CN110768287A - 一种anpc五电平逆变器及其模型预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括八个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极、负极和中点，另外四个串联的IGBT连接到一、三IGBT管的输出，各桥臂的输入端连接直流电压源，该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，与传统PI控制方法相比，新型模型预测控制不需要调节PI参数和正负序分离，控制简单，计算量大大减少，便于DSP实现，针对五电平光伏并网逆变器存在的漏电流问题，选择零共模电压矢量，能够完全消除漏电流，针对五电平ANPC逆变器存在的中点电位不平衡问题，选择冗余开关，实现中点电位平衡控制，实现飞跨电容相等控制，可以应用于光伏发电系统等可再生能源发电领域。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，具体为一种ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法。
背景技术
与传统两电平逆变器相比，五电平逆变器具有开关损耗小和输出并网波形质量好的优点，在光伏发电系统中得到广泛应用。其中，五电平有源箝位逆变器由于控制简单是应用最多的一种五电平逆变拓扑。而且，随着光伏发电大量接入电网，对并网波形要求也逐渐提高，五电平有源箝位逆变器由于具有波形质量好的优点成为光伏发电系统的新宠。但是，五电平有源箝位逆变器并网控制需要调节大量的PI参数。而且由于五电平存在125个矢量，传统的空间矢量调制方法计算量复杂。为了解决上述问题，亟需提出一种新型模型预测控制方法，实现五电平逆变器并网控制。
非隔离光伏并网逆变器虽然具有成本低和效率高的优点，但是由于光伏电池板和大地之间寄生电容的存在，系统会产生漏电流，如果接入电网，会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，对电网内的设备运行产生影响；漏电流还可能使逆变器外壳带电，会对人身安全构成威胁。传统方法采用硬件实现漏电流抑制，但是该方法会增加系统成本，因此，需要从控制方面实现漏电流的抑制。
和三电平有源箝位逆变器一样，有源中点箝位(ANPC)五电平逆变器也存在中点电位不平衡问题，传统方法在价值函数中抑制中点电位不平衡，但是系统中需要调节权重系数。为了解决上述问题，需要提出一种新型方法实现中点电位平衡控制。
ANPC五电平逆变器会存在飞跨电容不相等的情况，传统方法是将其送入到价值函数中，该方法也需要调节权重系数，而且和中点电位不平衡控制相互耦合，参数难以调节，需要提出一种新型模型预测控制方法实现飞跨电容控制。
因此，研究一种ANPC五电平逆变器漏电流、中点不平衡和飞跨电容不相等抑制方法具有重要意义。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，根据五电平光伏并网逆变器的模型，计算得到静止坐标系下的电压模型，实现并网电流准确跟踪，和传统方法相比，不需要正负序分离，而且该方法能够完全消除并网发电系统的漏电流，针对五电平并网逆变器存在中点电位不平衡问题，根据直流侧电容偏差，通过选择相应的冗余开关，实现五电平逆变器的中点电位平衡控制，并针对五电平逆变器存在的飞跨电容电压不相等情况，根据冗余开关发明抑制飞跨电容电压不相等。
本发明具有中点电位控制、飞跨电容平衡控制和并网电流跟踪控制的功能，能够使ANPC高效稳定工作。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种ANPC五电平逆变器，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括八个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极、负极和中点，另外四个串联的IGBT连接到一、三IGBT管的输出，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作。
优选的，输入直流电源连接两个分压电容，两个电容的中点与五电平逆变器的中点相连接。
优选的，滤波器为三相L滤波电路。
优选的，滤波器为三相L滤波电路、驱动电路、信号采样及调理电路，DSP芯片负责电压和电流信号采样、模型计算，CPLD用于分配PWM信号，传递给驱动电路驱动五电平逆变器，完成控制目标。
优选的，所述采样直流侧分压电容的电压、飞跨电容电压、逆变器三相输出电流、三相输出电压，经信号调理电路后输入DSP控制器的AD转换模块。
本发明还公开了一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一、根据五电平逆变器的模型，建立五电平光伏逆变器在abc坐标系的等效关系式。
步骤二、采用clarke变换，得到五电平光伏逆变器在αβ坐标系下等效关系式，然后求出电压矢量的表达式。五电平光伏逆变器存在漏电流问题，模型预测控制只使用零共模电压矢量，从而消除五电平光伏并网逆变器漏电流。
步骤三、五电平光伏并网逆变器存在中点电位不平衡问题，根据直流侧上电容电压、下电容电压，将上侧电容电压和下侧电容电压的差值和0比较，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。
