CN106059361B - 一种逆变器定频模型预测控制方法及装置 - Google Patents

一种逆变器定频模型预测控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供了一种逆变器定频模型预测控制方法及装置，逆变器定频模型预测控制方法包括：利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；根据T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间；确定T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序；按照T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。在本申请中，通过以上方式可以实现逆变器输出电压谐波和输出电流谐波集中在开关频率的整数倍和控制灵活的兼得。

Description

一种逆变器定频模型预测控制方法及装置
技术领域
本申请涉及逆变器控制领域，特别涉及一种逆变器定频模型预测控制方法及装置。
背景技术
随着电力电子技术和微电子技术的发展，很多种多电平电力电子结构被提出，如T型三电平三相并网逆变器。其中，T型三电平三相并网逆变器因其结构简单及效率较高而被广泛应用在分布式发电系统中。
目前，对T型三电平三相并网逆变器进行控制的方法主要有模型预测控制方法和PWM(脉冲宽度调制，Pulse Width Modulation)控制方法。其中，模型预测控制方法用一个目标函数对每一种行为(电力电子开关组合)预测结果进行评估，选择能满足目标函数最小的开关组合来实现对电力电子变换器的控制。模型预测控制可以在目标函数增加不同目标项，实现多目标控制，具有控制灵活特点，但是模型预测控制最大的不足在于逆变器输出电压谐波和输出电流谐波比较分散，不集中在开关频率的整数倍。而PWM控制最大的优点是逆变器输出电压谐波和输出电流谐波集中在开关频率的整数倍，但是控制不灵活。
可见，采用现有技术中的方法，对T型三电平三相并网逆变器进行控制，逆变器输出电压谐波和输出电流谐波集中在开关频率的整数倍和控制灵活不可兼得。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种逆变器定频模型预测控制方法及装置，以达到实现逆变器输出电压谐波和输出电流谐波集中在开关频率的整数倍和控制灵活的兼得的目的，技术方案如下：
一种逆变器定频模型预测控制方法，包括：
利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；
根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间；
确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序；
按照所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
优选的，所述利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值的过程，包括：
利用模型预测控制目标函数公式计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；
其中，g(k)为某一个输出电压矢量在k时刻的目标函数值，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的α分量，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的β分量，所述k+1时刻的给定电流为已知值，iα(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数，Vp(k+1)为k+1时刻的直流母线正母线电压，Vn(k+1)为k+1时刻的直流母线负母线电压，iα(k+1)和iβ(k+1)通过公式 计算得到，其中，
Sa1为开关管Sa1在k时刻的状态值，Sa2为开关管Sa2在k时刻的状态值，Sb1为开关管Sb1在k时刻的状态值，Sb2为开关管Sb2在k时刻的状态值，Sc1为开关管Sc1在k时刻的状态值，Sc2为开关管Sc2在k时刻的状态值，Vp(k)为k时刻的直流母线正母线电压，Vn(k)为k时刻的直流母线负母线电压，ia(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第一相输出电流，ib(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第二相输出电流，ic(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第三相输出电流，ea(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第一相电压，eb(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第二相电压，ec(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第三相电压，Ts为预设开关周期，L为所述T型三电平三相并网逆变器中的滤波电感，R为所述T型三电平三相并网逆变器与所述T型三电平三相并网逆变器所连接的电网之间的总等效电阻，Sa11、Sa12、Sb21、Sb22、Sc31和Sc32的值通过公式计算得到。
优选的，在利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值之前，还包括：
利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的α分量，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的β分量，iα(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，eα(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的α分量，eβ(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的β分量；
