CN110311582B - 一种三电平逆变器的模型预测控制方法及系统 - Google Patents

一种三电平逆变器的模型预测控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器的模型预测控制方法及系统，包括：设定光伏并网逆变器的输出有功电流给定值，无功电流的给定值设置为零；通过dq/αβ坐标变换，将光伏并网逆变器的输出dq坐标系下的参考电流转换为αβ坐标系下的电流的参考值；根据三电平逆变器的拓扑结构，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型；基于所述数学模型，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值；通过价值函数从有限集空间新型电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，用于控制下一个开关周期中各个开关管的状态，实现三电平逆变器交流侧电流的控制。本发明能够解决光伏发电系统效率低、交流侧谐波电流THD大的问题。

Description

一种三电平逆变器的模型预测控制方法及系统
技术领域
本发明属于双MPPT光伏发电技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器的模型预测控制方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
近年来，随着能源危机的日益加剧，可再生能源得到迅速发展。在可再生能源中光伏发电由于其储量丰富、分布广泛等优势使其具有巨大的发展潜力。报告统计，2018年全国光伏发电新增装机容量4426万千瓦，累计并网容量达1.74亿千瓦，约占电源总装机9％。作为光伏发电机与电网的接口，逆变器是光伏发电系统稳定可靠运行的关键。
在光伏发电系统，T型三电平逆变器由于具有谐波小、输出电平多、需要的滤波器电感小等优势而得到广泛应用。
但是，T型三电平逆变器应用在光伏发电系统中，传统模型预测控制假设上侧电容电压和下侧电容电压相等，因此存在着交流侧电流畸变大的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种三电平逆变器的模型预测控制方法及系统，能够提高系统输出波形质量，提高光伏发电系统的安全稳定性和高效率；同时，提出的模型预测控制不需要调制模块，具有计算量小等优势，具有很高的实用价值。
在一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种三电平逆变器的模型预测控制方法，包括：
设定光伏并网逆变器的输出有功电流给定值，无功电流的给定值设置为零；
通过dq/αβ坐标变换，将光伏并网逆变器的输出dq坐标系下的参考电流转换为αβ坐标系下的电流的参考值；
根据三电平逆变器的拓扑结构，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型；
基于所述数学模型，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值；
通过价值函数从有限集空间新型电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，用于控制下一个开关周期中各个开关管的状态，实现三电平逆变器交流侧电流的控制。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种三电平逆变器的模型预测控制系统，包括：
用于设定有功电流给定值和无功电流的给定值的模块；
用于通过dq/αβ坐标变换，将dq坐标系下的参考电流转换为αβ坐标系下的电流的参考值的模块；
用于根据三电平逆变器的拓扑结构，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型的模块；
用于基于所述数学模型，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值的模块；
用于通过价值函数从有限集空间电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，用于控制下一个开关周期中各个开关管的状态，实现三电平逆变器交流侧电流的控制的模块。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行上述的三电平逆变器的模型预测控制方法。
在另一些实施方式中，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行上述的三电平逆变器的模型预测控制方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、新型的模型预测同时解决了交流侧电流畸变和直流侧电压不平衡的问题，实现了交流侧电流畸变和直流侧中点电流不平衡控制的耦合问题。
2、通过直流侧电容不平衡电压计算给定电压矢量，并将给定电压矢量送入到价值函数中，找到最优的电压矢量，避免了小矢量、中矢量、大矢量引起的并网电流谐波大的问题。
3、提出的新型模型预测控制，不需要电流内环和中点平衡控制，简化了价值函数和电流内环设计的复杂性。
附图说明
图1为实施例一中基于三电平逆变器为AC/DC接口变换器的光伏发电系统示意图；
图2为实施例一中T型三电平空间矢量图；
图3为实施例一中三电平逆变器新型模型预测控制框图；
图4为实施例一中基于模型预测控制方法的并网电流波形；
图5为实施例一中基于模型预测控制方法的线电压波形。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中，公开了一种三电平逆变器的模型预测控制方法，本实施例的研究对象为光伏发电系统中T型三电平逆变器。为了使光伏发电机提供尽量多的功率，无特殊说明，本实施例中T型三电平逆变器运行在单位功率因数。
基于三电平逆变器为AC/DC接口变换器的光伏发电系统如图1所示，包括：光伏电池板、三电平并网逆变器和公用电网。
T型三电平逆变器的主电路拓扑包括：滤波器L1；滤波器中的等效电阻为R1；12个开关管Sa1，Sa2，Sa3，Sa4，Sb1，Sb2，Sb3，Sb4，Sc1，Sc2，Sc3，Sc4以及直流侧滤波电容Cp，Cn。关于开关管的驱动策略：每一相中每两个开关管具有相反的开关驱动信号，提高了开关信号的控制精度。