步骤四、五电平光伏并网逆变器飞跨电容存在不平衡问题，根据飞跨电容的值，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。
步骤五、根据飞跨电容和中点电位不平衡的差值，选择相应的开关函数，实现两种情况解耦。
步骤六、各个矢量的输出生成PWM信号，经驱动电路控制IGBT的开通或关断。
优选的，所述步骤一中，首先检测电网电压和并网电流，根据基尔霍夫定律得到ANPC五电平逆变器系统的模型表达式。
优选的，所述步骤二中，为了计算简单，对abc轴的电压和电流采用clarke变换，得到ANPC五电平逆变器在αβ坐标系等效关系式，根据α轴和β轴的电流表达式，求出α轴和β轴的电压矢量表达式，将α轴和β轴的电压矢量和给定电压矢量送入到价值函数中，为了消除光伏并网逆变器漏电流，给定电压矢量需要选择零共模电压的19矢量，得到最优的电压矢量。
优选的，所述步骤三中，为了实现中点平衡控制，并将最优的电压矢量送入到开关函数中，选择相应的开关，实现中点电位平衡控制。
优选的，所述步骤四中，为了解决五电平光伏并网逆变器的飞跨电容不平衡问题，将最优的电压矢量送入到开关函数中，选择相应的开关，实现飞跨电容平衡控制。
优选的，所述步骤五中，根据电容电压差值和飞跨电容不平衡值，选择相应的开关输出，实现中点电位和飞跨电容平衡控制。
优选的，所述步骤六中，由开关状态确定IGBT的PWM信号。
(三)有益效果
本发明提供了一种ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法。
具备以下有益效果：
(1)、该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，与传统PI控制方法相比，新型模型预测控制不需要调节PI参数和正负序分离，控制简单。
(2)、该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，将α和β轴电压矢量和给定矢量送入到价值函数中，计算量大大减少，便于DSP实现。
(3)、该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，针对五电平光伏并网逆变器存在的漏电流问题，选择零共模电压矢量，能够完全消除漏电流。
(4)、该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，针对五电平ANPC逆变器存在的中点电位不平衡问题，选择冗余开关，实现中点电位平衡控制。
(5)、该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，针对五电平ANPC逆变器存在的飞跨电容不相等情况，选择冗余开关，实现飞跨电容相等控制。
(6)、该ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，五电平ANPC逆变器具有开关损耗少和输出波形质量高的优点，可以应用于光伏发电系统等可再生能源发电领域。
附图说明
图1为ANPC五电平逆变器系统的电路结构示意图；
图2为本发明的模型预测控制图；
图3为本发明所用空间矢量图；
图4为本发明的控制框图。
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。
本发明实施例提供一种ANPC五电平逆变器及其模型预测控制方法，如图1-4所示，包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括八个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极、负极和中点，另外四个串联的IGBT连接到一、三IGBT管的输出，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作。
以A相桥臂为例，当功率器件Sa5、Sa6、Sa7和Sa8导通时，uAO＝-Vdc/2；当功率器件Sx5,Sx6,Sx7,Sx4导通时，uAO＝-Vdc/4；当功率器件Sx5,Sx6,Sx3,Sx8导通时，uAO＝-Vdc/4；当功率器件Sx5,Sx6,Sx3,Sx4导通时，uAO＝0；当功率器件Sx5,Sx6,Sx7,Sx8导通时，uAO＝0；当功率器件Sx1,Sx2,Sx7,Sx4导通时，uAO＝Vdc/4；当功率器件Sx1,Sx2,Sx3,Sx8导通时，uAO＝Vdc/4；当功率器件Sx1,Sx2,Sx3,Sx4导通时，uAO＝Vdc/2。
ANPC五电平逆变器每相桥臂的开关状态及输出电压(x＝a,b,c)
| 状态 | 导通IGBT | 输出电压 | icx | io |
| -2 | S<sub>x5</sub>,S<sub>x6</sub>,S<sub>x7</sub>,S<sub>x8</sub> | -V<sub>dc</sub>/2 | 0 | 0 |
| -1 | S<sub>x5</sub>,S<sub>x6</sub>,S<sub>x7</sub>,S<sub>x4</sub> | -V<sub>dc</sub>/4 | -i<sub>x</sub> | 0 |
| -1 | S<sub>x5</sub>,S<sub>x6</sub>,S<sub>x3</sub>,S<sub>x8</sub> | -V<sub>dc</sub>/4 | i<sub>x</sub> | i<sub>x</sub> |
| 0 | S<sub>x5</sub>,S<sub>x6</sub>,S<sub>x3</sub>,S<sub>x4</sub> | 0 | 0 | i<sub>x</sub> |
