CN109245583B - 一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，首先经过坐标变换简化了多电平电压空间矢量脉宽调制方法，得到参考矢量所在最小三角形的三个顶点坐标及对应的作用时间，其次通过反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态，并进行排序，得到冗余开关状态组数，接着根据各控制目标的优先级及与开关状态的定量关系计算得到各组的目标函数值，最后确定目标函数值最小所对应的组数即为最优组，进而确定三个最优开关状态，把三个最优的开关状态按照矢量作用的时间变换为PWM脉冲作用于多电平变换装置，实现对多电平变换装置的最优化控制；本发明融合了空间矢量脉宽调制技术和预测控制技术在控制系统中的优点，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，属于多电平变流器控制技术领域。
背景技术
近年来，随着电力电子技术和控制技术的全面发展，人们对电力电子装置的大功率、耐高压、低谐波扰动的要求越来越高。多电平变换装置具有功率大、开关频率低、输出谐波小、动态响应速度快、电磁兼容性好等优点，并可以使耐压值低的电力电子器件可靠应用于高压大功率领域，并有效地减少脉宽调制简称PWM控制产生的高次谐波，被广泛应用于大功率传动、光伏逆变器、风力发电厂并网等工程现场。
空间矢量脉宽调制技术是以三相对称正弦波电压供电时三相对称电动机定子理想磁链圆为参考标准，以三相逆变器不同开关模式作适当的切换，从而形成PWM波，以所形成的实际磁链矢量来追踪其准确磁链圆，具有模型简单，便于微处理器的实时控制的特点。
当多电平变换器采用空间矢量脉宽调制技术时存在电压空间矢量数量多，算法计算复杂，控制目标单一的缺点，由于其计算量量大且计算复杂，因此该方法工程实用性不强。
传统预测控制应用于多电平变换装置中存在以下缺点：
一、滚动优化次数多，计算量大，需要控制器有较强的计算能力；
二、开关频率较高，特别在系统处于动态调整时短时连续较高的开关频率会导致器件损耗增大，增加器件损坏风险，减短器件使用寿命；
三、开关频率不固定，不利于输出滤波器的设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其融合空间矢量脉宽调制技术和预测控制技术在控制系统中的优点，实现对多电平变换装置的最优化控制。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，包括以下步骤：
S1)首先确定多电平变换装置可输出的电平数及冗余开关状态；
S2)利用坐标变换矩阵对传统坐标系下的多电平电压空间矢量和参考电压矢量进行变换；
S3)利用新坐标系下的参考电压矢量的三个坐标及新坐标系下的多电平电压空间矢量进行比较，确定参考电压矢量所在最小三角形的位置，并得到最小三角形三个顶点矢量的坐标；
S4)计算利用最小三角形三个顶点矢量等效输出参考电压矢量时，最小三角形三个顶点矢量的作用时间；
S5)利用最小三角形三个顶点矢量的坐标采用反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态，并对所计算出的三个顶点的所有冗余开关状态进行排序；
S6)对排完序后的冗余开关状态进行分组，以相邻的三个矢量为一组，确定冗余开关状态的组数；
S7)对控制目标进行优先级排序，并列出各控制目标与各组冗余开关状态间的定量关系式；
S8)确定各组的目标函数值即：目标函数值等于各控制目标与其对应的权值系数相乘后累加之和；
S9)得出目标函数值最小所对应的组数即为最优组，进而确定该组的三个最优开关状态；
S10)根据S4)所确定的最小三角形三个顶点矢量的作用时间及S9)所确定的最小三角形三个顶点所对应的三个冗余开关状态最终作用于多电平变换装置开关器件的导通与关断，实现对多电平变换装置的最优化控制。
所述步骤S2)中坐标变换的矩阵为
其中，ua、ub、uc为传统坐标系下的三个电压值，uac、ucb、uba为新标系下的三个电压值。
所述步骤S3)中确定参考电压矢量所在最小三角形位置的方法包含两个步骤：
步骤S3-1)对参考电压矢量三个坐标值中的任意两个坐标值进行取整运算，确定参考电压矢量所在最小平行四边形的位置，其中，平行四边形由正反两个最小三角形组成；
步骤S3-2)根据参考电压矢量未用到的第三个坐标值确定参考电压矢量所在的最小三角形位置。
所述步骤S4)中最小三角形三个顶点矢量的作用时间之比等于参考电压矢量到所在最小三角形三条边的距离之比。
所述步骤S5)利用最小三角形三个顶点矢量的坐标采用反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态并对所计算出的三个顶点的所有冗余开关状态进行排序的方法为：
