分，但没有解决电流的频谱在频域上分布不够集中这一根本问题，限制平均开关动作频率的同时也降低了电流质量，且难以发挥开关器件的物理极限。设计十分复杂，且在工况发生变化时，相关参数需要重新设计，不灵活。
技术实现思路
本公开为了解决上述问题，提出了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统，针对中性点钳位型三电平并网变流器进行控制，基于传统的模型预测控制方法，提出新的开关周期定义，通过控制开关周期，间接控制开关频率，在保持模型预测控制方法的快速暂态性等优势特点的同时，修订预测控制的目标函数，能够使得输出电流的频谱与脉宽调制效果相似，实现频谱整形，且依然能够良好的追踪参考电流和平衡母线电容电压，可以极大简化滤波器、散热装置的设计，提高系统的寿命和可靠性。为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：一个或多个实施例提供了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，包括如下步骤：定义变流器的开关控制周期；按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。一个或多个实施例提供了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制系统，包括：定义模块：被配置为用于定义变流器的开关控制周期；代价函数建立模块：被配置为用于按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；获取模块：被配置为用于获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；计算模块：被配置为用于根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；控制输出模块：被配置为用于根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。与现有技术相比，本公开的有益效果为：本公开基于传统的模型预测控制方法，提出新的开关周期定义，通过控制开关周期，间接控制开关频率，在保持模型预测控制方法的快速暂态性等优势特点的同时，改进预测控制的目标函数，增加开关频率约束项，能够使得输出电流的频谱与脉宽调制效果相似，实现频谱整形，且依然能够良好的追踪参考电流和平衡母线电容电压，可以极大简化滤波器、散热装置的设计，提高系统的寿命和可靠性。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。图1是本公开实施例1中性点钳位型三电平并网变流器的功率电路拓扑；图2是本公开实施例1的控制方法流程图；图3是本公开实施例1的单个开关的上升型周期Tu和下降型周期Td定义说明示意图：图4是本公开实施例1的控制方法中最优输出电压矢量计算方法流程图；图5是本公开实施例1的中性点钳位型三电平并网变流器的输出电压矢量图；图6是本公开实施例1的代价函数JT控制机理演示图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，其特征是，包括如下步骤：/n定义变流器的开关控制周期；/n按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；/n获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；/n根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；/n根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。/n

【技术特征摘要】
1.一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，其特征是，包括如下步骤：
定义变流器的开关控制周期；
按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；
获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；
根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；
根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。


2.如权利要求1所述的一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，其特征是：定义变流器的开关控制周期，具体为：将相邻的开关导通动作间隔定义为上升型周期，相邻的开关切断动作间隔定义为下降型周期，将上升型周期和下降型周期的算数平均数定义为开关控制周期。


3.如权利要求1所述的一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，其特征是，代价函数包括电流追踪项、直流电容电压平衡项，以及开关频率约束项；电流追踪项：用于约束实际电流与参考电流的差值；直流电容电压平衡项：用于维持直流中性点的稳定；开关频率约束项：用于使得开关动作频率趋于稳定。


4.如权利要求3所述的一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，其特征是：控制变流器的开关器件开关的代价函数，如下：
Jj＝λI(ir-ip,j)2+λvVop,j+λk((Kup,j-Kr)2+(Kdp,j-Kr)2)
其中，λI电流追踪项的加权系数，ir为变流器的输出电流的参考值，ip,j为第j种开关组合时变流器的输出电流预测值，λv直流电容电压平衡项的加权系数，Vop,j第j钟开关组合时直流侧电容电压差的预测值，λk开关频率约束项的加权系数，Kup,j第j种开关组合时上升型周期中包含控制周期的个数，Kr控制周期的个数参考值，Kdp,j第j种开关组合时下降型周期中包含控制周期的个数。


5.如权利要求1所述的一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，其特征是：根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小对应的下一开关控制周期的最优输出电压矢量的方法，包括如下步骤：
根据当前采集时刻的变流器的电路参数数值，计算当前控制周期结束时，变流器的输出直流电容器电压差和输出电流值；
根据计算获得的当前控制周期结束时变流器的直流电容器电压差和输出电流值，滚动代入下一控制周期变流器所有的输出电压状态，预测下一控制周期结束时变流器的输出电流和直流电容器电压差；
根据下一控制周期变流器所有的输出电压状态，计算下一控制周期每个输出电压状态对应的开关状态矩阵；根据上一时刻和当前时刻采集的变流器输出电压矢量，计算上一时刻和当前时刻输出电压状态对应的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祯滨，杨鑫亮，刘晓栋，吕彦达，李真，高峰，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37