CN107104604A - 一种三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，包括以下步骤：第一步，三电平空间矢量调制方法采用三矢量合成，根据瞬时功率理论和直接功率预测控制方法确定目标函数；第二步，构造虚拟矢量并确定虚拟矢量所在的大扇区位置和计算虚拟矢量的值；第三步，确定虚拟矢量所在的小扇区位置；第四步，计算一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间；第五步，根据中点电压平衡确定开关序列。本发明的方法计算量小，并网逆变器有功功率和无功功率纹波小，具有较好的动静态性能，而且具有良好的谐波抑制效果。
Description
技术领域
本发明涉及三电平并网逆变器领域，特别涉及一种三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法。
背景技术
随着分布式电源、储能系统、电动汽车等领域的迅速发展，对电能质量和系统效率的要求也越来越高。三电平逆变器相比于传统的两电平逆变器具有谐波少、开关管电压应力小、耐压高、电磁干扰小等优点。T型逆变器相比于其他三电平中点钳位型逆变器，有两个主要的优点：当输出相电压为直流母线电压和零的时候，只有一个开关被导通，减少了开通损耗；流过每一个开关管的电流均值相等，每个开关管产生相同的热量。因此，近年来T型三电平逆变器受到企业和高校的广泛关注，前景十分广阔。
然而，传统的直接功率控制方法存在开关频率随采样时间、负载参数和系统状态变化而变化，产生分散谐波成分的问题，并且，预测算法计算量大，占用了大量的芯片资源。因此，研究一种高效及性能优越的并网逆变器功率控制方法至关重要。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述问题，提出一种三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，减小三电平并网逆变器功率控制的计算量，降低了并网逆变器有功功率和无功功率纹波。
为了实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：
一种三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，包含以下步骤：
S1、三电平空间矢量调制方法采用三矢量合成，根据瞬时功率理论和直接功率预测控制方法确定目标函数；
S2、构造虚拟矢量并确定虚拟矢量所在的大扇区位置和计算虚拟矢量的值；
S3、确定虚拟矢量所在的小扇区位置；
S4、计算一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间；
S5、根据中点电压平衡确定开关序列。
所述步骤S1具体如下：
三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：输出电压等于直流母线电压、输出电压等于直流母线电压的一半、输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；
27个基础矢量构成的矢量图分为六个大扇区，每个大扇区分为四个小扇区，每个大扇区有六种合成矢量，根据参考电压矢量所在扇区选择相应的合成矢量，具体如下：
当参考矢量位于第一小扇区时，合成矢量选择零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2；
当参考矢量位于第二小扇区时，合成矢量选择小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3；
当参考矢量位于第三小扇区时，合成矢量选择小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4；
当参考矢量位于第四小扇区时，合成矢量选择小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5。
所述目标函数确定方法，具体如下：
忽略电阻R的影响，在静止αβ坐标系统下，结合瞬时功率理论可得
其中，uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ分别表示逆变器输出相电压、相电流、和电网电压在αβ静止坐标系上的值，ω、L分别为电网角频率、串联电抗器值。
在一个开关周期内有三个矢量vi(i＝1，2，3)分别作用，设vi作用时，逆变器的电压为ui(uαi，uβi)，uαi，uβi为ui在αβ静止坐标系上的值，作用时间为ti。
并令
则目标函数为
其中，Pref、Qref分别为并网逆变器的有功功率和无功功率给定值，Pj、Qj、Ts分别表示当前有功功率值、当前无功功率值、开关周期。
所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法的步骤S2具体方法如下：
所述构造虚拟矢量方法，具体如下：
设有一个虚拟矢量满足下式，
其中，是虚拟矢量对应的逆变器电压在静止αβ坐标系上的值；Pj+1、Qj+1分别表示下一时刻有功功率值、下一时刻无功功率值。
所述确定虚拟矢量所在的大扇区位置，具体如下：
将三电平并网逆变器空间矢量图中2个相邻长矢量和零矢量的6个三矢量组合分别代入目标函数J。通过6次循环，求出当J取最小值的矢量组合，得到虚拟矢量所在的大扇区位置。
所述计算虚拟矢量的值，具体如下：
把所得的大扇区的三矢量组合及其功率变化代入下式中，求出三个矢量的分别作用时间。
其中，eq＝Pref-Pj、ep＝Qref-Qj，其中下标“3”对应零矢量参数，下标“1”和“2”分别对应按逆变针顺序的两个长矢量参数。
