四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法技术

本发明专利技术提出四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法，改善了传统调制型模型预测控制

【技术实现步骤摘要】
四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体涉及四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法
。

技术介绍

[0002]四桥臂电压源逆变器
(VSIs)
由于比三桥臂逆变器多出一个自由度而具有更大的控制灵活性，并且对于不同的电力需求具有很强的普适性，在三相四线制电力电子系统中被广泛应用
。
目前，四桥臂逆变器主要的应用场合有：分布式发电；电网电能质量改善；有源电力滤波器
(APF)
场合；静态无功补偿；永磁同步电机
(PMSM)
容错控制；不间断电源
(UPS)
等
。
[0003]近年来，有限控制集模型预测控制
(FCS
‑
MPC)
因其简便的控制方法
、
优秀的动态性能和具有多控制目标的能力而被应用于四桥臂逆变器
。
然而，由于在单个采样周期只应用一个电压矢量，使得
FCS
‑
MPC
的开关频率可变，增加了滤波器的设计难度，降低了稳态性能；针对上述
FCS
‑
MPC
的固有问题，一种将
FCS
‑
MPC
与三维空间矢量调制
(3D
‑
SVM)
结合的控制方法被应用到三桥臂逆变器和四桥臂逆变器中，即传统调制型模型预测控制
(C
‑
M2PC)。
虽然
C
‑
M2PC
方法实现了恒定的开关频率，但直流电压利用率低，而且稳态性能有待提升
。
[0004]为了改善
C
‑
M2PC
的性能，一些研究提出了以占空比优化为目标的三桥臂逆变器
C
‑
M2PC
方法
。
张永昌等提出了一种永磁同步电机模型预测转矩控制方法，基于无差拍转矩控制原理求得每个电压矢量的占空比，在成本函数中同时优化电压矢量和占空比，从而避免了电压矢量选择和占空比的单独处理
。
阎彦等提出了永磁同步电机磁场定向控制的混合控制集模型预测控制方法，建立了包含虚拟矢量的混合控制集，通过有限枚举和误差评估选择最优矢量及其占空比，从而更精确地调整输出矢量的大小和角度
。
类似地，周湛清等提出了可变控制集永磁同步电机模型预测直接占空比控制方法通过改变预测模型和控制集，利用多个切换模式来调整转矩和磁链，从而最大化虚拟矢量的控制自由度
。Dan Xiao
等和邢相洋等分别提出了并网逆变器的改进调制型模型预测控制方法和三电平逆变器自适应模型预测控制方法，在正三角形扇区的角平分线上构建中间虚拟矢量从而对扇区进行区域细化，在每个细化区域中应用不同的有源矢量，减小了电流纹波幅值
。
陈俊硕等提出了永磁同步电机双向量模型预测电流控制方法，利用电流误差矢量到有源电压矢量的投影求解有源矢量的占空比，从而使预测误差最小化，改善了输出电流质量
。
孙晓东等提出了基于占空比优化的永磁同步电机改进模型预测转矩控制方法，在永磁同步电机模型预测转矩控制中，由于转矩惯性延迟的影响，占空比由平均转矩控制原理获得，实验结果证明可以减小转矩和磁链波动
。
[0005]以上占空比优化方法被应用到三桥臂逆变器控制中，并取得了显著的成效
。
但由于四桥臂逆变器的三维空间矢量结构是不规则的，所以以上方法难以被应用到这种逆变器拓扑上
。
最近，一个用于求取占空比的数学分析框架被
Dan Xiao
等提出，其构建成本函数与占空比之间的数学表达式，并通过极值问题求得最优占空比
。
此方法分别被应用到三桥臂
逆变器和四桥臂逆变器的模型预测控制中，改善了稳态性能，降低了电流纹波幅值，并促进了过调制能力
。
然而，通过极值问题求得的最优占空比无法恒处于0～1之间，在调制极限之外的情况下将导致不理想的控制效果
。
[0006]占空比优化将提高直流母线电压的利用率，并提高过调制能力
。Dan Xiao
等提出的极值方法难以完全禁用零矢量，这将使过调制能力受限
。
为了在过调制模式下禁用零矢量，
Cristian F.Garcia
等提出了优化过调制的调制型模型预测控制方法，该方法将六边形矢量空间划分为不同的工作区域，在不同的工作区域应用不同数量的矢量，但仅限于三桥臂逆变器的过调制情况
。
张晓光等提出了基于时变控制周期的
C
‑
M2PC
方法，根据最优矢量的持续时间改变控制周期，从而增强过调制能力，但控制周期的增加会使控制器输出的幅值和相位失真增大，从而影响控制效果
。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术设计四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法
。
[0008]四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法，具体包括以下内容：
[0009]步骤1：建立
αβγ
坐标系下的带
LC
滤波器的四桥臂逆变器解耦模型，并定义其成本函数；
[0010]为了消除中性桥臂和三相桥臂之间的耦合关系，建立
αβγ
坐标系下带
LC
滤波器的四桥臂逆变器解耦模型；
[0011]其中针对
α
分量，四桥臂逆变器的离散动态方程被写作：
