CN107872166A - 一种分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略，其特征是：针对分立电感式并联交错逆变器的每一相，在t时刻基于价值函数滚动寻优计算确定t+Ts时刻的相电压最优输出电平，并结合t时刻各桥臂电流的排序结果，确定t+Ts各桥臂的工作状态。本发明的有益效果是：无需设计PI控制闭环及调制算法即可实现分立电感式并联交错逆变器的交流侧电流跟踪及桥臂电流均衡，控制策略结构较为简单，易于工程实现；可向任意输出电平数拓展，不受并联桥臂数量N的制约；控制策略中采用的基于排序的桥臂输出电流均衡算法对不同桥臂电路结构的分立电感式并联交错逆变器均通用，可有效均衡各桥臂的输出电流，保证系统安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明涉及多电平电力电子变换器领域的控制技术，具体涉及分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略。
背景技术
在大功率新能源发电并网变换器应用领域，多电平变换器以谐波特性好、控制灵活等优点受到越来越广泛的关注。并联交错逆变器(Parallel-Interleaved Inverter，PII)是一种由并网逆变器多机并联结构衍生出的新型电压源型变换器拓扑，相当于将多台并网逆变器进行交错连接并实行统一控制，可有效解决并网逆变器多机并联时存在的零序环流问题。当PII采用分立电感进行桥臂并联时具有完全相同的模块化桥臂电路结构，这一特点使得分立电感式PII的容量可根据不同应用场合的电流、功率等级要求进行灵活调整，有利于统一并网变换器的基础结构；同时由于其各桥臂工作模式完全独立，非常易于实现桥臂故障的容错运行控制，具备较高的运行可靠性。得益于上述技术优势，分立电感式PII在新能源发电领域具备较大的应用潜力。
通过检索现有文献发现，《IEEE Transactions on Power Electronics》上发表了“Flux-Balancing Scheme for PD-Modulated Parallel-Interleaved Inverters(载波层叠调制下并联交错逆变器的磁通平衡策略)”的文章，该文章针对桥臂为两电平半桥结构的耦合电感式PII提出了一种载波层叠调制算法，并进一步设计控制策略解决了载波层叠调制作用下各桥臂耦合电感的磁通饱和问题。该策略可以对耦合电感式PII进行有效的桥臂均流控制并获得良好的交流侧输出电压，但由于分立电感式PII各桥臂采用分立电感进行并联，较耦合电感式PII而言在桥臂间不存在差模阻抗，因此该方法对分立电感式PII并不适用，难以实现分立电感式PII的桥臂电流均衡；此外，该策略的实现方式较为复杂，仅通过调制算法实现了桥臂均流及交流侧电压的控制，对于交流侧电流的控制仍需加入有效的控制策略才能实现，系统控制结构较为复杂，控制参数难以整定。
《IEEE Transactions on Industrial Electronics》上发表了“ModelPredictive Control for Power Converters and Drives:Advances and Trends(功率变换器与电机驱动的模型预测控制：发展与趋势)”的文章，该文章对目前用于电力电子变换器的模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)策略进行了综述，表明MPC策略用于电力电子变换器的控制时具备动态特性好、便于实现多目标控制、易于数字实现等优点。但MPC策略用于包括PII在内的多电平变换器时，由于待选开关状态数量普遍较多，在各个采样周期内算法需要执行的寻优计算次数过多，运算量非常大，难以在现有通用数字控制器中实现。目前，尚未有文献针对分立电感式PII的MPC策略进行设计与分析。
发明内容
本发明的目的是提供一种分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略，在保证交流侧电流控制、桥臂电流均衡控制满足系统运行要求的前提下，降低了实现控制策略所需的计算量，提高了MPC算法用于分立电感式PII控制的实用性。
本发明所述的分立电感式并联交错逆变器的每相由N个两电平半桥桥臂通过分立电感并联构成，每相交流侧最多可输出N+1电平的相电压，其中j相相电压uj输出电平的取值范围可表示本发明分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制采用两级控制架构：第一级架构通过建立价值函数，基于t时刻系统状态对输出电平进行滚动寻优，确定t+Ts(Ts为采样周期)时刻相电压最优输出电平，用于实现分立电感式PII的交流侧输出电流控制；第二级架构通过设计一种桥臂电流均衡算法，基于桥臂电流排序结果及第一级架构所得t+Ts时刻相电压最优输出电平，产生各桥臂功率器件的开关脉冲信号，用于在不影响交流侧输出电流控制效果的前提下实现分立电感式PII的桥臂电流均衡控制。