进而得到虚拟矢量对应的逆变器电压在静止αβ坐标系上的值为
其中，(uα1、uβ1)、(uα2、uβ2)、(uα3、uβ3)分别是该三个矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法的步骤S3具体方法如下：
每个小扇区的中心矢量为：
其中，vi1、vi2、vi3为该小扇区内的三个矢量。
则虚拟矢量与中心矢量的距离指标为：
uαio、uβio分别是中心矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
将虚拟矢量所在大扇区内的4个小扇区三矢量组合分别代入Jo，通过4次循环，求出当Jo取最小值的三矢量组合，得到虚拟矢量在三电平空间矢量图中所处的小扇区位置。
所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法的步骤S4具体方法如下：
通过该小扇区内的三个矢量合成虚拟矢量，一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间为：
其中，(uαv0、uβv0)、(uαv1、uβv1)、(uαv2、uβv2)分别是小扇区内的三个矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
若当在第二小扇区或第四小扇区且tv1+tv2＞Ts时(此处tv1、tv2对应两个较大矢量的作用时间)，需要进行饱和处理：
所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法的步骤S5具体方法如下：
对于第一大扇区，有4个小扇区，有6个矢量，可以有8个开关序列；
当逆变器输出功率为正，Uc1＞Uc2时选择P型开关序列，增加逆变器的中点电压；Uc1＜Uc2时选择N型开关序列，减小逆变器的中点电压。
第一小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列OOO-POO-PPO；Uc1＜Uc2对应OOO-OON-ONN；
第二小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PNN-PON-POO；Uc1＜Uc2对应PON-PNN-ONN；
第三小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-POO-PPO；Uc1＜Uc2对应PON-OON-ONN；
第四小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-PPN-PPO；Uc1＜Uc2对应PPN-PON-OON；
当逆变器输出功率为负时，P型开关序列和N型开关序列对中点电压作用效果与输出功率为正时相反，Uc1＞Uc2时选择N型开关序列，增加逆变器的中点电压；Uc1＜Uc2时选择P型开关序列，减小逆变器的中点电压。
第一小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列OOO-OON-ONN；Uc1＜Uc2对应OOO-POO-PPO；
第二小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-PNN-ONN；Uc1＜Uc2对应PNN-PON-POO；
第三小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-OON-ONN；Uc1＜Uc2对应PON-POO-PPO；
第四小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PPN-PON-OON；Uc1＜Uc2对应PON-PPN-PPO；
其中，Uc1、Uc2分别为直流母线上电容C1两端的电压和直流母线下电容C2两端的电压。
对于其他五个大扇区，以此类推。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明的方法可以大大减小了三电平并网逆变器功率控制的计算量，不需要增加额外的硬件电路，成本低；使用本发明方法可显著降低逆变器有功功率和无功功率纹波，同时可实现恒定的开关频率，减小输入谐波，具有良好的实用性。
附图说明
图1是T型三电平并网逆变器结构图。
图2是三电平并网逆变器的空间矢量图。
图3是第一大扇区分区及矢量图。
图4是在三种不同模型预测控制算法下有功功率和无功功率的输出波形对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的具体实施方式作详细说明。
图1给出了T型三电平逆变器结构图，包括并联的三个桥臂，每相桥臂包括两个串联的IGBT开关管，各相桥臂的中点一侧串联两个方向不同的IGBT管，另一侧与电网连接；在并联的各桥臂端接入同一台直流电压源；输入电压源并联的两个中点箝位电容的中点连接各相桥臂的两个方向不同的IGBT管的一端；各个IGBT管均由控制电路驱动。
三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，具体实施方式包括五个步骤：第一步，三电平空间矢量调制方法采用三矢量合成，根据瞬时功率理论和直接功率预测控制方法确定目标函数；第二步，构造虚拟矢量并确定虚拟矢量所在的大扇区位置和计算虚拟矢量的值；第三步，确定虚拟矢量所在的小扇区位置；第四步，计算一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间；第五步，根据中点电压平衡确定开关序列。
