CN105071677A - 用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，包括实时采集三相电网的电压以及并网电流信号；采用实时采集三相电网的电压以及并网电流信号和三相静止坐标下的两电平三相并网逆变器模型进行两相静止αβ坐标变换，求取两电平三相并网逆变器需要的输出电压矢量；根据求取的两电平三相并网逆变器需要的输出电压矢量，选择两电平三相并网逆变器的最优有效电压矢量，并求取最优有效电压矢量的最佳作用时间；利用有效电压矢量的最佳作用时间进行求取的逆变器开关元件的开通和关断时间，进而实现对两电平三相并网逆变器输出电流的控制。本发明的预测控制方法能改善电流跟踪效果、减小畸变率，使开关变化变得规律。

Description

用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法

技术领域

本发明属于电力领域，尤其涉及一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法。

背景技术

随着不可再生能源的日益紧缺和环境污染的不断加重，太阳能、风能，生物能等可再生能源发展迅速并扮演者越来越重要的角色，是人类能源的未来。逆变技术是电力电子学基本变换技术之一，并网逆变器是可再生能源发电系统和电网之间的接口，作用不可或缺，其性能将直接影响到电网的电能质量，因此并网逆变器电流跟踪速度和准确度都显得尤为重要，并网逆变器的研究工作具有重要的应用价值。

并网逆变器的电流跟踪控制是逆变过程中的关键技术之一，主要控制方法有：PI控制，滞环控制，滑模控制，模糊控制，预测控制等，其中，PI控制器的参数需要反复凑试，滞环控制需要很高的采样频率并且滤波电感的设计较为复杂，滑模控制和模糊控制的控制器设计比较繁琐。预测控制具有方法简单、开关频率较低、动态性能良好和易于编程的优点，因此得到了广泛的应用。模型预测控制(MPC)是一种新型的控制策略，受到了广泛关注，模型预测控制是根据采样值及开关状态推出下一时刻的电流输出值，进而和给定值比较选出下一周期内最优的开关状态。

模型预测控制属于先进控制的范畴，具有鲁棒性高，动态性能好的优点，而且不需要去设计控制参数，减少了对研究人员经验的要求。并网逆变器中常用的预测控制有限集模型预测控制算法，简单来说就是通过预测在8个开关状态中选择最优的开关状态投入到下一个周期的使用，为此需要建立系统的模型，然后将模型进行离散化处理，根据当前被控量检测值、被控量期望值、开关状态有限集以及系统参数计算最优开关状态。为了选择最佳开关状态，通常还需要设计价值函数，通过设计价值函数指标将8个开关状态投入计算并进行比较，最终选出最佳的一个。

然而传统的预测控制存在一定的缺点。首先，电流控制的精度不高，上述预测控制通过模型计算选择出最优的开关状态，但是该开关状态必须在整周期内都投入使用，这使得电压矢量跟踪不准确，从而降低了电流的控制精度，当采样时间增大时，上述问题尤为严重；再者，开关状态选择不规律，电压矢量只是根据代价函数来选择，没有统一的调制方法，因此开关状态并非均匀变化，经常出现多个桥臂同时动作的情况，当需要使用零矢量时，也不能自动选择使开关状态变化较小的一个。要解决上述问题，需要在价值函数里增加额外的变量并且记录之前一个或几个周期的开关状态，这无疑会增加处理器计算的负担。

预测控制也可以基于空间矢量PWM的方式，即SVPWM，能够改善上述缺点，但该方法存在两个较大的缺点，一是计算量很大，对控制器的计算能力要求较高，也限制了采样频率；二是SVPWM方式将使得开关频率将数倍于有限集模型预测控制算法。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法。该电流预测控制方法是基于开关状态选择和矢量作用时间两个维度的预测控制技术，能够改善电流跟踪效果，减小畸变率，且开关变化更加有规律。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，包括：