根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量；
将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量。
优选的，所述根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间的过程，包括：
利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间，gA为电压矢量VA的目标函数值，gB为电压矢量VB的目标函数值，gC为电压矢量VC的目标函数值，gD为电压矢量VD的目标函数值，Ts为预设开关周期，tap为电压矢量VA在一个预设开关周期内的作用时间，tan为电压矢量VB在一个预设开关周期内的作用时间，tc为电压矢量VC在一个预设开关周期内的作用时间，tb为电压矢量VD在一个预设开关周期内的作用时间，电压矢量VA、电压矢量VB、电压矢量VC和电压矢量VD为所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量，gA、gB、gC和gD根据模型预测控制目标函数公式计算得到。
一种逆变器定频模型预测控制装置，包括：
第一计算单元，用于利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；
第二计算单元，用于根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间；
第一确定单元，用于确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序；
控制单元，用于按照所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
优选的，所述第一计算单元包括：
第一计算子单元，用于利用模型预测控制目标函数公式计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；
其中，g(k)为某一个输出电压矢量在k时刻的目标函数值，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的α分量，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的β分量，所述k+1时刻的给定电流为已知值，iα(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数，Vp(k+1)为k+1时刻的直流母线正母线电压，Vn(k+1)为k+1时刻的直流母线负母线电压，iα(k+1)和iβ(k+1)通过公式 计算得到，其中，
Sa1为开关管Sa1在k时刻的状态值，Sa2为开关管Sa2在k时刻的状态值，Sb1为开关管Sb1在k时刻的状态值，Sb2为开关管Sb2在k时刻的状态值，Sc1为开关管Sc1在k时刻的状态值，Sc2为开关管Sc2在k时刻的状态值，Vp(k)为k时刻的直流母线正母线电压，Vn(k)为k时刻的直流母线负母线电压，ia(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第一相输出电流，ib(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第二相输出电流，ic(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第三相输出电流，ea(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第一相电压，eb(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第二相电压，ec(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第三相电压，Ts为预设开关周期，L为所述T型三电平三相并网逆变器中的滤波电感，R为所述T型三电平三相并网逆变器与所述T型三电平三相并网逆变器所连接的电网之间的总等效电阻，Sa11、Sa12、Sb21、Sb22、Sc31和Sc32的值通过公式计算得到。
优选的，还包括：
第三计算单元，用于利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的α分量，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的β分量，iα(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，eα(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的α分量，eβ(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的β分量；
第二确定单元，用于根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量；
第三确定单元，用于将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量。
优选的，所述第二计算单元包括：
第二计算子单元，用于利用公式 计算所述T型三电平三相并网逆 变器的各个预设输出电压矢量的作用时间，gA为电压矢量VA的目标函数值，gB为电压矢量VB的目标函数值，gC为电压矢量VC的目标函数值，gD为电压矢量VD的目标函数值，Ts为预设开关周期，tap为电压矢量VA在一个预设开关周期内的作用时间，tan为电压矢量VB在一个预设开关周期内的作用时间，tc为电压矢量VC在一个预设开关周期内的作用时间，tb为电压矢量VD在一个预设开关周期内的作用时间，电压矢量VA、电压矢量VB、电压矢量VC和电压矢量VD为所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量，gA、gB、gC和gD根据模型预测控制目标函数公式计算得到。
与现有技术相比，本申请的有益效果为：
在本申请中，通过计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个输出电压矢量的作用时间、以及计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个输出电压矢量的作用顺序，并按照T型三电平三相并网逆变器的各个输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制，可以使T型三电平三相并网逆变器的输出电压谐波和输出电流谐波集中在开关频率的整数倍。