所述第一步中采用三电平空间矢量三矢量调制合成并确定目标函数的实施过程为：三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：输出电压等于直流母线电压、输出电压等于直流母线电压的一半、输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；
图2为27个基础矢量构成的矢量图，分为六个大扇区，每个大扇区又可分为四个小扇区，每个大扇区有六种合成矢量，图3为第一大扇区的矢量图，根据参考电压矢量所在扇区选择相应的合成矢量，具体如下：
当参考矢量位于第一小扇区时，合成矢量选择零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2；
当参考矢量位于第二小扇区时，合成矢量选择小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3；
当参考矢量位于第三小扇区时，合成矢量选择小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4；
当参考矢量位于第四小扇区时，合成矢量选择小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5。
所述目标函数确定方法，具体如下：
忽略电阻R的影响，在静止αβ坐标系统下，结合瞬时功率理论可得
其中，uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ分别表示逆变器输出相电压、相电流、和电网电压在αβ静止坐标系上的值，ω、L分别为电网角频率、串联电抗器值。
在一个开关周期内有三个矢量vi(i＝1，2，3)分别作用，设vi作用时，逆变器的电压为ui(uαi，uβi)，uαi，uβi为ui在αβ静止坐标系上的值，作用时间为ti。
并令
则经过一个开关周期以后，有功功率和无功功率的变换关系为
则目标函数为
其中，Pref、Qref分别为并网逆变器的有功功率和无功功率给定值，Pj、Qj、Ts分别表示当前有功功率值、当前无功功率值、开关周期；Pj+1、Qj+1分别表示下一时刻有功功率值、下一时刻当前无功功率值。
所述第二步中构造虚拟矢量并确定虚拟矢量所在的大扇区位置和计算虚拟矢量的值的实施过程具体为：
第一步，构造虚拟矢量，设有一个虚拟矢量满足下式，
其中，是虚拟矢量对应的逆变器电压在静止αβ坐标系上的值。
第二步，确定虚拟矢量所在的大扇区位置，具体如下：
将三电平并网逆变器空间矢量图中2个相邻长矢量和零矢量的6个三矢量组合分别代入目标函数J。通过6次循环，求出当J取最小值的矢量组合，得到虚拟矢量所在的大扇区位置。
第三步，计算虚拟矢量的值，具体如下：
把所得的大扇区的三矢量组合及其功率变化代入下式中，求出三个矢量的分别作用时间。
其中，eq＝Pref-Pj、ep＝Qref-Qj，其中下标“3”对应零矢量参数，下标“1”和“2”分别对应按逆变针顺序的两个长矢量参数。
进而得到虚拟矢量对应的逆变器电压在静止αβ坐标系上的值为
其中，(uα1、uβ1)、(uα2、uβ2)、(uα3、uβ3)分别是该三个矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
所述第三步中确定虚拟矢量所在的小扇区位置的实施过程为：
每个小扇区的中心矢量为：
其中，vi1、vi2、vi3为该小扇区内的三个矢量。
则虚拟矢量与中心矢量的距离指标为：
uαio、uβio分别是中心矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
将虚拟矢量所在大扇区内的4个小扇区三矢量组合分别代入Jo，通过4次循环，求出当Jo取最小值的三矢量组合，得到虚拟矢量在三电平空间矢量图中所处的小扇区位置。
所述第四步中计算一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间的实施过程为：
通过该小扇区内的三个矢量合成虚拟矢量，一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间为：
其中，(uαv0、uβv0)、(uαv1、uβv1)、(uαv2、uβv2)分别是小扇区内的三个矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
若当在第二小扇区或第四小扇区且tv1+tv2＞Ts时(此处tv1、tv2对应两个较大矢量的作用时间)，需要进行饱和处理，
所述第五步中根据中点电压平衡确定开关序列的实施过程为：
对于第一大扇区，有4个小扇区，有6个矢量，可以有8个开关序列；
当逆变器输出功率为正，Uc1＞Uc2时选择P型开关序列，增加逆变器的中点电压；Uc1＜Uc2时选择N型开关序列，减小逆变器的中点电压。
第一小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列OOO-POO-PPO；Uc1＜Uc2对应OOO-OON-ONN；
第二小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PNN-PON-POO；Uc1＜Uc2对应PON-PNN-ONN；
第三小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-POO-PPO；Uc1＜Uc2对应PON-OON-ONN；
第四小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-PPN-PPO；Uc1＜Uc2对应PPN-PON-OON；