S5-1)选取顶点矢量的三个坐标值(uac,ucb,uba)中最小的坐标值，如果第一个坐标值uac最小，则可令ua_1为0，则uc_1为-uac，则ub_1为uba；
S5-2)计算其他冗余开关状态时存在以下规律，ux_k+1-uxk＝1(其中，x＝(a,b,c),1≤k≤N，N为多电平变换器相电压的电平数)，依此规律计算该顶点矢量的其他冗余开关状态；
S5-3)排序前先对顶点矢量的冗余开关状态进行如下量化处理，量化值等于100×ua_k+10×ub_k+uc_k；
S5-4)对所有冗余开关状态进行排序是基于对其量化值的排序。
所述步骤S8)计算目标函数值所用的权值系数由步骤S7)中控制目标的优先级计算得到，其所有权值系数之和为100％。
相比于传统的预测控制，本发明
(1)通过坐标变换，简化了参考电压矢量的等效合成方法，算法简单，易于数字实现；
(2)引入预测控制思想，实现多目标优化控制，克服空间矢量脉宽调制技术控制目标单一的问题；
(3)预测计算量小，由于多电平冗余开关状态的组数相对较少，滚动优化的次数与组数相同，具有计算简单，拥有较高的工程实用性；
(4)具有开关频率固定的特点，不存在瞬时较高的开关频率，系统可靠性高；
(5)适用于不同电平不同拓扑结构的变换装置，算法通用性强；
(6)融合了空间矢量脉宽调制技术和预测控制技术在控制系统中的优点，克服了两者的缺点，随着多电平变换装置的推广及普及，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明原理示意图；
图2为以五电平变换器为例采用传统预测控制方法系统平均开关频率统计图；
图3为以五电平变换器为例采用本发明控制方法平均系统开关频率统计图；
图4为以五电平变换器为例采用传统预测控制方法系统平均滚动优化次数统计图；
图5为以五电平变换器为例采用本发明控制方法系统平均滚动优化次数统计图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明为一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)首先确定多电平变换装置可输出的电平数及冗余开关状态；
S2)利用坐标变换矩阵对传统坐标系下的多电平电压空间矢量和参考电压矢量进行变换；其中，坐标变换的矩阵为
其中，ua、ub、uc为传统坐标系下的三个电压值，uac、ucb、uba为新标系下的三个电压值；
S3)利用新坐标系下的参考电压矢量的三个坐标及新坐标系下的多电平电压空间矢量进行比较，确定参考电压矢量所在最小三角形的位置，并得到最小三角形三个顶点矢量的坐标；其中，所述步骤S3)中确定参考电压矢量所在最小三角形位置的方法包含两个步骤：
步骤S3-1)对参考电压矢量三个坐标值中的任意两个坐标值进行取整运算，确定参考电压矢量所在最小平行四边形的位置，其中，平行四边形由正反两个最小三角形组成；
步骤S3-2)根据参考电压矢量未用到的第三个坐标值确定参考电压矢量所在的最小三角形位置。
S4)计算利用最小三角形三个顶点矢量等效输出参考电压矢量时，最小三角形三个顶点矢量的作用时间；步骤S4)中最小三角形三个顶点矢量的作用时间之比等于参考电压矢量到所在最小三角形三条边的距离之比；
S5)利用最小三角形三个顶点矢量的坐标采用反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态，并对所计算出的三个顶点的所有冗余开关状态进行排序；所述步骤S5)利用最小三角形三个顶点矢量的坐标采用反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态并对所计算出的三个顶点的所有冗余开关状态进行排序的方法为：
S5-1)选取顶点矢量的三个坐标值(uac,ucb,uba)中最小的坐标值，如果第一个坐标值uac最小，则可令ua_1为0，则uc_1为-uac，则ub_1为uba；
S5-2)计算其他冗余开关状态时存在以下规律，ux_k+1-uxk＝1(其中，x＝(a,b,c),1≤k≤N，N为多电平变换器相电压的电平数)，依此规律计算该顶点矢量的其他冗余开关状态；
S5-3)排序前先对顶点矢量的冗余开关状态进行如下量化处理，量化值等于100×ua_k+10×ub_k+uc_k；
S5-4)对所有冗余开关状态进行排序是基于对其量化值的排序；
S6)对排完序后的冗余开关状态进行分组，以相邻的三个矢量为一组，确定冗余开关状态的组数；
S7)对控制目标进行优先级排序，并列出各控制目标与各组冗余开关状态间的定量关系式；