步骤(1)：实时采集三相电网的电压以及并网电流信号；

步骤(2)：采用实时采集三相电网的电压以及并网电流信号和三相静止坐标下的两电平三相并网逆变器模型进行两相静止αβ坐标变换，求取两电平三相并网逆变器需要的输出电压矢量；

步骤(3)：根据步骤(2)求取的两电平三相并网逆变器需要的输出电压矢量，选择两电平三相并网逆变器的最优有效电压矢量，并求取最优有效电压矢量的最佳作用时间；

步骤(4)：利用有效电压矢量的最佳作用时间进行求取的逆变器开关元件的开通和关断时间，进而实现对两电平三相并网逆变器输出电流的控制。

所述步骤(2)中两电平三相并网逆变器模型在三相静止坐标下的数学表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_a\\ {\stackrel{\·}{i}}_b\\ {\stackrel{\·}{i}}_c\end{array}\right]=-\frac{R}{L}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{u}_{aN}-e_a+u_{Nn}\\ u_{bN}-e_b+u_{Nn}\\ u_{cN}-e_c+u_{Nn}\end{array}\right]$

其中，e_a、e_b、e_c分别是abc三相电网的电压，u_aN、u_bN、u_cN是两电平三相并网逆变器输出电压，i_a、i_b、i_c是并网电流，u_Nn是直流电压负端和电网公共端之间的电压；L是滤波电感；R为与滤波电感串联的电阻。

所述步骤(2)中求取两电平三相并网逆变器输出电压矢量的过程，包括：

步骤(2.1)：将实时采集三相电网的电压以及并网电流信号进行变换，得到两相静止αβ坐标系下的三相电网的电压以及并网电流信号；

步骤(2.2)：根据步骤(2.1)中获取的两相静止αβ坐标系下的三相电网的电压以及并网电流信号，将三相静止坐标下的两电平三相并网逆变器模型转化为两相静止αβ坐标系下的两电平三相并网逆变器模型，进而获取两电平三相并网逆变器输出电压矢量。

所述步骤(2.2)中两相静止αβ坐标系下的两电平三相并网逆变器模型的数学表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{u}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{u}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{RT}}_s+L}{T_s}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)\end{array}\right]-\frac{L}{T_s}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]$

上式中，*代表给定值，∧代表估计值，i_α(k)、i_β(k)为k时刻两电平三相并网电流的采样值，是k+1时刻两电平三相并网电压的估计值，为下一时刻可能的逆变器输出电压，是给定两电平三相并网电流在k+1时刻的预测值。

所述步骤(3)中选择最优有效电压矢量的过程为：

步骤(3.1)：利用β轴及其与共交点的两条直线，将复平面平均分成六个区域；

以α轴正半轴所在的区域为第一区域，然后逆时针方向依次设为第二区域、第三区域、第四区域、第五区域和第六区域；

步骤(3.2)：判断求取的两电平三相并网逆变器输出电压矢量所在区域，若两电平三相并网逆变器输出电压矢量在第i区域，则最优有效电压矢量选择其中，i＝1,2,3,4,5,6。

所述最优有效电压矢量的表达式为：

${\stackrel{\→}{u}}_i=\frac{2}{3}(u_{aN}+a\×u_{bN}+a^2\×u_{cN})$

其中u_aN、u_bN、u_cN分别是两电平三相并网逆变器A、B、C相的输出电压。

所述步骤(3)中求取最优有效电压矢量的最佳作用时间的过程为：

当两电平三相并网逆变器输出电压矢量落在第i区域时，选择作为最优有效电压矢量，由两电平三相并网逆变器输出电压矢量的作用端点向做垂线，构建出一个直角三角形，根据三角关系求解最优有效电压矢量的最佳作用时间。

