CN110829466A - 组合开关状态的npc三电平模型预测不平衡治理方法 - Google Patents

组合开关状态的npc三电平模型预测不平衡治理方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，解决了三相四线制NPC三电平不平衡补偿装置中点电压均衡会导致零序电流补偿不足的问题；分析不同类电压矢量开关状态零序电流补偿与中点电压均衡的关系，选择出满足零序电流补偿和中点电压平衡的全零矢量、短矢量和中矢量13个开关状态作为最优的组合开关状态；根据最优的组合开关状态计算价值函数值，并将最小的价值函数值对应的开关状态设为最优开关状态，控制NPC三电平的正确动作，输出补偿电流，治理三相不平衡。本发明使用了较少的电压矢量，降低运算次数和复杂性，减少开关状态损耗，保证中点电压均衡与零序电流补偿能力，适用于三相四线制中低压配电网不平衡治理。

Description

组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法
技术领域
本发明涉及三相不平衡技术领域，特别是指一种组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法。
背景技术
配电网负荷具有复杂性和多样性的特点，特别是非线性负载和不平衡负载接入配电网，所产生的负序、零序电流，无功不足和谐波电流严重影响了电力网络和一、二次设备的安全运行，电能质量恶化的影响越来越受到国内外专家学者的关注。电能质量问题的治理成为当今时代电力科学研究的一个热点。
三相不平衡是我国三相四线制配电网面临的主要问题。国家电网公司《国网运检部关于开展配电台区三相负荷不平衡问题治理工作的通知》(运检三〔2017〕68号)文件中，明确了三相不平衡的治理范围。不平衡度是衡量三相不平衡的标准，而负序分量与正序分量均方根比值就是不平衡度。配电网中存在负序分量和零序分量会导致严重问题：1)中线电流过大；2)功率因数低；3)由于线损的增加导致电能传输效率低；4)接入电网的电机和变压器过热；5)视在功率需求增加。
目前三相不平衡的治理方法方案主要分三类：一是配电网结构升级改造；二是自动换相；三是电力电子装置消除负序和零序分量。配电网升级改造工期长，仅能减弱网架结构等技术原因导致的三相不平衡，无法解决后期管理不善和现场施工多变因素引起的三相负荷不均匀问题。自动换相不能适用于大规模的治理，用户负荷是时变的，频繁换相引起操作过电压，配电网无法安全稳定运行，应用范围仍较小。相比较而言，电力电子装置治理三相不平衡是目前为止较为切实可行的方案。
电力电子装置通过特殊的电路结构可以消除电流不平衡分量，文献[Mohd A,Ortjohann E,Hamsic N et al.Control Strategy and Space Vector Modulation forThree-leg Four-wire Voltage Source Inverters under Unbalanced Load Conditions[J].IET Power Electronics,3(3).323-333,(2010).]、文献[Vechiu L,Curea O,Camblong H.Transient Operation of a Four-Leg Inverter for AutonomousApplications With Unbalanced Load[J].IEEE Transactions on Power Electronics,25(2).399-407,(2010).]和文献[Vechiu L,Camblong H,Tapia G et al.Control ofFour Leg Inverter for Hybrid Power System Applications with Unbalanced Load[J].Energy Conversion and Management,48(7).2119-2128,(2007).]提出使用四桥臂结构控制不平衡负载中点电流。文献[M.K.Mishra,A.Ghosh,A.Joshi andH.M.Suryawanshi,"A novel method of Load compensation under unbalanced andDistorted voltages,"IEEE Transactions on Power Delivery,vol.22,no.01,pp.288-294,2007.]提出负载三角型连接和变换器星型连接能够消除零序分量。文献[Z.Zhang,Y.Liu and H.Guan,"Unbalance Loads Compensation With STATCOM Based on PRController and Notch Filter,"2018 10th International Conference on Modelling,Identification and Control(ICMIC),Guiyang,2018,pp.1-6.]提出使用PI控制的两电平结构变流器主动消除负序分量。这些方法都只是消除某种特定结构下的不平衡分量且控制方法动态性能较差。