S8)确定各组的目标函数值即：目标函数值等于各控制目标与其对应的权值系数相乘后累加之和；所述步骤S8)计算目标函数值所用的权值系数由步骤S7)中控制目标的优先级计算得到，其所有权值系数之和为100％，控制目标优先级越高权值系数占比越大，设计人员可根据实际系统的控制优先级灵活设定权值系数；
S9)得出目标函数值最小所对应的组数即为最优组，进而确定该组的三个最优开关状态；
S10)根据S4)所确定的最小三角形三个顶点矢量的作用时间及S9)所确定的最小三角形三个顶点所对应的三个冗余开关状态最终作用于多电平变换装置开关器件的导通与关断，实现对多电平变换装置的最优化控制。
与传统预测控制相比：
本发明首先经过坐标变换简化了多电平电压空间矢量脉宽调制方法，得到参考电压矢量所在最小三角形的三个顶点坐标及对应的作用时间，其次通过反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态，并进行排序，得到冗余开关状态组数，接着根据各控制目标的优先级及与开关状态的定量关系计算得到各组的目标函数值，最后确定目标函数值最小所对应的组数即为最优组，进而确定三个最优开关状态，把三个最优的开关状态按照矢量作用的时间变换为PWM脉冲作用于多电平变换装置，实现对多电平变换装置的最优化控制。
本发明以五电平变换器为例，采用传统预测控制与本发明控制方法在系统平均开关频率及系统滚动优化次数两个重要参数方面进行仿真验证，其多电平变换器原理与之相同。
从图2和图3的对比可以看出，五电平变换器采用本发明控制方法平均系统开关频率低于采用传统预测控制方法是系统的开关频率，降低开关频率近1/3，所得的益处是降低开关器件发热，提高系统的效率。
从图4和图5的对比可以看出，五电平变换器采用本发明控制方法系统平均滚动优化次数最高为10次，采用传统预测控制方法系统平均滚动优化次数均为125次，对比可知，采用本发明控制方法可以大大降低系统的平均滚动优化次数，所得的益处是降低系统的运行时间，减小控制系统的运算压力。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1)首先确定多电平变换装置可输出的电平数及冗余开关状态；
S2)利用坐标变换矩阵对传统坐标系下的多电平电压空间矢量和参考电压矢量进行变换；
S3)利用新坐标系下的参考电压矢量的三个坐标及新坐标系下的多电平电压空间矢量下参考电压矢量的三个坐标进行比较，确定参考电压矢量所在最小三角形的位置，并得到最小三角形三个顶点矢量的坐标；
S4)计算利用最小三角形三个顶点矢量等效输出参考电压矢量时，最小三角形三个顶点矢量的作用时间；
S5)利用最小三角形三个顶点矢量的坐标采用反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态，并对所计算出的三个顶点的所有冗余开关状态进行排序；
S6)对排完序后的冗余开关状态进行分组，以相邻的三个矢量为一组，确定冗余开关状态的组数；
S7)对控制目标进行优先级排序，并列出各控制目标与各组冗余开关状态间的定量关系式；
S8)确定各组的目标函数值即：目标函数值等于各控制目标与其对应的权值系数相乘后累加之和；
S9)得出目标函数值最小所对应的组数即为最优组，进而确定该组的三个最优开关状态；
S10)根据S4)所确定的最小三角形三个顶点矢量的作用时间及S9)所确定的最小三角形三个顶点所对应的三个冗余开关状态最终作用于多电平变换装置开关器件的导通与关断，实现对多电平变换装置的最优化控制。
2.根据权利要求1所述的一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于：所述步骤S2)中坐标变换的矩阵为
其中，ua、ub、uc为传统坐标系下的三个电压值，uac、ucb、uba为新标系下的三个电压值。
3.根据权利要求1所述的一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于：所述步骤S3)中确定参考电压矢量所在最小三角形位置的方法包含两个步骤：
步骤S3-1)对参考电压矢量三个坐标值中的任意两个坐标值进行取整运算，确定参考电压矢量所在最小平行四边形的位置，其中，平行四边形由正反两个最小三角形组成；
步骤S3-2)根据参考电压矢量未用到的第三个坐标值确定参考电压矢量所在的最小三角形位置。
4.根据权利要求1所述的一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于：所述步骤S4)中最小三角形三个顶点矢量的作用时间之比等于参考电压矢量到所在最小三角形三条边的距离之比。