直流侧采用双电池板，每一块电池板都实现最大功率跟踪。
本实施例主要研究三电平并网逆变器部分，三电平逆变器运行在单位功率因数。针对三电平逆变器提出的新型模型预测控制方法，能够解决光伏发电系统效率低、交流侧谐波电流THD大的问题。
交流侧的主要控制对象是系统的交流侧电流。控制目标为：
(1)交流侧电流：实现交流侧电流实际值跟踪给定值；消除交流侧电流畸变大的问题；
交流侧采用新型的模型预测控制，具体过程如如图3所示：
(1)设定电流有功电流的给定id *，为保证T型三电平逆变器以单位功率因数运行，无功电流的给定值iq *设置为零。通过dq/αβ坐标变换得到αβ静止坐标系下的电流参考值。
(2)根据三电平逆变器的拓扑结构特点，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型。进而根据参考电流得到逆变器桥臂输出电压的参考值。
(3)根据目标函数从有限集空间电压矢量中选择一个最优的空间电压矢量，这个最优的空间电压矢量用于控制下一个开关周期中12个开关管状态，实现交流侧电流的控制。
为了实现本实施例提出的新型的模型预测控制方法，需要对T型三电平逆变器的27个空间电压矢量进行分析。
通过研究发现，根据开关状态与电压矢量的关系，发现小矢量、中矢量和大矢量会引起并网电流的增大，因此需要重新计算电压矢量。
通过重新计算电压矢量，能够消除小矢量、中矢量和大矢量引起的交流侧电流畸变问题。
下面对本实施例控制方法进行详细说明。
根据图1的三电平拓扑结构，可得VT型三电平逆变器的KVL电压方程为：
Figure BDA0002157390100000041
其中，L1和R1为光伏并网逆变器的电感和电阻；ia、ib、ic分别为光伏并网发电系统A、B、C三相的并网电流；uu、uv、uw分别为光伏并网发电系统A、B、C三相的电网电压；vaO、vbO、vcO分别为光伏并网发电系统A、B、C三相的输出电压。图4和图5分别给出了并网电流波形和输出线电压波形。
将公式(1)经过3S/2S坐标变换，得到三电平逆变器在αβ坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0002157390100000042
将公式(2)离散化，并考虑采样和控制的延时同时为了进一步简化计算量，离散化模型为：
Figure BDA0002157390100000043
光伏逆变器的输出为有功电流给定值id *，无功电流的给定值iq *设置为零。dq坐标系下的参考电流通过dq/αβ坐标变换，得到αβ坐标系下的电流的参考值
Figure BDA0002157390100000051
为简化计算，令
Figure BDA0002157390100000052
带入到公式(3)得到逆变器输出电压的参考值
Figure BDA0002157390100000053
Figure BDA0002157390100000054
通过价值函数选出与
Figure BDA0002157390100000055
最接近的空间电压矢量vαβ(k+1)，用于控制第(k+1)周期中开关管的状态，实现系统的控制目标。
为了简化计算和权重系数的调节，定义的价值函数为：
Figure BDA0002157390100000056
图1中，定义桥臂输出电压与输出状态关系如下：
Figure BDA0002157390100000057
三电平T型三电平逆变器每相桥臂有三种输出状态P、O、N，所以三相桥臂共有27个空间电压矢量。三相三电平逆变器的空间电压矢量如图2所示。27个空间电压矢量分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。
表Ⅰ逆变器电压矢量
Figure BDA0002157390100000058
Figure BDA0002157390100000061
通过表Ⅰ可以看出有十二个小矢量、六个中矢量、六个大矢量会带来系统电压矢量变化，为了降低电压矢量对输出电流的影响，需要采用新型矢量结合方法。即将式(6)带入到表Ⅰ中，将表Ⅰ对应的电压矢量送入到价值函数中，得到价值函数最小的矢量，并将其输出。
实施例二
在一个或多个实施方式中，公开了一种三电平逆变器的模型预测控制系统，包括：
用于设定有功电流给定值和无功电流的给定值的模块；
用于通过dq/αβ坐标变换，将dq坐标系下的参考电流转换为αβ坐标系下的电流的参考值的模块；
用于根据三电平逆变器的拓扑结构，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型的模块；
用于基于所述数学模型，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值的模块；
用于通过价值函数从有限集空间电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，用于控制下一个开关周期中各个开关管的状态，实现三电平逆变器交流侧电流的控制的模块。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种终端设备，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例一中的三电平逆变器的模型预测控制方法。为了简洁，在此不再赘述。
应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。
实施例一中的三电平逆变器的模型预测控制方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
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)

1.一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，包括：
设定光伏并网逆变器的输出有功电流给定值，无功电流的给定值设置为零；
通过dq/αβ坐标变换，将光伏并网逆变器的输出dq坐标系下的参考电流转换为αβ坐标系下的电流的参考值；