文献[W.Lyu et al.,"A Novel Three Phase Unbalance Detection andCompensation method of Active Power Filter,"2018Chinese Automation Congress(CAC),Xi'an,China,2018,pp.418-422.]提出一种改进ip-iq补偿电流检测方法，采用三电平中点钳位变流器结构消除三相不平衡。文献[P.Wang,W.Cao,K.Liu and J.Zhao,"AnUnbalanced Component Detection Method and Compensation Strategy Based onSecond-Order Generalized Integrator(SOGI),"2019IEEE Power and EnergyConference at Illinois(PECI),Champaign,IL,USA,2019,pp.1-6.]研究新的补偿参考电流算法和不平衡治理策略，然而上述文献均未解决三相四线制系统下中点电压均衡影响零序电流补偿的问题。
文献[赵荔,魏应冬,姜齐荣,等.基于容量限幅的三相四线制DSTATCOM不平衡补偿策略[J].电工电能新技术,2019,38(06):8-15.]提出容量限幅情况下的不平衡补偿策略，优先补偿零序电流，最大程度补偿负序电流，但是通用的配电网静止同步补偿器(DSTATCOM)结构老旧，仍未涉及解决零序补偿与直流侧电容电压均衡相互影响问题。文献[张国荣,周同路,李讯.准PR控制的三电平逆变器及中点平衡策略[J].电测与仪表,2016,53(05):1-6.]提出准PR控制的三电平逆变器及中点平衡策略，使用1个零矢量、6个中矢量和6个大矢量来合成参考矢量控制中点电压平衡，但该研究仅适用于三相三线制系统无零序电流补偿的中点电压均衡控制。
发明内容
针对三电平结构零序电流补偿和中点电压均衡相互影响的技术问题，本发明提出了一种组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，分析不同类电压矢量开关状态零序电流补偿与中点电压均衡的关系，并根据各类开关状态补偿零序电流能力，组合全零矢量、短矢量和中矢量13种开关状态进行模型预测不平衡治理，适用于三相四线制中低压配网，能够解决三电平结构零序电流补偿和中点电压均衡相互影响的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其步骤如下：
S1、定义NPC三电平模型中三相四线制的开关状态Sa、Sb、Sc，根据开关状态Sa、Sb、Sc得到NPC三电平的27个电压矢量Vi(SaSbSc)，其中，i＝1,2,…,27，开关状态Sa、Sb、Sc等于1或0或-1；
S2、利用电流互感器采集k时刻的NPC三电平的三相输出电流，将三相输出电流经Clark变换后输入模型预测中得到k+1时刻的预测电流I(k+1)，并根据NPC三电平输出电压与步骤S1中的开关状态的关系计算k+1时刻的预测电流I(k+1)，预测电流I(k+1)经Clark逆变换后得到k+1时刻的预测电流I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)；
S3、根据不同类开关状态的零序电流补偿能力与中点电压均衡的耦合关系，选择出满足零序电流补偿和中点电压平衡的13个开关状态作为最优的组合开关状态；
S4、利用电压互感器PT分别采集k时刻的负载三相电压和电容C1与电容C2的电压差△U(k)，将负载三相电压输入基波电压正序检测器，输出基波正序电压；
S5、利用电流互感器CT分别采集k时刻的不平衡电流和NPC三电平的三相输出电流，将不平衡电流和步骤S4中的基波正序电压输入不平衡电流补偿模块，输出k+1时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)；
S6、根据步骤S2中的预测电流I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)和步骤S3中的最优的组合开关状态计算k+1时刻的电容C1与电容C2的电压差△U(k+1)；
S7、根据步骤S6中的电压差△U(k+1)、步骤S2中的预测电流I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)和步骤S5中的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)预测k+1时刻的价值函数值，并将最小的价值函数值对应的开关状态设为最优开关状态，控制NPC三电平的正确动作，输出补偿电流，治理三相不平衡。
