一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法技术

本发明专利技术公开了一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，涉及电力电子与电力传动领域。该方法首先建立三电平PWM整流器离散预测模型并初始化，对PWM整流系统进行状态采样，然后根据记录的最优开关矢量，计算系统状态的预测值和期望值，最后判断电流误差和中点电位误差是否同时满足参考偏差，满足则将上一时刻开关矢量记录，输出其开关状态；不满足则计算参考电压并判断所在扇区，求解该扇区开关状态的价值函数，将价值函数最小的开关矢量记录，并输出其开关状态。该方法的优点是，当电流误差和中点电位误差控制在一定范围内时，可以降低变换器的平均开关频率，当超出范围时，将27次遍历减为10次，减少计算负担，适用于大功率PWM整流器的应用。率PWM整流器的应用。率PWM整流器的应用。

【技术实现步骤摘要】
一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法


[0001]本专利技术涉及电力电子和电力传动领域，尤其涉及一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法。

技术介绍

[0002]随着电力电子器件和控制算法的发展，PWM整流器技术已日趋成熟，由于PWM整流器可以实现网侧电流正弦化，可以于单位功率因数下运行，甚至能量可以实现双向传输，真正实现绿色电能变换，在有源滤波、电力传动和新能源并网发电领域得到了广泛应用，占有非常重要的地位。
[0003]相较于两电平整流器，三电平PWM整流器可选择的开关矢量更多，因此网侧电流谐波进一步降低，直流侧电压纹波更小，并且单个开关管承受电压为两电平的一半，可以提升整流器的容量。主流方案采用电压电流双闭环PI控制，结构简单，但是存在PI参数整定过程复杂，内外环路交叉耦合等问题。目前模型预测控制是新兴的控制策略，广泛应用在多种电力电子控制领域。该方法原理简单，控制方便，动态响应速度快，适用于多种非线性约束。但是，传统的FCS
‑
MPC的开关频率不固定，开关频率高，并且存在权值系数设计困难，计算量大等问题。