根据三电平逆变器的拓扑结构，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型；
基于所述数学模型，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值；
通过价值函数从有限集空间新型电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，用于控制下一个开关周期中各个开关管的状态，实现三电平逆变器交流侧电流的控制；
通过直流侧电容不平衡电压计算给定电压矢量，并将给定电压矢量送入到价值函数中，找到最优的电压矢量，避免小矢量、中矢量、大矢量引起的并网电流谐波大；
模型预测同时处理交流侧电流畸变和直流侧电压不平衡，实现交流侧电流畸变和直流侧中点电流不平衡控制的耦合；
采用两个输入电压实现逆变功能；
定义桥臂输出电压与输出状态关系如下：
Figure FDA0002652692030000011
其中，vjO(j＝a,b,c)为桥臂输出电压，VP、VN为上侧电容电压和下侧电容电压三电平T型三电平逆变器每相桥臂有三种输出状态P、O、N，
表Ⅰ逆变器电压矢量
Figure FDA0002652692030000012
Figure FDA0002652692030000021
通过表Ⅰ可以看出有十二个小矢量、六个中矢量、六个大矢量会带来系统电压矢量变化，为了降低电压矢量对输出电流的影响，需要采用新型矢量结合方法，即将式
Figure FDA0002652692030000022
带入到表Ⅰ中，将表Ⅰ对应的电压矢量送入到价值函数中，得到价值函数最小的矢量，并将其输出，其中价值函数为
Figure FDA0002652692030000023
通过交流侧电流实际值跟踪给定值消除交流侧电流畸变，通过交流侧采用新型的模型预测控制，去除电流内环和中点平衡控制，简化价值函数和内环电流设置。
2.如权利要求1所述的一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型具体为：
将三电平逆变器的KVL电压方程经过3S/2S坐标变换，得到三电平逆变器在αβ坐标系下的数学模型：
Figure FDA0002652692030000024
其中，L1和R1为光伏并网逆变器的电感和电阻；iα、iβ、uα、uβ、vα、vβ分别为光伏并网发电系统在αβ静止坐标系下的并网电流、电网电压、输出电压。
3.如权利要求2所述的一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，将三电平逆变器在αβ坐标系下的数学模型离散化，得到离散化后的数学模型，具体为：
Figure FDA0002652692030000031
其中，vα(k+1)、vβ(k+1)、uα(k+1)、uβ(k+1)、iα(k+1)、iβ(k+1)分别为光伏并网发电系统在αβ静止坐标系下在(k+1)时刻的输出电压、电网电压和并网电流，Ts为控制周期。
4.如权利要求1所述的一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值，具体为：
Figure FDA0002652692030000032
其中，
Figure FDA0002652692030000033
分别为αβ静止坐标系下逆变器输出电压的参考值，
Figure FDA0002652692030000034
分别为αβ坐标系下的电流参考值。
5.如权利要求1所述的一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，通过价值函数从有限集空间电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，具体为：
定义桥臂输出电压与输出状态关系：
Figure FDA0002652692030000035
其中，vjO(j＝a,b,c)为桥臂输出电压，VP、VN为上侧电容电压和下侧电容电压，
三电平逆变器每相桥臂有三种输出状态P、O、N，所以三相桥臂共有27个空间电压矢量，得到逆变器新型电压矢量表；
将桥臂输出电压与输出状态关系与逆变器新型电压矢量表进行匹配，将匹配出的电压矢量送入到价值函数中，得到使得价值函数最小的矢量，即为与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量。
6.如权利要求5所述的一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，所述价值函数具体为：
Figure FDA0002652692030000036
7.如权利要求1所述的一种三电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于，三电平逆变器每相桥臂中每两个开关管具有相反的开关驱动信号。
8.一种三电平逆变器的模型预测控制系统，其特征在于，包括：
用于设定有功电流给定值和无功电流的给定值的模块；
用于通过dq/αβ坐标变换，将dq坐标系下的参考电流转换为αβ坐标系下的电流的参考值的模块；
用于根据三电平逆变器的拓扑结构，得到三电平逆变器在αβ静止坐标系下的数学模型的模块；
用于基于所述数学模型，根据αβ坐标系下的电流的参考值得到逆变器桥臂输出电压的参考值的模块；
用于通过价值函数从有限集空间电压矢量中选出与逆变器桥臂输出电压参考值最接近的空间电压矢量，用于控制下一个开关周期中各个开关管的状态，实现三电平逆变器交流侧电流的控制的模块。
9.一种终端设备，其包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，其特征在于，所述指令适于由处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的三电平逆变器的模型预测控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，其特征在于，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行权利要求1-7任一项所述的三电平逆变器的模型预测控制方法。
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