两电平三相并网逆变器中开关元件的一个开关周期，包括最优有效电压矢量的最佳作用时间和零电压矢量作用时间。

所述零电压矢量为两电平三相并网逆变器的三个上桥臂处于均导通或三个下桥臂处于均导通时的两电平三相并网逆变器输出电压矢量。

当两电平三相并网逆变器输出电压矢量落在第m区域时，选择零电压矢量作用于一个开关周期内有效电压矢量的最佳作用时间的剩余时间，其中，m＝1,3,5；

当两电平三相并网逆变器输出电压矢量落在第n区域时，选择零电压矢量作用于一个开关周期内有效电压矢量的最佳作用时间的剩余时间，其中，n＝2,4,6；

为两电平三相并网逆变器的三个上桥臂处于均导通状态的零电压矢量，为两电平三相并网逆变器的三个下桥臂处于均导通状态的零电压矢量为。

本发明的有益效果为：

(1)在本发明的预测控制方法中，只选择有效矢量，根据伏秒平衡原理选择作用效果最接近的矢量作为最优有效矢量，是通过矢量区域来选择；

(2)本发明的预测控制方法计算出最优有效矢量的最佳作用时间，逆变器一个开关周期内的剩余时间用零矢量代替，这样既能保证电流控制准确，又能保证开关状态变化规律，而且每次仅有一个桥臂动作；

(3)本发明的预测控制方法能够改善电流跟踪效果，减小畸变率，使开关变化规律性更强。

附图说明

图1为并网逆变器常用拓扑图；

图2为近似等效法方法和拉格朗日二次插值定理效果对比图；

图3为八种电压矢量图；

图4为采用价值函数实现电流跟踪原理图；

图5为传统有限集模型预测控制缺点描述图；

图6为区域和有效矢量选择对应图；

图7为最佳作用时间计算图；

图8(a)为区域Ⅰ开关状态图；

图8(b)为区域Ⅱ开关状态图；

图9(a)为传统方式电流跟踪效果图；

图9(b)为本发明的预测控制方法的电流跟踪效果图；

图10(a)为传统方式下旋转坐标系电流跟踪图；

图10(b)为本发明的预测控制方法的旋转坐标系电流跟踪图；

图11(a)为传统方式下开关状态选择切换图；

图11(b)为本发明的预测控制方法有效矢量选择切换图；

图12(a)为传统方式下电流波形FFT分析；

图12(b)为本发明的预测控制方法的电流波形FFT分析。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示的电路是两电平三相并网逆变器典型电路，逆变器的输出电压经过滤波电感L和电阻R与电网相连进行并网。两电平三相并网逆变器在三相静止坐标系下的模型数学模型如下：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_a\\ {\stackrel{\·}{i}}_b\\ {\stackrel{\·}{i}}_c\end{array}\right]=-\frac{R}{L}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{u}_{aN}-e_a+u_{Nn}\\ u_{bN}-e_b+u_{Nn}\\ u_{cN}-e_c+u_{Nn}\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，e_a、e_b、e_c分别是abc三相电网的电压，u_aN、u_bN、u_cN分别是两电平三相并网逆变器A、B、C相的输出电压，i_a、i_b、i_c是并网电流，u_Nn是直流电压负端和电网公共端之间的电压，方向如图1所示；L是滤波电感；R为与滤波电感串联的电阻。

利用坐标变换将三相静止坐标系下的模型方程转换到两相静止坐标系下，e_α、e_β是电网电压e_a、e_b、e_c经变换后的结果，i_α、i_β是电流i_a、i_b、i_c经坐标变换后的结果，u_α、u_β是逆变器输出电压u_aN、u_bN、u_cN经坐标变换后的结果，u_Nn经坐标变换后不存在对应α轴或者β轴的分量，变换公式和变换结果如下：

$C_{3s/2s}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]---\left(2\right)$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\α}}\\ {\stackrel{\·}{i}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=-\frac{R}{L}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}-e_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}-e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，由电网电压e_a、e_b、e_c变换为e_α、e_β的系数，由电流i_a、i_b、i_c变换为i_α、i_β的系数，以及由逆变器输出电压u_aN、u_bN、u_cN变换为u_α、u_β的系数均为C_3s/2s。

得到逆变器系统在αβ坐标轴下的模型之后，将式(3)进行离散化，离散化方法主要有前向差分法、后向差分法和双线性差分法，综合考虑系统模型计算的精度和计算量的大小之后，采用后向差分的方法进行离散化，后向差分公式如下：