[0012][0013]其中
i
α
，
i
α
o
，
v
α
n
，
v
α
o
，
L
，
C
和
T
s
分别为逆变器输出电流
、
负载电流
、
逆变器输出电压
、
负载电压
、
滤波电感
、
滤波电容和采样周期；为了补偿控制器的计算延时，将式
(1)
更新至下一时刻，得到：
[0014][0015]当采样频率远大于基波频率
(f
s
＞＞
20f)
时，式
(2)
中的
v
α
n
(k+2)
被线性近似为
v
α
n
(k+1)
，因此，合并式
(1)
和式
(2)
得到：
[0016]v
α
o
(k+2)
＝
x1v
α
o
(k)+x2[i
α
(k)
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法，其特征在于，具体包括以下内容：步骤1：建立
αβγ
坐标系下的带
LC
滤波器的四桥臂逆变器解耦模型，并定义其成本函数；步骤2：对四桥臂逆变器参考电压矢量和步骤1得到的成本函数进行形式变换，得到逆变器输出参考电压
、
对应的成本函数以及包含最优矢量和零矢量的最优四面体；步骤3：基于步骤2中的最优矢量与参考矢量，获得包含虚拟矢量的可变控制集，然后通过虚拟矢量对最优四面体进行迭代划分，得到最优二阶子四面体，最终得到最优矢量和零矢量的优化占空比；步骤4：基于最优四面体中的最优矢量在参考矢量方向上的投影，构建带
KKT
条件的拉格朗日方程并求解，实时得到当前参考矢量方向下的逆变器输出电压极限，作为过调制区域的判据，并在过调制模式下调整步骤3所得的优化占空比
。2.
根据权利要求1所述的四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法，其特征在于，步骤1具体为：为了消除中性桥臂和三相桥臂之间的耦合关系，建立
αβγ
坐标系下带
LC
滤波器的四桥臂逆变器解耦模型；其中针对
α
分量，四桥臂逆变器的离散动态方程被写作：其中
i
α
，
i
α
o
，
v
α
n
，
v
α
o
，
L
，
C
和
T
s
分别为逆变器输出电流
、
负载电流
、
逆变器输出电压
、
负载电压
、
滤波电感
、
滤波电容和采样周期；为了补偿控制器的计算延时，将式
(1)
更新至下一时刻，得到：当采样频率远大于基波频率
(f
s
＞＞
20f)
时，式
(2)
中的
v
α
n
(k+2)
被线性近似为
v
α
n
(k+1)
，因此，合并式
(1)
和式
(2)
得到：
v
α
o
(k+2)
＝
x1v
α
o
(k)+x2[i
α
(k)
‑
i
α
o
(k)]+x3v
α
n
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
其中
,
根据上述
α
分量的推导过程得到
β
分量和
γ
分量；基于对参考电压跟踪能力的考虑，将成本函数定义为：其中表示参考电压的
y
轴分量
。3.
根据权利要求1所述的四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法，其特征在于，步
骤2具体为：所述参考电压矢量和成本函数的形式变换具体为：两电平四桥臂逆变器共有
16
种开关状态，对应
16
个电压矢量，包含
14
个有源矢量和两个零矢量；由式
(3)
可知，下一时刻逆变器输出电压的
α
分量
v
α
n
(k+1)
仅占负载电压
v
α
o
(k+2)
的一部分，即式
(3)
可改写为：
v
α
o
(k+2)
＝
v
α
s
(k)+x3v
α
n
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
其中
v
α
s
(k)
是
v
α
o
(k+2)
的一部分，具体为：
v
α
s
(k)
＝
x1v
α
o
(k)+x2[i
α
(k)
‑
i
α
o
(k)]
ꢀꢀꢀꢀ
(6)
由式
(5)
可知，负载电压矢量和逆变器输出电压矢量之间会始终相差
v
α
s
(k)
，因此消除
v
α
s
(k)
和式
(5)
中的系数
x3；构建参考电压矢量的新形式：其中为负载参考电压矢量的新形式；最终，式
(4)
改写为：其中为下一时刻的逆变器输出电压；在
αβγ
坐标系中，有源矢量和零矢量构成四面体零矢量和有源矢量共同合成通过式
(7)
中的形式变换，被转换为而是的参考；后续参考矢量和成本函数分别采用式
(7)
和
(8)
；四桥臂逆变器输出
16
种开关状态，对应
16
个有源矢量；零矢量和相邻的三个有源矢量构成一个空间四面体，四桥臂逆变器的矢量空间被
14
个有源矢量分为
24
个空间四面体；通过评估每个四面体中电压矢量的成本函数，选择所包含电压矢量的成本函数值之和最小的四面体为最优四面体；最优四面体
Tetradron
opt
的选取方式如下：最优四面体包含的三个有源矢量被称为最优矢量，记为和共同合成参考矢量
。4.
根据权利要求1所述的四桥臂逆变器占空比优化电压预测控制方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤
3.1
：基于最优矢量与参考矢量之间的角...

【专利技术属性】
技术研发人员：邵虹君，李东航，刘捷，何林泉，段洪君，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：