技术实现思路

[0004]针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，本方法可以有效提高整流器系统的动稳态性能，输出直流电压纹波小，在满足并网侧电流畸变率条件下，能够有效降低系统的开关频率，减少开关损耗，更适于大功率系统。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，具体包括：
[0006]步骤1：建立三电平PWM整流器离散预测模型并初始化，采集k时刻i
abc
、e
abc
和中点电位误差Δu
k
的数据，并根据坐标变换矩阵将上述变量变换到αβ坐标系；
[0007]步骤2：根据整流器交流侧预测模型，采用前向欧拉公式进行离散化计算k+1时刻网侧电流预测值i
αβ
(k+1)；
[0008]步骤3：开关函数的取值优先选择k
‑
1时刻选出的最优开关矢量对应值，根据k
‑
1时刻的开关状态计算k+1时刻的电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)；
[0009]步骤4：判断k+1时刻的电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)是否满足参考偏差，当电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)都满足参考偏差时，将开关矢量更新为k时刻最优开关矢量并输出；当不满足时，根据简化MPC算法，利用k+1时刻整流器交流侧的参考电流得出k时刻的参考电压先对三电平空间矢量大六边形进行扇区划分、判断，确定k时刻的参考电压的最优子集，然后在最优子集内遍历开关
矢量，计算出最优开关矢量并记录，输出开关状态。
[0010]进一步地，所述步骤1的具体步骤为：
[0011]步骤1.1：根据拓扑结构建立三电平PWM整流器数学模型，并利用开关函数表示整流器交流侧电压；
[0012]步骤1.2：将整流器数学模型变换到两相静止αβ坐标系。
[0013]进一步地，所述步骤4中当k+1时刻的电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)不满足参考偏差时，计算k时刻的参考电压所在扇区，确定最优子集，并计算最优子集内开关状态的价值函数J进行循环判断，选出最优开关矢量，输出开关状态。
[0014]进一步地，所述计算最优子集内开关状态的价值函数J进行循环判断的方法如下：设置最优值J
opt
，并初始赋值为inf，自变量j，初始赋值为0，计算开关状态的价值函数J(j)，判断J(j)与J
opt
的大小，将较小值赋给J
opt
，j自加1，循环计算、判断、赋值，直到j等于10时结束循环，选出的J
opt
即为最小值。记录J
opt
对应的开关状态为最优开关矢量。
[0015]进一步地，步骤4中所述的参考偏差为给定的电流误差范围和中点电位误差范围。
[0016]与现有技术相比，本专利技术通过设置参考偏差，放松一定电流跟踪能力，有效降低系统的开关频率，大幅减少开关损耗。当k+1时刻的电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)不满足参考偏差时使用分区遍历而不是传统遍历的算法，计算量大大降低，缓解计算压力，提高了系统运行速度，具有良好的动稳态性能。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的二极管箝位型三电平PWM整流器拓扑结构图；
[0018]图2是本专利技术的二极管箝位型三电平PWM整流器空间电压矢量图；
[0019]图3是本专利技术的控制流程图；
[0020]图4是本专利技术的中点电位仿真图。
具体实施方式
[0021]以下结合附图和具体实施步骤对本专利技术提出的一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法作进一步详细说明。
[0022]一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法,图1给出NPC三电平整流器电路拓扑结构图。如图所示，NPC型拓扑结构分为三个桥臂，每个桥臂由4个开关器件、4个续流二极管以及2个钳位二极管组成，并且在直流侧并联两个电容器C1和C2，L和R分别为网侧滤波电感和等效电阻。
[0023]首先建立三电平PWM整流器离散数学模型，假设功率器件为理想开关器件，忽略其导通压降和死区延时。通过控制桥臂的开关状态改变交流侧输出电位，从而实现控制网侧电流。每相4个功率器件的开关状态与输入点电位的关系如表1所示。
[0024]表1开关状态与其输入点电位的对应关系
[0025][0026]T1‑4为每相的功率器件，1代表导通，0代表关断。
[0027]由电路拓扑可知每相桥臂可以输出0、三种电平，分别对应工作模式“P”、“O”、“N”，因此可以定义每相桥臂对应的开关函数为S
x
：
[0028][0029]根据开关函数的取值，三电平整流器共有27种开关状态。
[0030]因此，根据ABC三相不同开关状态的可以得到27种基本电压矢量，其中：零矢量分别为PPP、OOO、NNN；大矢量分别为PNN、PPN、NPN、NPP、NNP、PNP；中矢量分别为PON、OPN、NPO、NOP、ONP、PNO；小矢量分别为POO、PPO、OPO、OPP、OOP、POP、ONN、OON、NON、NOO、NNO、ONO。图2给出NPC三电平整流器空间电压矢量图。
[0031]本专利技术提供一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，如图3所示为NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测控制方法流程图，包括如下步骤：
[0032]步骤1：建立三电平PWM整流器离散预测模型并初始化，采集k时刻i
abc
、e
abc
和中点电位误差Δu
k
，并根据坐标变换矩阵将上述变量变换本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，其待征在于，包括如下步骤：步骤1：建立三电平PWM整流器离散预测模型并初始化，采集k时刻i
abc
、e
abc
和中点电位误差Δu
k
的数据，并根据坐标变换矩阵将上述变量变换到αβ坐标系；步骤2：根据整流器交流侧预测模型，采用前向欧拉公式进行离散化计算k+1时刻网侧电流预测值i
αβ
(k+1)；步骤3：开关函数的取值优先选择k
‑
1时刻选出的最优开关矢量对应值，根据k
‑
1时刻的开关状态计算k+1时刻的电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)；步骤4：判断k+1时刻的电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)是否满足参考偏差，当电流误差Δig(k+1)和中点电位误差Δu(k+1)都满足参考偏差时，将开关矢量更新为k时刻最优开关矢量并输出；当不满足时，根据简化MPC算法，利用k+1时刻整流器交流侧的参考电流得出k时刻的参考电压先对三电平空间矢量大六边形进行扇区划分、判断，确定k时刻的参考电压所在扇区的最优子集，然后在最优子集内遍历开关矢量，计算出最优开关矢量并记录，输出开关状态。2.根据权利要求1所述的一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，其待征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓，邱硕，王亭杰，窦照宇，张旭，徐晓明，王剑，陶然，李书昊，郭涛，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：