$\stackrel{\·}{i}=\frac{i\left(k\right)-i(k-1)}{T_s}---\left(4\right)$

式中T_s为采样周期，将式(4)代入到式(3)中，可得：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]=\frac{L}{{\mathrm{RT}}_s+L}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k-1)\\ i_{\mathrm{\β}}(k-1)\end{array}\right]+\frac{T_s}{{\mathrm{RT}}_s+L}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]---\left(5\right)$

通过等价变换，可将上式化为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\frac{L}{{\mathrm{RT}}_s+L}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+\frac{T_s}{{\mathrm{RT}}_s+L}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}(k+1)-e_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ u_{\mathrm{\β}}(k+1)-e_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]---\left(6\right)$

由式(6)可以看出，想要进行模型的预测，需要知道下一个采样周期内给定电流和电网电压的值，当采样频率足够大时，可以把k时刻的采样值作为k+1时刻的值进行计算，但通常情况下这样难免会产生误差，故本发明使用拉格朗日二次插值方法来估算k+1时刻的相关值，公式如下：

${\hat{i}}^{*}(k+1)=3i^{*}\left(k\right)-3i^{*}(k-1)+i^{*}(k-2)---\left(7\right)$

$\hat{e}(k+1)=3e\left(k\right)-3e(k-1)+e(k-2)---\left(8\right)$

式(7)中为在k+1时刻给定电流预测值，*代表给定值，∧代表估计值， 分别是k时刻的给定电流定值、k-1时刻的给定电流定值、k-2时刻的给定电流定值；

式(8)中为在k+1时刻电网电压预测值，e(k)、e(k-1)、e(k-2)分别是k时刻的电网电压值、k-1时刻的电网电压值、k-2时刻的电网电压值；

以幅值150V、频率50Hz的电压为例，观察以k时刻的值作为k+1时刻的值的方法和插值方法的不同，采样频率为10k，结果如图2所示，正弦曲线代表以k时刻采样值作为k+1时刻值方法的误差，趋近于直线的线条代表采用采用插值方法产生的误差，可见前者的误差最高可达5V，但后者的误差几乎为零，因此采用插值法进行计算要精确的多。

式(6)中还有一个未知量是逆变器的输出电压u_α和u_β，为了获得u_α和u_β的表达式，对逆变器输出状态进行分析，主电路模型如图1：

定义S_k＝1代表上桥臂导通，该桥臂的输出电压为U_dc，S_k＝0代表下桥臂导通，该桥臂的输出电压为-U_dc，其中k取值1、2、3分别代表a、b、c三个桥臂，由于上下桥臂直通会造成直流电压短路，因此实际的开关状态只有2³＝8中组合，S₁S₂S₃分别等于：000、001、010、011、100、101、110、111，一般情况下，可以借助电压空间矢量的方法来求解u_α和u_β，电压空间矢量的定义为：

$\stackrel{\→}{u}=\frac{2}{3}(u_{aN}+a\×u_{bN}+a^2\×u_{cN})---\left(9\right)$

其中有了电压矢量的定义，就可以在复平面中画出每一个开关状态所对应的电压空间矢量，八种不同的开关状态对应的矢量图，如图3所示。

图3中，八个电压矢量分别用表示，它们与开关状态的关系也如图3所示，其中为零矢量。由公式(9)可以求得除零矢量外的其他六个矢量的幅值均为且互差60°，据此可以求得每个开关状态对应的输出电压的α轴分量和β轴分量。定义变量S为不同电压矢量的索引号，则S、电压矢量、开关状态、α轴分量以及β轴分量的对应关系如表1所示。

表1开关状态、空间电压矢量与αβ轴分量对应表

从表1中可看出，如果把产生零矢量的开关状态000和111看作一种情况，下一时刻能够产生的电压输出只有7种可能性，因此，通过模型预测，选出下一时刻最佳的开关状态，是模型预测控制的核心思想。