并且，由于T型三电平三相并网逆变器的各个输出电压矢量的作用时间是利用模型预测控制算法计算出的T型三电平三相并网逆变器的各个输出电压矢量的目标函数值得到的，目标函数值可以实现多目标控制，因此按照T型三电平三相并网逆变器的各个输出电压矢量的作用时间和作用顺序，可以对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行多目标的开关控制，达到了控制灵活的目的。
可见，采用本申请提供的方法对T型三电平三相并网逆变器进行控制，可以实现逆变器输出电压谐波和输出电流谐波集中在开关频率的整数倍和控制灵活的兼得。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述 中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请提供的逆变器定频模型预测控制方法的一种流程图；
图2是本申请提供的T型三电平三相并网逆变器的一种结构示意图；
图3是本申请提供的T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系的示意图；
图4是本申请提供的逆变器定频模型预测控制方法的另一种流程图；
图5是本申请提供的T型三电平三相并网逆变器的输出电压矢量的作用顺序的一种示意图；
图6是本申请提供的T型三电平三相并网逆变器的输出电压矢量的作用顺序的另一种示意图；
图7是本申请提供的T型三电平三相并网逆变器的输出电压矢量的作用顺序的再一种示意图；
图8是本申请提供的T型三电平三相并网逆变器的输出电压矢量的作用顺序的再一种示意图；
图9是本申请提供的逆变器定频模型预测控制装置的一种逻辑结构示意图；
图10是本申请提供的逆变器定频模型预测控制装置的另一种逻辑结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
请参见图1，其示出了本申请提供的逆变器定频模型预测控制方法的一种流程图，可以包括以下步骤：
步骤S11：利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值。
在本实施例中，T型三电平三相并网逆变器的具体结构请参见图2。如图2所示，T型三电平三相并网逆变器的任何一相桥臂中，根据不同的开关组合，可以得到以下三种输出状态：“P”状态、“O”状态和“N”状态。以a相桥臂为例：(1)“P”状态：此时开关管Sa1与Sa2同时导通，Sa3与Sa4同时关断，输出端a相对于N点的电位uaN＝Vp+Vn；(2)“O”状态：此时开关管Sa2与Sa3同时导通，开关管Sa1与Sa4同时关断，输出端a相对于N点电位uaN＝Vn；(3)“N”状态：此时开关管Sa3与Sa4同时导通，开关管Sa1与Sa2同时关断，输出端a相对于N点电位uaN＝0。其b、c相桥臂输出与a相桥臂类似。根据T型三电平三相并网逆变器输出的开关组合，T型三电平三相并网逆变器总共产生33＝27个电压矢量，其电压矢量的大小和空间位置如图3所示。其中，可以将T型三电平三相并网逆变器总共产生的27个电压矢量全部作为预设输出电压矢量，即在本实施例中，有27个预设输出电压矢量，27个预设输出电压矢量分别为T型三电平三相并网逆变器根据T型三电平三相并网逆变器输出的开关组合输出的27个电压矢量。
步骤S12：根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间。
步骤S13：确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序。
在本实施例中，根据逆变器开关切换原则确定T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序。
步骤S14：按照所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
在本实施例中，利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值的过程，具体可以为：
利用模型预测控制目标函数公式计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值。
其中，g(k)为某一个输出电压矢量在k时刻的目标函数值，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的α分量，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的β分量，所述k+1时刻的给定电流为已知值，iα(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数，Vp(k+1)为k+1时刻的直流母线正母线电压，Vn(k+1)为k+1时刻的直流母线负母线电压，iα(k+1)和iβ(k+1)通过公式计算得到，其中，
Sa1为开关管Sa1在k时刻的状态值，Sa2为开关管Sa2在k时刻的状态值，Sb1为开关管Sb1在k时刻的状态值，Sb2为开关管Sb2在k时刻的状态值，Sc1为开关管Sc1在k时刻的状态值，Sc2为开关管Sc2在k时刻的状态值，Vp(k)为k时刻的直流母线正母线电压， Vn(k)为k时刻的直流母线负母线电压，ia(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第一相输出电流，ib(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第二相输出电流，ic(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第三相输出电流，ea(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第一相电压，eb(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第二相电压，ec(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第三相电压，Ts为预设开关周期，L为所述T型三电平三相并网逆变器中的滤波电感，R为所述T型三电平三相并网逆变器与所述T型三电平三相并网逆变器所连接的电网之间的总等效电阻，Sa11、Sa12、Sb21、Sb22、Sc31和Sc32的值通过公式计算得到。