| 0 | S<sub>x5</sub>,S<sub>x6</sub>,S<sub>x7</sub>,S<sub>x8</sub> | 0 | 0 | i<sub>x</sub> |
| 1 | S<sub>x1</sub>,S<sub>x2</sub>,S<sub>x7</sub>,S<sub>x4</sub> | V<sub>dc</sub>/4 | -i<sub>x</sub> | i<sub>x</sub> |
| 1 | S<sub>x1</sub>,S<sub>x2</sub>,S<sub>x3</sub>,S<sub>x8</sub> | V<sub>dc</sub>/4 | i<sub>x</sub> | 0 |
| 2 | S<sub>x1</sub>,S<sub>x2</sub>,S<sub>x3</sub>,S<sub>x4</sub> | V<sub>dc</sub>/2 | 0 | 0 |
本发明中，输入直流电源连接两个分压电容，两个电容的中点与五电平逆变器的中点相连接。
本发明中，滤波器为三相L滤波电路。
本发明中，滤波器为三相L滤波电路、驱动电路、信号采样及调理电路，DSP芯片负责电压和电流信号采样、模型计算，CPLD用于分配PWM信号，传递给驱动电路驱动五电平逆变器，完成控制目标。
本发明中，所述采样直流侧分压电容的电压、飞跨电容电压、逆变器三相输出电流、三相输出电压，经信号调理电路后输入DSP控制器的AD转换模块。
本发明还公开了一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，具体包括以下步骤：
步骤一、根据五电平逆变器的模型，建立五电平光伏逆变器在abc坐标系的等效关系式。
步骤二、采用clarke变换，得到五电平光伏逆变器在αβ坐标系下等效关系式，然后求出电压矢量的表达式，五电平光伏逆变器存在漏电流问题，模型预测控制只使用零共模电压矢量，从而消除五电平光伏并网逆变器漏电流。
步骤三、五电平光伏并网逆变器存在中点电位不平衡问题，根据直流侧上电容电压、下电容电压，将上侧电容电压和下侧电容电压的差值和0比较，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。
步骤四、五电平光伏并网逆变器飞跨电容存在不平衡问题，根据飞跨电容的值，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。
步骤五、根据飞跨电容和中点电位不平衡的差值，选择相应的开关函数，实现两种情况解耦。
步骤六、各个矢量的输出生成PWM信号，经驱动电路控制IGBT的开通或关断。
本发明中，所述步骤一中，首先检测电网电压和并网电流，根据基尔霍夫定律得到ANPC五电平逆变器系统的模型表达式。
本发明中，所述步骤二中，为了计算简单，对abc轴的电压和电流采用clarke变换，得到ANPC五电平逆变器在αβ坐标系等效关系式，根据α轴和β轴的电流表达式，求出α轴和β轴的电压矢量表达式，将α轴和β轴的电压矢量和给定电压矢量送入到价值函数中，为了消除光伏并网逆变器漏电流，给定电压矢量需要选择零共模电压的19矢量，得到最优的电压矢量。
本发明中，所述步骤三中，为了实现中点平衡控制，并将最优的电压矢量送入到开关函数中，选择相应的开关，实现中点电位平衡控制。
本发明中，所述步骤四中，为了解决五电平光伏并网逆变器的飞跨电容不平衡问题，将最优的电压矢量送入到开关函数中，选择相应的开关，实现飞跨电容平衡控制。
本发明中，所述步骤五中，根据电容电压差值和飞跨电容不平衡值，选择相应的开关输出，实现中点电位和飞跨电容平衡控制。
本发明中，所述步骤六中，由开关状态确定IGBT的PWM信号。
采用Clarke变换，ANPC五电平逆变器的数学模型能够表示为：
五电平逆变器的输出电压能够表示为：
uxj＝SxVpn/4(x＝a,b,c；j＝1,2)
(2)
式中：Sk是开关函数，能够表示为：
为了实现ANPC五电平逆变器的有限集模型预测控制，式(1)离散化为：
式中Ts是采样时间。
从式(1)到(4)能够得到电流的表达式为：
有限集模型预测控制，需要考虑延迟，因此式(5)能够表示为：
式中eαj(k+1)和eβj(k+1)能够表示为
eα(k+1)＝3eα(k)-3eα(k-1)+eα(k-2)
eβ(k+1)＝3eβ(k)-3eβ(k-1)+eβ(k-2)
(7)
为了减少计算量，式(6)可以转化为：
针对五电平光伏并网逆变器存在的漏电流问题，选择零共模电压矢量和式(8)的矢量送到价值函数中，价值函数为：
g(k)＝|uα(k+1)-uα|+|uβ(k+1)-uβ|
(9)
该方法能够完全消除漏电流。
针对五电平ANPC逆变器存在的中点电位不平衡问题，式(9)选择到矢量中，通过选择冗余开关实现中点电位平衡控制；
同理，针对五电平ANPC逆变器存在的飞跨电容不相等情况，式(9)选择到矢量中，选择冗余开关实现飞跨电容相等控制。
而且飞跨电容和中点电位不平衡存在耦合问题，根据飞跨电容和中点电位不平衡的差值，选择相应的开关函数，实现两种情况解耦。