在传统预测控制方式下，将式(6)做如下改动：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\frac{L}{{\mathrm{RT}}_s+L}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+\frac{T_s}{{\mathrm{RT}}_s+L}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}(k+1)-{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ u_{\mathrm{\β}}(k+1)-{\hat{e}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]---\left(10\right)$

在上式中，*代表给定值，∧代表估计值，i_α(k)、i_β(k)为k时刻电流的采样值， 是k+1时刻电网电压的估计值，u_α(k+1)、u_β(k+1)位下一时刻可能的逆变器输出电压，为利用上述已知条件求得的可能的k+1时刻的电流预测值，由之前的分析可知，可能的电流值仅有7组，因此，定义如下价值函数g：

$g=|{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)-{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}(k+1)|+|{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)-{\hat{i}}_{\mathrm{\β}}(k+1)|---\left(11\right)$

上式中，是给定电流在k+1时刻的预测值。在每一个采样周期内，计算出所有开关状态对应的价值函数g，选取使g到达最小的开关状态，如图4所示，因此能够使系统不断跟踪给定。

如上所述，传统的有限集模型预测控制方法存在控制精度不高和开关选择不规律的缺点，因此需要加以改进，在本发明的预测控制方法中，式(6)被改写成如下形式：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{u}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{u}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{RT}}_s+L}{T_s}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)\end{array}\right]-\frac{L}{T_s}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]---\left(12\right)$

上式中各量的含义在之前的叙述中已经介绍过，这个式子的含义是通过电网电压和给定电流在k+1时刻的估计值以及k时刻的电流采样值，通过逆变器模型计算出逆变器输出电压的估计值。

如图5所示，若此时电压矢量位置在第一扇区，传统的预测控制方法只能选择出并将其整周期投入使用，根据伏秒平衡原理，可以看出，的整周期作用会造成矢量的跟踪效果达不到最佳，由几何原理知，电压矢量作用的最佳时间为T_eff，本发明的预测控制方法则基于这一基本原理。

在本发明的预测控制方法中，矢量的选择不再包括零矢量，而只选择有效矢量，根据伏秒平衡原理选择作用效果最接近的矢量，不再通过价值函数来选择，而是通过矢量区域来选择，如图6所示。

在图6中，β轴及与其共交点的两条直线将平面平均分为六个区域，当电压矢量进入某一区域时，则选用相应的电压矢量作为最优有效电压矢量。如：当电压矢量进入第二区域时，由于矢量作用端点距矢量所在方向的射线最短，一次选用作为下一周期投入使用的矢量。矢量作用在其他区域时也以此规律选择。

与传统有限集模型预测控制的另一处不同是，本发明的预测控制方法并不将选出的最优有效电压矢量作用于整个开关周期，而是计算出最优有效电压矢量的最佳作用时间，周期内剩余时间用零矢量代替，这样既能保证电流控制准确，又能保证开关状态变化规律，每次仅有一个桥臂动作。

如图7所示，假设需要的矢量落在第二区域，则选择作为作用矢量，为计算出有效时间T_eff，由作用端点向做垂线，由几何知识可得：其余扇区依次类推，如表2所示。而6个有效矢量的模值均为直流电压的2/3，因此求得最佳有效作用时间T_eff。

表2六个区域对应所选矢量及矢量作用的模值计算表

表2中还列出了不同区域中所选择的零矢量的种类，即在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ区域中选择000，而在Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ区域中选择111，这样可以确保均匀的开关变化和较低的开关频率。

由以上介绍可以看出，本发明的预测控制方法相对于传统的有限集模型预测控制算法来说，能够改善电流跟踪效果，减小畸变率，使开关变化变得规律，每次仅有一个桥臂动作，同时又不会增加算法的复杂性。