实施例二
在本实施例中，在图1示出的逆变器定频模型预测控制方法的基础上扩展出另外一种逆变器定频模型预测控制方法，请参见图4，可以包括以下步骤：
步骤S41：利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压。
其中，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的α分量，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的β分量，iα(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，eα(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的α分量，eβ(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的β分量。
步骤S42：根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电 压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量。
现举例对根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量进行说明，请参见图3，若T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置为第Ⅰ大扇区的第4小扇区，则T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量分别为g3、g4、g15和g16。
步骤S43：将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量。
在本实施例中，将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量，相比于将T型三电平三相并网逆变器根据T型三电平三相并网逆变器输出的开关组合输出的27个电压矢量分别作为预设输出电压矢量，缩减了预设输出电压矢量的个数。
步骤S44：利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值。
在本实施例中，各个预设输出电压矢量即T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的各个相邻电压矢量。
利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的各个相邻电压矢量的目标函数值的过程，请参见实施例一中利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值的过程，在此不再赘述。
步骤S45：根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间。
步骤S46：确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢 量的作用顺序。
步骤S47：按照T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
在本实施例中，仅计算T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量的目标函数值，及T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量的作用时间，及T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量的作用顺序，减少了计算量，提高了计算效率，从而提高了对T型三电平三相并网逆变器进行控制的效率。
在上述本发明公开的实施例的基础上，本发明具体给出如下示例进行详细说明。具体如下：
由图2可得T型三电平三相并网逆变器输出相电压相对于N点电压uaN、ubN、ucN和直流母线电压、开关函数的关系为：
对于三相平衡系统，直流母线负极N点和电网电压中性点n点之间的电压为：
T型三电平三相并网逆变器输出相电压相对于电网电压中性点n点相电压uan、ubn、ucn可表示为:
联合式(1),式(2),式(3)可得:
定义矩阵:
根据图1的参考方向，T型三电平三相并网逆变器输出电流在三相静止abc坐标系下的动态电流方程为：
联合式(4),式(5),式(6)可得:
T型三电平三相并网逆变器中性点电流为:
io＝(Sa2-Sa1)ia+(Sb2-Sb1)ib+(Sc2-Sc1)ib＝ic2-ic1
(8)
假定逆变器的直流母线电压恒定,则
联合式(8)和式(9)可得:
联合式(7)、式(9)和式(10)可得：
其中：
假定采样周期Ts为比较小，通过欧拉公式，将式(11)离散化可得：
(k+1)时刻预测相电流可以通过三相静止abc坐标系转化为二相静止αβ坐标系，其表示为：
其中iα(k+1)、iβ(k+1)分别为(k+1)时刻预测的相电流α和β分量。
由式(14)可知：(k+1)时刻正母线预测电压和负母线预测电压可由逆变器的开关函数、逆变器输出电流得到，无需测量逆变器正母线电容电流和负母线电容电流。
为实现T型三电平三相逆变器对给定电流精确跟踪以及中性点电压平衡，模型预测控制目标函数的选择为：
其中λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数。
而在(k+1)时刻T型三电平三相并网逆变器参与电流可由(k)时刻、(k-1)时刻和(k-2)时刻参考电流通过线性插值定理可得：
将逆变器输出电流在三相静止abc坐标系下的动态电流方程转化到二相静止αβ坐标系可表示为：
其中uαn、uβn分别为逆变器输出电压在αβ坐标系的α分量和β分量；eα和eβ分别为电网电压在αβ坐标系的α分量和β分量。
假定采样周期Ts为比较小，通过欧拉公式，将式(18)离散化可得：
则在(k+1)时刻T型三电平三相并网逆变器预测电流为：
假定在(k+1)时刻T型三电平三相并网逆变器电流达到给定电流，实现无差拍控制跟踪，即