所述步骤S1中NPC三电平的27个电压矢量Vi(SaSbSc)的获得方法为：
Sa＝1表示a相所处电平状态为正电平，Sa＝0表示a相所处电平状态为零电平，Sa＝-1表示a相所处电平状态为负电平；
Sb＝1表示b相所处电平状态为正电平，Sb＝0表示b相所处电平状态为零电平，Sb＝-1表示b相所处电平状态为负电平；
Sc＝1表示c相所处电平状态为正电平，Sc＝0表示c相所处电平状态为零电平，Sc＝-1表示c相所处电平状态为负电平；
假设NPC三电平直流侧电压为Udc，则27个电压矢量对应的幅值大小分别为2Udc、
Figure BDA0002259650660000031
Udc和0，根据电压矢量对应的幅值大小不同，将电压矢量分为幅值为2Udc的长矢量、幅值为的中矢量、幅值为Udc的短矢量和幅值为0的零矢量，其中，长矢量包括6个电压矢量，中矢量包括6个电压矢量，短矢量包括12个电压矢量，零矢量包括3个电压矢量，12个电压矢量分为6个含有一个零电平短矢量，6个含有两个零电平短矢量。
所述步骤S2中将三相输出电流经Clark变换后输入模型预测中得到k+1时刻的预测电流I(k+1)为：
Figure BDA0002259650660000041
其中，U(k+1)为k+1时刻的NPC三电平输出电压，E(k+1)为k+1时刻的电网电压，R为电阻，L为电感，Ts为采样周期；
所述步骤S2中根据NPC三电平输出电压与步骤S1中的开关状态的关系计算k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)的方法为：
S21、计算NPC三电平的单相输出电压和开关状态的关系：
Figure BDA0002259650660000042
其中，UaO、UbO、UcO分别为a相、b相、c相的输出电压，Udc为NPC三电平直流侧电压；
S22、根据叠加原理，假设NPC三电平输出零序电压和电网零序电压作用于线路阻抗产生零序电流，恒功率条件下，NPC三电平输出零序电压U0和电网零序电压E0分别为：
Figure BDA0002259650660000043
Figure BDA0002259650660000044
其中，Ea、Eb、Ec分别为a相、b相、c相的电网电压；
S23、将NPC三电平输出零序电压U0和电网零序电压E0模型预测中，得到k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)：
Figure BDA0002259650660000045
其中，U0(k+1)为k+1时刻的NPC三电平输出零序电压，E0(k+1)为k+1时刻的电网零序电压。
所述最优的组合开关状态的选择方法为：
根据步骤S23中的零序预测电流可知：长矢量对应的零电平个数为0，a相、b相和c相零序电流分量同时影响中点电压平衡；中矢量对应的零电平个数为1，a相、b相和c相中的其中两相零序电流分量影响中点电压平衡；短矢量对应的零电平个数分别1或2，当零电平个数为1时，a相、b相和c相中的其中两相零序电流分量影响中点电压平衡，当零电平个数为2时，a相、b相和c相中的其中一相零序电流分量影响中点电压平衡；零矢量对应的零电平个数为3，a相、b相和c相零序电流分量均不影响中点电压平衡；
计算NPC三电平输出零序电压：
Figure BDA0002259650660000051
不同类的开关状态对应的零序电压分别为：长矢量对应的零序电压均为
Figure BDA0002259650660000052
中矢量对应的零序电压均为0，一个零电平短矢量对应的零序电压均为两个零电平短矢量对应的零序电压均为
Figure BDA0002259650660000054
全零矢量对应的零序电压均为0；
根据不同类开关状态下的零序电流与中点电压的关系以及零序电压输出关系，选择中矢量、一个零电平短矢量和全零(0,0,0)矢量对应的13种开关状态作为最优的组合开关状态。
所述步骤S5中将不平衡电流和步骤S4中的基波正序电压输入不平衡电流补偿模块，输出k时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)的方法为：将不平衡电流经Clark变换后与基波正序电压结合，计算k时刻的参考电流Irefα(k)、Irefβ(k)、Iref0(k)，参考电流Irefα(k)、Irefβ(k)、Iref0(k)经过Clark逆变换得到k时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)。
根据权利要求1或5所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述k+1时刻的电容C1与电容C2的电压差△U(k+1)为：
Figure BDA0002259650660000055