与已有的PII控制技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提出一种分立电感式PII的模型预测控制策略，将电流的控制及功率器件开关脉冲信号的生成整合在一起通过一个数字计算平台进行实现，与现有技术相比，无需设计PI电流控制闭环及调制算法即可实现分立电感式PII交流侧电流跟踪及桥臂电流均衡，亦无需整定控制参数，控制策略结构较为简单，易于工程实现；
2、本发明通过计算以相电压输出电平为控制元的价值函数来确定相电压最优输出电平，对于分立电感式PII中每一相的控制，在各采样周期内仅需进行最多3次滚动寻优计算，无须调节权重系数，计算量得到大幅度减小，控制策略可向任意输出电平数拓展，不受并联桥臂数量N的制约，适应分立电感式PII结构上可灵活调制的优点；
3、本发明设计一种基于排序的桥臂输出电流均衡算法，仅需对各桥臂进行采样并排序，即可结合当前采样时刻的相电压输出电平的要求实现桥臂电流均衡控制，该算法解决了PII采用分立电感进行桥臂并联时的桥臂均流问题，能够保证系统安全运行，同时该算法可与任一能够决定处于不同工作状态的桥臂数量的控制策略或调制策略进行结合，对采用任一桥臂电路结构的分立电感式PII具备通用性。
附图说明
图1是分立电感式并联交错逆变器的电路拓扑
图2是分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略流程图
具体实施方式
一种分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略，其特征是：针对分立电感式并联交错逆变器的每一相，在t时刻基于价值函数滚动寻优计算确定t+Ts时刻的相电压最优输出电平，并结合t时刻各桥臂电流的排序结果，确定t+Ts各桥臂的工作状态。
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
图1为分立电感式并联交错逆变器的电路拓扑，该拓扑的各相电路结构完全相同，下面对j(j＝a,b,c，下同)相电路结构进行说明。在如图1所示j相中，N个两电平半桥桥臂(LEGj1-LEGjN)并联于公共直流母线上，各桥臂中点均通过分立电感L0进行并联形成a相交流侧输出点Oj。
为了便于描述，首先说明分立电感式并联交错逆变器中桥臂正常运行时的两个工作状态。如图1所示，对于j相第i(i＝1,2,…,N，下同)个桥臂LEGji，当其中上功率开关器件Sji导通、下开功率关器件Sji'关断时，桥臂中点电压为直流母线电压Udc，桥臂输出电流iij增大，该状态称为桥臂的“投入”状态；而当Sji关断、Sji'导通时，桥臂中点电压为0，桥臂输出电流iij减小，该状态称为桥臂的“切除”状态。
本发明分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略的流程图如图2所示，具体实施时包括以下步骤：
(1)获取实施控制策略必需的电气量：算法开始后，首先对t时刻的j相交流侧电流ij(t)、各桥臂输出电流iji(t)及网侧电压ej(t)进行采样，同时读取t+Ts时刻系统控制所要求的j相交流侧电流参考值ij *(t+Ts)；
(2)限定参与滚动寻优计算的t+Ts时刻相电压输出电平的范围：选取与t时刻j相相电压最优输出电平ujopt(t)及与其相邻的输出电平，作为t+Ts时刻可能的j相相电压输出电平uj(t+Ts)；
(3)对t+Ts时刻可能的相电压输出电平进行滚动寻优计算：首先，计算t+Ts时刻交流侧电流预测值，分别计算步骤(2)中限定的t+Ts时刻各个可能的j相相电压输出电平uj(t+Ts)所对应的t+Ts时刻j相交流侧电流值ij(t+Ts)，计算公式为：
然后，根据步骤(1)所获取的t+Ts时刻j相交流侧电流参考值ij *(t+Ts)及步骤(3)计算得到的j相交流侧电流预测值ij(t+Ts)，分别计算t+Ts时刻各个可能的j相相电压输出电平uj(t+Ts)所对应的j相各价值函数值gj，其计算公式为：
(4)确定t+Ts时刻相电压最优输出电平：将步骤(3)中计算出的最小的gj值所对应的j相相电压输出电平作为t+Ts时刻j相相电压最优输出电平uoptj(t+Ts)；
(5)计算t+Ts时刻处于各个工作状态的桥臂数量：根据步骤(4)中获取的t+Ts时刻j相相电压最优输出电平ujopt(t+Ts)，计算t+Ts时刻j相处于“投入”状态的桥臂数量Nonj(t+Ts)和处于“切除”状态的桥臂数量Noffj(t+Ts)，计算公式为：
(6)执行基于排序的桥臂输出电流均衡算法，分配t+Ts时刻各桥臂的工作状态：对步骤(1)采样得到的j相各桥臂输出电流iji(t)由小到大进行排序；分配桥臂输出电流较小的Nonj(t+Ts)个桥臂在t+Ts时刻处于“投入”状态；分配桥臂输出电流较大的Noffj(t+Ts)个桥臂在t+Ts时刻处于“切除”状态；