为了在下一个采样周期实现对给定电流实现无差拍控制，T型三电平三相并网逆变器输出参考电压为：
为使逆变器输出电压、电流频谱集中开关频率的整数倍，发明一种定频开关频率模型预测控制算法。根据逆变器参考电压的位置，参与预测模型和目标函数在线计算的电压矢量为参考电压矢量的相邻电压矢量，这样大大减少预测模型和目标函数的计算量，提高了计算效率。假定逆变器参考电压 位于第Ⅰ大扇区的第4小扇区，通过目标函数式(16)，电压矢量V3的目标函数为g3，电压矢量V4的目标函数为g4，电压矢量V15的目标函数为g15，电压矢量V16的目标函数为g16。在一个开关周期Ts，电压矢量的作用时间与目标函数的大小成反比。在一个开关周期Ts内，电压矢量V3的作用时间为tap，电压矢量V4的作用时间为tan，电压矢量V16的作用时间为tb，电压矢量V15的作用时间为tc，则各电压矢量的作用时间分别为：
为了减少三相电压型逆变器输出电压、电流谐波，各电压矢量作用时间对称分配；同时，每次切换开关状态时，只切换一个功率开关器件，以满足 最小开关损耗。当参考电压矢量在第Ⅰ大扇区第4小扇区(图3所示)时，其各电压矢量的作用顺序为：ONN-PNN-PON-POO-PON-PNN-ONN，作用时间如图5所示。
假定逆变器参考电压位于第Ⅰ大扇区的第1小扇区，在一个开关周期Ts内，电压矢量V3的作用时间为tap，电压矢量V4的作用时间为tan，电压矢量V5的作用时间为tcp，电压矢量V6的作用时间为tcn，电压矢量V0的作用时间为tb，则各电压矢量的作用时间分别为：
根据逆变器开关切换原则，其各电压矢量的作用顺序为：ONN-OON-OOO-POO-PPO-POO OOO-OON-ONN，作用时间如图6所示。
当逆变器参考电压位于第Ⅰ大扇区的第2小扇区，在一个开关周期Ts内，电压矢量V3的作用时间为tap，电压矢量V4的作用时间为tan，电压矢量V5的作用时间为tcp，电压矢量V6的作用时间为tcn，电压矢量V16的作用时间为tb，则各电压矢量的作用时间分别为：
其各电压矢量的作用顺序为：ONN-OON-PON-POO-PPO-POO OOO-OON-ONN，作用时间如图7所示。
当逆变器参考电压矢量位于第Ⅰ大扇区的第3小扇区，在一个开关周期Ts内，电压矢量V5的作用时间为tcp，电压矢量V6的作用时间为tcn，电压矢量V16的作用时间为tb，电压矢量V17的作用时间为ta， 则各电压矢量的作用时间分别为：
其各电压矢量的作用顺序为：OON-PON-PPN-PPO-PPN-PON-OON，作用时间如图8所示。
实施例三
与上述方法实施例相对应，本实施例提供了一种逆变器定频模型预测控制装置，请参见图9，逆变器定频模型预测控制装置包括：第一计算单元91、第二计算单元92、第一确定单元93和控制单元94。
第一计算单元，用于利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值。
在本实施例中，第一计算单元具体可以包括：第一计算子单元，用于利用模型预测控制目标函数公式 计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值。
其中，g(k)为某一个输出电压矢量在k时刻的目标函数值，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的α分量，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的β分量，所述k+1时刻的给定电流为已知值，iα(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数，Vp(k+1)为k+1时刻的直流母线正母线电压，Vn(k+1)为k+1时刻的直流母线负母线电压，iα(k+1)和iβ(k+1)通过公式 计算得到，其中，
Sa1为开关管Sa1在k时刻的状态值，Sa2为开关管Sa2在k时刻的状态值，Sb1为开关管Sb1在k时刻的状态值，Sb2为开关管Sb2在k时刻的状态值，Sc1为开关管Sc1在k时刻的状态值，Sc2为开关管Sc2在k时刻的状态值，Vp(k)为k时刻的直流母线正母线电压，Vn(k)为k时刻的直流母线负母线电压，ia(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第一相输出电流，ib(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第二相输出电流，ic(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第三相输出电流，ea(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第一相电压，eb(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第二相电压，ec(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第三相电压，Ts为预设开关周期，L为所述T型三电平三相并网逆变器中的滤波电感，R为所述T型三电平三相并网逆变器与所述T型三电平三相并网逆变器所连接的电网之间的总等效电阻，Sa11、Sa12、Sb21、Sb22、Sc31和Sc32的值通过公式计算得到。
第二计算单元，用于根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设 输出电压矢量的作用时间。
第一确定单元，用于确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序。
控制单元，用于按照T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
实施例四
在本实施例中，在图9示出的逆变器定频模型预测控制装置基础上扩展出另外一种逆变器定频模型预测控制装置，请参见图10，在图9示出的逆变器定频模型预测控制装置基础上还包括：第三计算单元95、第二确定单元96和第三确定单元97。
第三计算单元，用于利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压。