其中，I′0(k+1)＝In(k+1)+I0w(k+1)为影响中点电压平衡的电流，In(k+1)＝-I′a(k+1)-I′b(k+1)-I′c(k+1)为零序电流，I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)均为k+1时刻的预测电流，I0w(k+1)＝SZa*I′a(k+1)+SZb*I′b(k+1)+SZc*I′c(k+1)为NPC三电平内部中点电流，且K为a相或b相或c相。
所述k+1时刻的价值函数值为：
g＝|Irefa(k)-I′a(k+1)|+|Irefb(k)-I′b(k+1)|+|Irefc-I′c(k+1)|+λ|△U(k+1)|，
其中，λ是中点电压平衡权重系数。
本技术方案能产生的有益效果：本发明深入分析三相四线制三电平NPC补偿装置零序电流补偿和中点平衡耦合关系，分类分组研究27个电压矢量零序电流补偿能力和零序电流对中点电压影响以及NPC输出电压矢量幅值，组合中矢量、一个零电平短矢量、全零矢量13种开关状态进行模型预测不平衡治理，使用了较少的电压矢量，降低运算次数和复杂性，减少开关状态损耗，保证中点电压均衡与零序电流补偿，适用于三相四线制中低压配电网不平衡治理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为基于NPC三电平进行三相四线制三相不平衡的拓扑结构图；
图2为本发明的控制框图；
图3为本发明的NPC三电平输出电压空间矢量图；
图4为本发明的长矢量下零序电流对上下电容电压的影响图；
图5为本发明的中矢量下零序电流对上下电容电压的影响图；
图6为本发明的一个零电平短矢量下零序电流对上下电容电压的影响图；
图7为本发明的两个零电平短矢量下零序电流对上下电容电压的影响图；
图8为本发明的NPC三电平三相四线制并网结构图；
图9为本发明中组合1状态下中点电压平衡波形图；
图10为本发明中组合1状态下零序电流平衡波形图；
图11为本发明中组合2状态下中点电压平衡波形图；
图12为本发明中组合2状态下零序电流平衡波形图；
图13为本发明中组合3状态下中点电压平衡波形图；
图14为本发明中组合3状态下零序电流平衡波形图；
图15为本发明不平衡治理前三相电流不平衡度；
图16为本发明不平衡治理前三相电流波形；
图17为本发明不平衡治理后三相电流不平衡度；
图18为本发明不平衡治理后三相电流波形。
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付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。
为了完成本发明的设计任务，首先对NPC三电平的不平衡治理装置进行论述，基于NPC三电平进行三相四线制三相不平衡的拓扑结构如图1所示。
在三相四线制中低压配网中，三相不平衡主要体现为电流不平衡。首先检测负载的三相电流，基于瞬时功率理论过滤出基波正序电流以外的电流作为补偿电流Icom注入电网，补偿后的电网电流为：
Isys＝Iload-Icom (1)，
其中，Icom为补偿电流、Isys为网侧电流、Iload为负载电流。
SKN表示K相第N个IGBT开关状态，其中，1代表开关闭合，0代表开关断开，K＝a、b、c，N＝1、2、3、4，NPC三电平的开关状态与输出电压关系为：
当SK1＝1，SK2＝1，SK3＝0，SK4＝0，相对O点电压为Udc/2，是正电平开关状态SP，用+表示。
当SK1＝0，SK2＝1，SK3＝1，SK4＝0，相对O点电压为0，是零电平开关状态SZ，用0表示。
当SK1＝0，SK2＝0，SK3＝1，SK4＝1，相对O点电压为-Udc/2，是负电平开关状态SN，用-表示。
定义开关变量SK代表某相所处电平状态：
Figure BDA0002259650660000071
如图2所示，本发明实施例提供了一种组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，通过电压互感器PT采集负载三相电压送入基波电压正序检测器，输出基波正序电压；通过电流互感器CT采集的不平衡电流与基波正序电压作为输入量，基于瞬时功率理论计算补偿电流Iref；模型预测控制模块预测k+1时刻不同开关状态下补偿电流Icom和上下电容中点电压差值，并通过价值函数选择最优开关状态，输出开关信号控制12个开关管正确动作，具体步骤如下：
S1、定义NPC三电平模型中三相四线制的开关状态Sa、Sb、Sc，根据开关状态Sa、Sb、Sc得到NPC三电平的27个电压矢量Vi(SaSbSc)，其中，i＝1,2,…,27，开关状态Sa、Sb、Sc等于1或0或-1。
Sa＝1表示a相所处电平状态为正电平，Sa＝0表示a相所处电平状态为零电平，Sa＝-1表示a相所处电平状态为负电平；
Sb＝1表示b相所处电平状态为正电平，Sb＝0表示b相所处电平状态为零电平，Sb＝-1表示b相所处电平状态为负电平；
Sc＝1表示c相所处电平状态为正电平，Sc＝0表示c相所处电平状态为零电平，Sc＝-1表示c相所处电平状态为负电平。
如图3所示，假设NPC三电平直流侧电压为Udc，则27个电压矢量对应的幅值大小分别为2Udc、