当逆变器输出功率为负时，P型开关序列和N型开关序列对中点电压作用效果与输出功率为正时相反，Uc1＞Uc2时选择N型开关序列，增加逆变器的中点电压；Uc1＜Uc2时选择P型开关序列，减小逆变器的中点电压。
第一小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列OOO-OON-ONN；Uc1＜Uc2对应OOO-POO-PPO；
第二小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-PNN-ONN；Uc1＜Uc2对应PNN-PON-POO；
第三小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-OON-ONN；Uc1＜Uc2对应PON-POO-PPO；
第四小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PPN-PON-OON；Uc1＜Uc2对应PON-PPN-PPO；
其中，Uc1、Uc2分别为直流母线上电容C1两端的电压和直流母线下电容C2两端的电压。
对于其他五个大扇区，以此类推。
图4为在三种不同的模型预测控制算法下，并网逆变器在稳定情况下有功功率和无功功率的输出波形分析图，其中a曲线为采用传统的三电平模型预测控制方法，b曲线为采用二电平恒定开关频率模型预测控制，c曲线为采用三电平恒定开关频率模型预测控制。分析a曲线与b曲线可得，二电平的有功功率和无功功率的纹波要大于三电平；而采用传统三电平模型预测控制方法时有功功率和无功功率的纹波要比三电平恒定开关频率的预测控制要大。所以通过对比得出，本发明的三电平并网逆变器恒定开关频率模型预测控制降低了并网逆变器有功功率和无功功率纹波，具有较好的动静态性能；由于有功功率和无功功率的纹波直接影响到并网逆变器的交流侧的电流，所以具有更好的谐波抑制效果，充分证明了本发明的实用性。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、三电平空间矢量调制方法采用三矢量合成，根据瞬时功率理论和直接功率预测控制方法确定目标函数；
S2、构造虚拟矢量并确定虚拟矢量所在的大扇区位置和计算虚拟矢量的值；
S3、确定虚拟矢量所在的小扇区位置；
S4、计算一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间；
S5、根据中点电压平衡确定开关序列。
2.根据权利要求1所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体如下：
三电平T型逆变器每一相的输出电平都有三种状态：输出电压等于直流母线电压、输出电压等于直流母线电压的一半、输出电压等于0，分别设为P、O、N；因此共有27种基础矢量分别为：NNN、NNO、NNP、NON、NOO、NOP、NPN、NPO、NPP、ONN、ONO、ONP、OON、OOO、OOP、OPN、OPO、OPP、PNN、PNO、PNP、PON、POO、POP、PPN、PPO、PPP；
27个基础矢量构成的矢量图分为六个大扇区，每个大扇区分为四个小扇区，每个大扇区有六种合成矢量，根据参考电压矢量所在扇区选择相应的合成矢量，具体如下：
当参考矢量位于第一小扇区时，合成矢量选择零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2；
当参考矢量位于第二小扇区时，合成矢量选择小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3；
当参考矢量位于第三小扇区时，合成矢量选择小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4；
当参考矢量位于第四小扇区时，合成矢量选择小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5；
忽略电阻R的影响，在静止αβ坐标系统下，结合瞬时功率理论可得
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其中，(uα，uβ)、(iα，iβ)、(eα，eβ)分别表示逆变器输出相电压、相电流、电网电压在αβ静止坐标系上的坐标；ω、L分别为电网角频率、串联电抗器值；为对有功功率P进行微分，为对有功功率Q进行微分；
在一个开关周期Ts内有三个矢量vi分别作用,其中i＝1,2,3；设vi作用时，逆变器的电压为ui，(uαi,uβi)为ui在αβ静止坐标系上的坐标，作用时间为；
并令
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<mo>,</mo>
</mrow>
其中，Pref、Qref分别为并网逆变器的有功功率和无功功率给定值，Pj、Qj、Ts分别表示当前有功功率值、当前无功功率值、开关周期。
3.根据权利要求2所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体如下：
设有一个虚拟矢量满足下式：
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
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<mtd>
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</mtable>
</mfenced>
其中，是虚拟矢量对应的逆变器电压在静止αβ坐标系上的值；Pj+1、Qj+1、分别表示下一时刻的有功功率值、下一时刻的无功功率值。