为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的α分量，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的β分量，iα(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，eα(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的α分量，eβ(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的β分量。
第二确定单元，用于根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量。
第三确定单元，用于将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量。
在本实施例中，第二计算单元具体包括：第二计算子单元。
其中，第二计算子单元，用于利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间，gA为电压矢量VA的目标函数值，gB为电压矢量VB的目标函数值，gC为电压矢量VC的目标函数值，gD为电压矢量VD的目标函数值，Ts为预设开关周期，tap为电压矢量VA在一个预设开关周期内的作用时间，tan为电压矢量VB在一个预设开关周期内的作用时间，tc为电压矢量VC在一个预设开关周期内的作用时间，tb为电压矢量VD在一个预设开关周期内的作用时间，电压矢量VA、电压矢量VB、电压矢量VC和电压矢量VD为所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量，gA、gB、gC和gD根据模型预测控制目标函数公式计算得到。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下， 由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本申请所提供的一种逆变器定频模型预测控制方法及装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (6)

1.一种逆变器定频模型预测控制方法，其特征在于，包括：
利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；所述利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值的过程，包括：
利用模型预测控制目标函数公式计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；
其中，g(k)为某一个输出电压矢量在k时刻的目标函数值，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的α分量，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的β分量，所述k+1时刻的给定电流为已知值，iα(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数，Vp(k+1)为k+1时刻的直流母线正母线电压，Vn(k+1)为k+1时刻的直流母线负母线电压，iα(k+1)和iβ(k+1)通过公式计算得到，其中， Sa1为开关管Sa1在k时刻的状态值，Sa2为开关管Sa2在k时刻的状态值，Sb1为开关管Sb1在k时刻的状态值，Sb2为开关管Sb2在k时刻的状态值，Sc1为开关管Sc1在k时刻的状态值，Sc2为开关管Sc2在k时刻的状态值，Vp(k)为k时刻的直流母线正母线电压，Vn(k)为k时刻的直流母线负母线电压，ia(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第一相输出电流，ib(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第二相输出电流，ic(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第三相输出电流，ea(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第一相电压，eb(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第二相电压，ec(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第三相电压，Ts为预设开关周期，L为所述T型三电平三相并网逆变器中的滤波电感，R为所述T型三电平三相并网逆变器与所述T型三电平三相并网逆变器所连接的电网之间的总等效电阻，C表示电容，状态值Sa11、Sa12、Sb21、Sb22、Sc31和Sc32的值通过公式计算得到；
根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间；
确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序；
按照所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值之前，还包括：
利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的α分量，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的β分量，iα(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，eα(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的α分量，eβ(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的β分量，Ts为预设开关周期；
根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量；
将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间的过程，包括：