采用本发明提出的模型预测控制方法可以实现ANPC五电平逆变器的并网、漏电流、中点电位平衡控制和飞跨电容相等控制等功能。采用clarke变换，得到五电平光伏逆变器在αβ坐标系下等效关系式。然后求出电压矢量的表达式。五电平光伏逆变器存在漏电流问题，模型预测控制只使用零共模电压矢量，从而消除五电平光伏并网逆变器漏电流。并针对五电平光伏并网逆变器存在中点电位不平衡问题，根据直流侧上电容电压、下电容电压，将上侧电容电压和下侧电容电压的差值和0比较，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。五电平光伏并网逆变器飞跨电容存在不平衡问题，根据飞跨电容的值，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。根据飞跨电容和中点电位不平衡的差值，选择相应的开关函数，实现两种情况解耦。在大容量光伏发电系统等可再生能源发电领域应用前景广阔。
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。
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 (10)
1.一种ANPC五电平逆变器，其特征在于：包括并联的三相桥臂，每相桥臂包括八个IGBT，其中四个串联的IGBT连接直流母线的正极、负极和中点，另外四个串联的IGBT连接到一、三IGBT管的输出，各桥臂的输入端连接直流电压源，中点连接至直流侧分压电容的中点O，各个IGBT由驱动电路控制其开关动作。
2.根据权利要求1所述的一种ANPC五电平逆变器，其特征在于：输入直流电源连接两个分压电容，两个电容的中点与五电平逆变器的中点相连接。
3.根据权利要求1所述的一种ANPC五电平逆变器，其特征在于：滤波器为三相L滤波电路。
4.根据权利要求1所述的一种ANPC五电平逆变器，其特征在于：滤波器为三相L滤波电路、驱动电路、信号采样及调理电路，DSP芯片负责电压和电流信号采样、模型计算，CPLD用于分配PWM信号，传递给驱动电路驱动五电平逆变器，完成控制目标。
5.根据权利要求1所述的一种ANPC五电平逆变器，其特征在于：所述采样直流侧分压电容的电压、飞跨电容电压、逆变器三相输出电流、三相输出电压，经信号调理电路后输入DSP控制器的AD转换模块。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、根据五电平逆变器的模型，建立五电平光伏逆变器在abc坐标系的等效关系式。
步骤二、采用clarke变换，得到五电平光伏逆变器在αβ坐标系下等效关系式，然后求出电压矢量的表达式。五电平光伏逆变器存在漏电流问题，模型预测控制只使用零共模电压矢量，从而消除五电平光伏并网逆变器漏电流。
步骤三、五电平光伏并网逆变器存在中点电位不平衡问题，根据直流侧上电容电压、下电容电压，将上侧电容电压和下侧电容电压的差值和0比较，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。
步骤四、五电平光伏并网逆变器飞跨电容存在不平衡问题，根据飞跨电容的值，选择相应的开关函数，实现中点电位平衡控制。
步骤五、根据飞跨电容和中点电位不平衡的差值，选择相应的开关函数，实现两种情况解耦。
步骤六、各个矢量的输出生成PWM信号，经驱动电路控制IGBT的开通或关断。
7.根据权利要求6所述的一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤一中，首先检测电网电压和并网电流，根据基尔霍夫定律得到ANPC五电平逆变器系统的模型表达式。
8.根据权利要求6所述的一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤二中，为了计算简单，对abc轴的电压和电流采用clarke变换，得到ANPC五电平逆变器在αβ坐标系等效关系式，根据α轴和β轴的电流表达式，求出α轴和β轴的电压矢量表达式，将α轴和β轴的电压矢量和给定电压矢量送入到价值函数中，为了消除光伏并网逆变器漏电流，给定电压矢量需要选择零共模电压的19矢量，得到最优的电压矢量。
9.根据权利要求6所述的一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤三中，为了实现中点平衡控制，并将最优的电压矢量送入到开关函数中，选择相应的开关，实现中点电位平衡控制。
10.根据权利要求6所述的一种ANPC五电平逆变器的模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤四中，为了解决五电平光伏并网逆变器的飞跨电容不平衡问题，将最优的电压矢量送入到开关函数中，选择相应的开关，实现飞跨电容平衡控制；
所述步骤五中，根据电容电压差值和飞跨电容不平衡值，选择相应的开关输出，实现中点电位和飞跨电容平衡控制；
所述步骤六中，由开关状态确定IGBT的PWM信号。
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| CN113078820A (zh) * | 2021-03-05 | 2021-07-06 | 华中科技大学 | 九开关管五电平有源中性点钳位双有源桥隔离dc-dc变换器 |
| WO2022011520A1 (zh) * | 2020-07-13 | 2022-01-20 | 华为数字能源技术有限公司 | 逆变器共模电压注入控制方法及装置 |
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2019
- 2019-07-04 CN CN201910602480.1A patent/CN110768287A/zh active Pending
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