将三电平并网逆变器空间矢量图中2个相邻长矢量和零矢量的6个三矢量组合分别代入目标函数J；通过6次循环，求出当J取最小值的矢量组合，得到虚拟矢量所在的大扇区位置；
把所得的大扇区的三矢量组合及其功率变化代入下式中，求出三个矢量的分别作用时间t1、t2、t3：
<mfenced open = "{" close = "">
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，eq＝Pref-Pj、ep＝Qref-Qj，其中下标“3”对应零矢量参数，下标“1”和“2”分别对应按逆变针顺序的两个长矢量参数；
进而得到虚拟矢量对应的逆变器电压在静止αβ坐标系上的值为
<mfenced open = "{" close = "">
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</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
其中，(uα1、uβ1)、(uα2、uβ2)、(uα3、uβ3)分别是该三个矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值。
4.根据权利要求3所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S3具体如下：
每个小扇区的中心矢量为：
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其中，vi1、vi2、vi3为该小扇区内的三个矢量；
则虚拟矢量与中心矢量的距离指标为：
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<mo>,</mo>
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其中，uαio、uβio分别是中心矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值；
将虚拟矢量所在大扇区内的4个小扇区三矢量组合分别代入Jo，通过4次循环，求出当Jo取最小值的三矢量组合，得到虚拟矢量在三电平空间矢量图中所处的小扇区位置。
5.根据权利要求4所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体如下：
通过该小扇区内的三个矢量合成虚拟矢量，一个开关周期内的三个矢量的分别作用时间为tv1、tv2、tv0：
<mfenced open = "{" close = "">
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其中，(uαv0、uβv0)、(uαv1、uβv1)、(uαv2、uβv2)分别是小扇区内的三个矢量对应的电压在静止αβ坐标系上的值；
若当在第二小扇区或第四小扇区且tv1+tv2＞Ts时，需要进行饱和处理：
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6.根据权利要求4所述三电平并网逆变器模型预测直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤S5具体如下：
对于第一大扇区，有4个小扇区，有6个矢量，可以有8个开关序列；
当逆变器输出功率为正，Uc1＞Uc2时选择P型开关序列，增加逆变器的中点电压；Uc1＜Uc2时选择N型开关序列，减小逆变器的中点电压；
第一小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列OOO-POO-PPO；Uc1＜Uc2对应OOO-OON-ONN；
第二小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PNN-PON-POO；Uc1＜Uc2对应PON-PNN-ONN；
第三小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-POO-PPO；Uc1＜Uc2对应PON-OON-ONN；
第四小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-PPN-PPO；Uc1＜Uc2对应PPN-PON-OON；
当逆变器输出功率为负时，P型开关序列和N型开关序列对中点电压作用效果与输出功率为正时相反，Uc1＞Uc2时选择N型开关序列，增加逆变器的中点电压；Uc1＜Uc2时选择P型开关序列，减小逆变器的中点电压；
第一小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列OOO-OON-ONN；Uc1＜Uc2对应OOO-POO-PPO；
第二小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-PNN-ONN；Uc1＜Uc2对应PNN-PON-POO；
第三小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PON-OON-ONN；Uc1＜Uc2对应PON-POO-PPO；第四小扇区，Uc1＞Uc2对应开关序列PPN-PON-OON；Uc1＜Uc2对应PON-PPN-PPO；其中，Uc1、Uc2分别为直流母线上电容C1两端的电压和直流母线下电容C2两端的电压；对于其他五个大扇区，以此类推。
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