下面通过仿真结果加以证明。

分别对有限集模型预测方法和本发明的预测方法做了仿真，仿真条件如下：

(1)电网电压幅150V；

(2)直流侧电压400V；

(3)并网电流峰值10A；

(4)滤波电感20mH；

(5)单相电阻0.1Ω；

(6)采样频率10KHz。

电流跟踪结果如图9(a)和图9(b)所示，可以看出，采用传统的预测控制算法由于没有将最优时间作为一个自由度，电流跟踪的精度略低，滞环带较大，而采用本发明的预测控制方法后，跟踪精度明显提高，由有效矢量作用时间过长导致的电流过调节的情况得到了很好的改善。

图10(a)和图10(b)是在两相旋转坐标系下的d轴电流波形(为了保证单位功率因数，q轴电流给定为0)，可以看出，采用改进算法后电流跟踪误差明显减少。

分别对两个波形进行FFT分析，如图11(a)和图11(b)所示，可以看出，两种控制方案均能保证基波分量的跟踪，但是采用本发明的预测控制方法后，电流畸变率几乎降为原来的一半，因此从控制精度的角度出发，本发明提出的算法要优于有限集模型预测控制算法。

本发明的预测控制方法的另一个优点是开关变化变得有规律可循，每次变化仅有一个桥臂动作，图12(a)展示了没有额外附加优化算法之前的预测控制开关状态选择波形，图12(b)展示了改进算法有效矢量选择波形，可以看出，传统算法经常出现多个桥臂同时动作的情况，若要改变这种状况，需要增加额外的算法；而本发明的预测控制方法则在仅一个桥臂动作的有效矢量之前切换，而且由于零矢量的自动选择，整体的调制效果为单桥臂动作，从而使得开关状况均匀化，每个开关管承受的开关损耗基本相同。

具体的仿真过程为：

(1)逆变器建模与变换：针对图1所示的逆变器拓扑，建立数学模型式(1)，为了消除共模电压的影响将其进行坐标变换，变换结果如式(3)所示。

(2)逆变器模型的离散化：为了便于进行数字化处理，必须将式(3)进行离散化，离散方法采用后向差分，离散结果如式(6)所示，由此带来需要估计下一时刻相关值的问题，解决方法是采用拉格朗日二次插值公式估计，以达到较小的估计误差。由于改进算法并不需要设计和计算价值函数，而是得到最优矢量，故将式(6)整理成式(12)。

(3)区域判断及有效时间计算：通过式(12)计算出需要的矢量后，根据表3判断扇区并根据表2计算最佳作用时间T_eff。

表3区域判断算法

(4)计算开关时间T_ga、T_gb、T_gc，其中，T_ga、T_gb、T_gc分别是A、B、C三相桥臂上桥臂的开关管的开通时刻。根据表4计算不同区域下的开关时间T_ga、T_gb、T_gc和载波进行比较，如图8(a)中区域I的开关状态图和图8(b)中区域II的开关状态图，可以看出有两个不同区域和载波比较的方式，为了统一算法，便于编程，在表4中并没有加入这种不同，因此在区域Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ中，需要将比较结果取反后输出。

表4不同区域时开关时间的计算

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：实时采集三相电网的电压以及并网电流信号；

步骤(2)：采用实时采集三相电网的电压以及并网电流信号和三相静止坐标下的两电平三相并网逆变器模型进行两相静止αβ坐标变换，求取两电平三相并网逆变器需要的输出电压矢量；

步骤(3)：根据步骤(2)求取的两电平三相并网逆变器需要的输出电压矢量，选择两电平三相并网逆变器的最优有效电压矢量，并求取最优有效电压矢量的最佳作用时间；

步骤(4)：利用有效电压矢量的最佳作用时间进行求取的逆变器开关元件的开通和关断时间，进而实现对两电平三相并网逆变器输出电流的控制。

2.如权利要求1所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中两电平三相并网逆变器模型在三相静止坐标下的数学表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{i}}_a\\ {\stackrel{\·}{i}}_b\\ {\stackrel{\·}{i}}_c\end{array}\right]=-\frac{R}{L}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{u}_{aN}-e_a+u_{Nn}\\ u_{bN}-e_b+u_{Nn}\\ u_{cN}-e_c+u_{Nn}\end{array}\right]$