利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间，gA为电压矢量VA的目标函数值，gB为电压矢量VB的目标函数值，gC为电压矢量VC的目标函数值，gD为电压矢量VD的目标函数值，Ts为预设开关周期，tap为电压矢量VA在一个预设开关周期内的作用时间，tan为电压矢量VB在一个预设开关周期内的作用时间，tc为电压矢量VC在一个预设开关周期内的作用时间，tb为电压矢量VD在一个预设开关周期内的作用时间，电压矢量VA、电压矢量VB、电压矢量VC和电压矢量VD为所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量，gA、gB、gC和gD根据模型预测控制目标函数公式计算得到。
4.一种逆变器定频模型预测控制装置，其特征在于，包括：
第一计算单元，用于利用模型预测控制算法计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；所述第一计算单元包括：
第一计算子单元，用于利用模型预测控制目标函数公式计算T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值；
其中，g(k)为某一个输出电压矢量在k时刻的目标函数值，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的α分量，为k+1时刻的给定电流在静止两相坐标系中的β分量，所述k+1时刻的给定电流为已知值，iα(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k+1)为k+1时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，λv为目标函数中性点电压平衡的权重系数，Vp(k+1)为k+1时刻的直流母线正母线电压，Vn(k+1)为k+1时刻的直流母线负母线电压，iα(k+1)和iβ(k+1)通过公式计算得到，其中， Sa1为开关管Sa1在k时刻的状态值，Sa2为开关管Sa2在k时刻的状态值，Sb1为开关管Sb1在k时刻的状态值，Sb2为开关管Sb2在k时刻的状态值，Sc1为开关管Sc1在k时刻的状态值，Sc2为开关管Sc2在k时刻的状态值，Vp(k)为k时刻的直流母线正母线电压，Vn(k)为k时刻的直流母线负母线电压，ia(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第一相输出电流，ib(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第二相输出电流，ic(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器的第三相输出电流，ea(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第一相电压，eb(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第二相电压，ec(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的第三相电压，Ts为预设开关周期，L为所述T型三电平三相并网逆变器中的滤波电感，R为所述T型三电平三相并网逆变器与所述T型三电平三相并网逆变器所连接的电网之间的总等效电阻，C表示电容，状态值Sa11、Sa12、Sb21、Sb22、Sc31和Sc32的值通过公式计算得到；
第二计算单元，用于根据所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的目标函数值，计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间；
第一确定单元，用于确定所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用顺序；
控制单元，用于按照所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间和作用顺序，对所述T型三电平三相并网逆变器的各个开关管进行开关控制。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，还包括：
第三计算单元，用于利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的α分量，为T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在静止两相坐标系中的β分量，iα(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的α分量，iβ(k)为k时刻的预测电流在静止两相坐标系中的β分量，eα(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的α分量，eβ(k)为k时刻的所述T型三电平三相并网逆变器所连接电网的相电压在静止两相坐标系中的β分量，Ts为预设开关周期；
第二确定单元，用于根据所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压在所述T型三电平三相并网逆变器的输出电压空间矢量坐标系中的位置，确定所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量；
第三确定单元，用于将所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量作为预设输出电压矢量。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元包括：
第二计算子单元，用于利用公式计算所述T型三电平三相并网逆变器的各个预设输出电压矢量的作用时间，gA为电压矢量VA的目标函数值，gB为电压矢量VB的目标函数值，gC为电压矢量VC的目标函数值，gD为电压矢量VD的目标函数值，Ts为预设开关周期，tap为电压矢量VA在一个预设开关周期内的作用时间，tan为电压矢量VB在一个预设开关周期内的作用时间，tc为电压矢量VC在一个预设开关周期内的作用时间，tb为电压矢量VD在一个预设开关周期内的作用时间，电压矢量VA、电压矢量VB、电压矢量VC和电压矢量VD为所述T型三电平三相并网逆变器在k时刻的输出参考电压的相邻电压矢量，gA、gB、gC和gD根据模型预测控制目标函数公式计算得到。
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