(7)产生功率开关器件的控制信号并应用：为步骤(6)中分配处于“投入”状态的所有桥臂产生上功率开关器件导通、下功率开关器件关断的控制信号；为步骤(6)中分配处于“切除”状态的所有桥臂产生上功率开关器件关断、下功率开关器件导通的控制信号；
(8)判断系统是否要求控制策略继续执行：若系统要求控制策略继续执行，则等待下一个采样周期Ts，循环重复步骤(1)到步骤(7)；若系统要求控制策略停止，则封锁所有开关器件的控制信号，控制策略结束。
Claims (3)
1.一种分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略，其特征在于：采用两级控制架构；
第一级架构通过建立价值函数，基于t时刻系统状态对输出电平进行滚动寻优，确定t+Ts(Ts为采样周期)时刻相电压最优输出电平，用于实现分立电感式PII的交流侧输出电流控制；
第二级架构通过设计一种桥臂电流均衡算法，基于桥臂电流排序结果及第一级架构所得t+Ts时刻相电压最优输出电平，产生各桥臂功率器件的开关脉冲信号，用于在不影响交流侧输出电流控制效果的前提下实现分立电感式PII的桥臂电流均衡控制；具体包括以下步骤：
(1)获取实施控制策略必需的电气量：首先对t时刻的j相交流侧电流ij(t)、各桥臂输出电流iji(t)及网侧电压ej(t)进行采样，同时读取t+Ts时刻系统控制所要求的j相交流侧电流参考值ij *(t+Ts)；
(2)限定参与滚动寻优计算的t+Ts时刻相电压输出电平的范围：选取与t时刻j相相电压最优输出电平ujopt(t)及与其相邻的输出电平，作为t+Ts时刻可能的j相相电压输出电平uj(t+Ts)；
(3)对t+Ts时刻可能的相电压输出电平进行滚动寻优计算：首先，计算t+Ts时刻交流侧电流预测值，分别计算步骤(2)中限定的t+Ts时刻各个可能的j相相电压输出电平uj(t+Ts)所对应的t+Ts时刻j相交流侧电流值ij(t+Ts)，计算公式为：
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然后，根据步骤(1)所获取的t+Ts时刻j相交流侧电流参考值ij *(t+Ts)及步骤(3)计算得到的j相交流侧电流预测值ij(t+Ts)，分别计算t+Ts时刻各个可能的j相相电压输出电平uj(t+Ts)所对应的j相各价值函数值gj，其计算公式为：
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(4)确定t+Ts时刻相电压最优输出电平：将步骤(3)中计算出的最小的gj值所对应的j相相电压输出电平作为t+Ts时刻j相相电压最优输出电平uoptj(t+Ts)；
(5)计算t+Ts时刻处于各个工作状态的桥臂数量：根据步骤(4)中获取的t+Ts时刻j相相电压最优输出电平ujopt(t+Ts)，计算t+Ts时刻j相处于“投入”状态的桥臂数量Nonj(t+Ts)和处于“切除”状态的桥臂数量Noffj(t+Ts)，计算公式为：
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(6)执行基于排序的桥臂输出电流均衡算法，分配t+Ts时刻各桥臂的工作状态：对步骤(1)采样得到的j相各桥臂输出电流iji(t)由小到大进行排序；分配桥臂输出电流较小的Nonj(t+Ts)个桥臂在t+Ts时刻处于“投入”状态；分配桥臂输出电流较大的Noffj(t+Ts)个桥臂在t+Ts时刻处于“切除”状态；
(7)产生功率开关器件的控制信号并应用：为步骤(6)中分配处于“投入”状态的所有桥臂产生上功率开关器件导通、下功率开关器件关断的控制信号；为步骤(6)中分配处于“切除”状态的所有桥臂产生上功率开关器件关断、下功率开关器件导通的控制信号；
(8)判断系统是否要求控制策略继续执行：若系统要求控制策略继续执行，则等待下一个采样周期Ts，循环重复步骤(1)到步骤(7)；若系统要求控制策略停止，则封锁所有功率开关器件的控制信号，控制策略结束。
2.如权利要求1中所述的一种分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略，其特征在于：步骤(6)执行的基于排序的桥臂输出电流均衡算法，基于处于不同工作状态的桥臂数量，结合桥臂输出电流的排序结果来实现分立电感式并联交错逆变器的桥臂输出电流均衡控制；该算法可与任一能够决定处于不同工作状态的桥臂数量的控制策略或调制策略进行结合，可满足采用任一桥臂结构的分立电感式并联交错逆变器的桥臂输出电流均衡控制。
3.如权利要求1中所述的一种分立电感式并联交错逆变器的模型预测控制策略，其特征在于：分立电感式并联交错逆变器的每相由N个两电平半桥桥臂通过分立电感并联构成，每相交流侧最多可输出N+1电平的相电压，其中j相相电压uj输出电平的取值范围可表示：
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