其中，e_a、e_b、e_c分别是abc三相电网的电压，u_aN、u_bN、u_cN是两电平三相并网逆变器输出电压，i_a、i_b、i_c是并网电流，u_Nn是直流电压负端和电网公共端之间的电压；L是滤波电感；R为与滤波电感串联的电阻。

3.如权利要求1所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中求取两电平三相并网逆变器输出电压矢量的过程，包括：

步骤(2.1)：将实时采集三相电网的电压以及并网电流信号进行变换，得到两相静止αβ坐标系下的三相电网的电压以及并网电流信号；

步骤(2.2)：根据步骤(2.1)中获取的两相静止αβ坐标系下的三相电网的电压以及并网电流信号，将三相静止坐标下的两电平三相并网逆变器模型转化为两相静止αβ坐标系下的两电平三相并网逆变器模型，进而获取两电平三相并网逆变器输出电压矢量。

4.如权利要求3所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤(2.2)中两相静止αβ坐标系下的两电平三相并网逆变器模型的数学表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{\hat{u}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{u}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]=\frac{{\mathrm{RT}}_s+L}{T_s}\left[\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)\\ {\hat{i}}_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)\end{array}\right]-\frac{L}{T_s}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\hat{e}}_{\mathrm{\α}}(k+1)\\ {\hat{e}}_{\mathrm{\β}}(k+1)\end{array}\right]$

上式中，*代表给定值，∧代表估计值，i_α(k)、i_β(k)为k时刻两电平三相并网电流的采样值，是k+1时刻两电平三相并网电压的估计值，为下一时刻可能的逆变器输出电压，是给定两电平三相并网电流在k+1时刻的预测值。

5.如权利要求1所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中选择最优有效电压矢量的过程为：

步骤(3.1)：利用β轴及其与共交点的两条直线，将复平面平均分成六个区域；

以α轴正半轴所在的区域为第一区域，然后逆时针方向依次设为第二区域、第三区域、第四区域、第五区域和第六区域；

步骤(3.2)：判断求取的两电平三相并网逆变器输出电压矢量所在区域，若两电平三相并网逆变器输出电压矢量在第i区域，则最优有效电压矢量选择其中，i＝1,2,3,4,5,6。

6.如权利要求5所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述最优有效电压矢量选择的表达式为：

${\stackrel{\→}{u}}_i=\frac{2}{3}(u_{aN}+a\×u_{bN}+a^2\×u_{cN})$

其中u_aN、u_bN、u_cN分别是两电平三相并网逆变器A、B、C相的输出电压。

7.如权利要求5所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中求取最优有效电压矢量的最佳作用时间的过程为：

当两电平三相并网逆变器输出电压矢量落在第i区域时，选择作为最优有效电压矢量，由两电平三相并网逆变器输出电压矢量的作用端点向做垂线，构建出一个直角三角形，根据三角关系求解最优有效电压矢量的最佳作用时间。

8.如权利要求5所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，两电平三相并网逆变器中开关元件的一个开关周期，包括最优有效电压矢量的最佳作用时间和零电压矢量作用时间。

9.如权利要求8所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，所述零电压矢量为两电平三相并网逆变器的三个上桥臂处于均导通或三个下桥臂处于均导通时的两电平三相并网逆变器输出电压矢量。

10.如权利要求9所述的一种用于两电平三相并网逆变器的电流预测控制方法，其特征在于，当两电平三相并网逆变器输出电压矢量落在第m区域时，选择零电压矢量作用于一个开关周期内有效电压矢量的最佳作用时间的剩余时间，其中，m＝1,3,5；

当两电平三相并网逆变器输出电压矢量落在第n区域时，选择零电压矢量作用于一个开关周期内有效电压矢量的最佳作用时间的剩余时间，其中，n＝2,4,6；

为两电平三相并网逆变器的三个上桥臂处于均导通状态的零电压矢量，为两电平三相并网逆变器的三个下桥臂处于均导通状态的零电压矢量为。