Figure BDA0002259650660000081
Udc和0，根据电压矢量对应的幅值大小不同，将电压矢量分为幅值为2Udc的长矢量、幅值为
Figure BDA0002259650660000082
的中矢量、幅值为Udc的短矢量和幅值为0的零矢量。长矢量是指最外层圆环上的6个电压矢量，幅值为2Udc；中矢量是指中间圆环上的6个电压矢量，幅值为
Figure BDA0002259650660000083
短矢量最内层圆环上的12个电压矢量，包括6个含有一个零电平短矢量，6个含有两个零电平短矢量，幅值均为Udc；零矢量圆心上的3个电压矢量，幅值为0。
S2、利用电流互感器采集k时刻的NPC三电平的三相输出电流，将三相输出电流经Clark变换后输入模型预测中得到k+1时刻的预测电流I(k+1)，并根据NPC三电平输出电压与步骤S1中的开关状态的关系计算k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)，预测电流I(k+1)经Clark逆变换后得到k+1时刻的预测电流I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)。
所述步骤S2中将三相输出电流经Clark变换后输入模型预测中得到k+1时刻的预测电流I(k+1)为：
其中，U(k+1)为k+1时刻的NPC三电平输出电压，E(k+1)为k+1时刻的电网电压，R为电阻，L为电感，Ts为采样周期。
所述步骤S2中根据NPC三电平输出电压与步骤S1中的开关状态的关系计算k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)的方法为：
S21、计算NPC三电平的单相输出电压和开关状态的关系：
Figure BDA0002259650660000085
其中，UaO、UbO、UcO分别为a相、b相、c相的输出电压，Udc为NPC三电平直流侧电压；
S22、根据叠加原理，假设NPC三电平输出零序电压和电网零序电压作用于线路阻抗产生零序电流，恒功率条件下，NPC三电平输出零序电压U0和电网零序电压E0分别为：
Figure BDA0002259650660000091
Figure BDA0002259650660000092
其中，Ea、Eb、Ec分别为a相、b相、c相的电网电压；
S23、将NPC三电平输出零序电压U0和电网零序电压E0模型预测中，得到k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)：
Figure BDA0002259650660000093
其中，U0(k+1)为k+1时刻的NPC三电平输出零序电压，E0(k+1)为k+1时刻的电网零序电压。
S3、根据零序预测电流I0(k+1)与中点电压均衡的关系，选择出满足零序电流补偿和中点电压平衡的13个开关状态作为最优的组合开关状态。
NPC三电平27个开关状态轮循控制，会导致开关损耗增大，为了解决这一问题，使用某几类开关状态，降低损耗，同时做到中点电压平衡和不平衡治理。
与三相三线制比较，三相四线制系统中，零序电流从上下电容中点O流过，中点电压平衡与零序电流补偿存在耦合关系，表1为不同类开关状态三相零序电流分量对中点电压影响的关系，基于三相三线制三电平NPC结构中点电压平衡模型预测控制研究已经相对成熟，以下分析不考虑正序，负序分量对中点电压影响，模型预测Ts时刻内电感用电流源代替分析。
表1不同类开关状态下零序电流与中点电压关系
Figure BDA0002259650660000094
由表1可知，长矢量开关状态下，NPC内部零电平支路断开，SZa、SZb、SZc均为0，abc三相零序电流分量(Ia0，Ib0，Ic0)同时影响中点电压平衡，以(+，+，-)开关状态为例，Ia0、Ib0和Ic0分别影响上下电容充放电，如图4所示。
由表1可知，中矢量开关状态下，仅一相与NPC内部零电平支路接通，SZa、SZb、SZc中只有一个为1，两相零序电流分量同时影响中点电压平衡，以(+，0，-)开关状态为例，Ia0和Ic0分别影响上下两电容充放电，b相零电平支路与中线连接，Ib0通过中线形成内部零序回路，如图5所示。
由表1可知，一个零电平短矢量开关状态下，一相与NPC内部零电平支路接通，SZa、SZb、SZc中只有一个为1，两相零序电流分量同时影响中点电压平衡,以(+，0，+)开关状态为例，Ia0和Ic0同时影响电容C1充放电，b相零电平支路与中线连接，Ib0通过中线形成内部零序回路，如图6所示。
由表1可知，两个零电平短矢量开关状态下，两相与NPC内部零电平支接通，SZa、SZb、SZc中两个为1，仅有一相零序电流分量影响中点电压平衡，以(+，0，0)开关状态为例，Ia0影响电容C1充放电，b、c相零电平支路与中线连接，Ib0、Ic0通过中线形成内部零序回路，如图7所示。