5.根据权利要求1所述的一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于：所述步骤S5)利用最小三角形三个顶点矢量的坐标采用反推计算出每个顶点的全部冗余开关状态并对所计算出的三个顶点的所有冗余开关状态进行排序的方法为：
S5-1)选取顶点矢量的三个坐标值(uac,ucb,uba)中最小的坐标值，如果第一个坐标值uac最小，则可令ua_1为0，则uc_1为-uac，则ub_1为uba；
S5-2)计算其他冗余开关状态时存在以下规律，ux_k+1-uxk＝1(其中，x＝(a,b,c),1≤k≤N，N为多电平变换器相电压的电平数)，依此规律计算该顶点矢量的其他冗余开关状态；
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S5-4)对所有冗余开关状态进行排序是基于对其量化值的排序。
6.根据权利要求1所述的一种多电平变换装置电压空间矢量预测控制方法，其特征在于：所述步骤S8)计算目标函数值所用的权值系数由步骤S7)中控制目标的优先级计算得到，其所有权值系数之和为100％。
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Application publication date: 20190118 Assignee: Xuzhou shengyulong Information Technology Co.,Ltd. Assignor: Jiangsu Normal University Contract record no.: X2022980019985 Denomination of invention: A voltage space vector predictive control method for multilevel converter Granted publication date: 20200619 License type: Common License Record date: 20221104 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Xuzhou shengyulong Information Technology Co.,Ltd. Assignor: Jiangsu Normal University Contract record no.: X2022980019985 Date of cancellation: 20230625 |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240425 Address after: 710000, A2-10410, New Era Plaza, 1688 South China City, Xi'an International Port Area, Shaanxi Province Patentee after: Northern Times (Xi'an) Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 509 Kangrui Times Square, Keyuan Business Building, 39 Huarong Road, Gaofeng Community, Dalang Street, Longhua District, Shenzhen, Guangdong Province, 518000 Patentee before: Shenzhen Litong Information Technology Co.,Ltd. Country or region before: China Effective date of registration: 20240425 Address after: 509 Kangrui Times Square, Keyuan Business Building, 39 Huarong Road, Gaofeng Community, Dalang Street, Longhua District, Shenzhen, Guangdong Province, 518000 Patentee after: Shenzhen Litong Information Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 221009 57 Heping Road, Yunlong District, Xuzhou, Jiangsu Patentee before: Jiangsu Normal University Country or region before: China |