(0，0，0)矢量开关状态下，三相与NPC内部零电平支接通，SZa、SZb、SZc均为1，三相零序电流均通过中线形成内部回路，不经过上下电容，零序电流不影响中点电压平衡。
在保证零序电流补偿的前提下进行中点电压平衡，三相不平衡补偿装置才能正常工作。模型预测控制过程中点电压平衡与零序补偿存在耦合关系，两者之间关系是控制的关键。
根据公式(4)和公式(5)计算NPC三电平输出零序电压：
Figure BDA0002259650660000101
表2给出了不同类电压矢量开关状态对应的零序电压输出关系，可得：中矢量开关状态下，NPC输出零序电压为0，无法满足零序电流补偿；长矢量和两个零电平短矢量开关状态下，输出零序电压较小；一个零电平短矢量开关状态输出零序电压最大，能够满足零序电流补偿的需求。
模型预测的价值函数控制中点电压平衡的时，加大权重系数会使有零电平的中、短、全零电压矢量开关状态输出几率增大，在直流侧电压不足情况下，无法满足零序电流的补偿。
表2不同类开关状态对应零序电压输出关系
Figure BDA0002259650660000111
首先，优先选择中矢量开关状态，该状态输出电压幅值略小于的长矢量电压幅值2Udc，且零序电流对中点电压平衡影响小于长矢量开关状态。
其次，为了进一步削弱零序电流对中点电压平衡影响，同时确保零序电流补偿，优先选择一个零电平的短矢量开关状态，此状态输出的零序电压最大。
最后，为了完全消除零序分量对中点电压平衡影响，选择全零(0，0，0)矢量状态。综上所述，最优的组合开关状态是中矢量、一个零电平短矢量、全零矢量开关状态组合成13种开关状态。
由于中矢量开关状态输出零序电压为0，两个零电平短矢量开关状态输出零序电压较小(见表2)，因此不宜使用中矢量、两个零电平矢量组成的开关状态进行不平衡治理，易导致零序补偿不足问题发生。
S4、利用电压互感器PT分别采集k时刻的负载三相电压和电容C1与电容C2的电压差△U(k)，将负载三相电压输入基波电压正序检测器，输出基波正序电压。
S5、利用电流互感器CT分别采集k时刻的不平衡电流和NPC三电平的三相输出电流，将不平衡电流和步骤S4中的基波正序电压输入不平衡电流补偿模块，输出k时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)；具体方法为：将不平衡电流经Clark变换后与基波正序电压结合，计算k时刻的参考电流Irefα(k)、Irefβ(k)、Iref0(k)，参考电流Irefα(k)、Irefβ(k)、Iref0(k)经过Clark逆变换得到k时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)。
S6、根据步骤S2中的预测电流I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)和步骤S3中的最优的组合开关状态计算k+1时刻的电容C1与电容C2的电压差△U(k+1)。
如图8所示，从最外层的圆环向里，每进一层，电压矢量的冗余度增加1。图4给出了装置并网接线示意图，与三相三线制系统不同的是零线接在上下电容中点O上，零线上流过的零序电流In与NPC内部中点电流I0w共同作用，影响电容C1,C2充放电，加之电容保持电压稳定能力有限，导致上下电容电压差过大，输出电压电流波形畸变。三相四线制系统下，零序电流与中点电压平衡存在耦合关系。
从图8可得影响中点电压平衡的电流I0如下：
I′0(k+1)＝In(k+1)+I0w(k+1) (9)；
定义零电平开关变量如下：
Figure BDA0002259650660000121
NPC中点电流I0w：
I0w(k+1)＝SZa*I′a(k+1)+SZb*I′b(k+1)+SZc*I′c(k+1) (11)；
零序电流In：
In(k+1)＝-I′a(k+1)-I′b(k+1)-I′c(k+1) (12)，
其中，I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)均为k+1时刻的预测电流；
模型预测控制中点电压平衡，上下电容差ΔU：
Figure BDA0002259650660000122
将公式(9)、公式(11)和公式(12)代入公式(13)，得：
Figure BDA0002259650660000123
S7、根据步骤S6中的电压差△U(k+1)、步骤S2中的预测电流I′a(k+1)、I′b(k+1)、I′c(k+1)和步骤S5中的参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)预测k+1时刻的价值函数值，并将最小的价值函数值对应的开关状态设为最优开关状态，控制NPC三电平的正确动作，输出补偿电流，治理三相不平衡。
所述k+1时刻的价值函数值为：
g＝|Irefa(k)-I′a(k+1)|+|Irefb(k)-I′b(k+1)|+|Irefc-I′c(k+1)|+λ|△U(k+1)|(11)，
其中，λ是中点电压平衡权重系数。
仿真与验证：
在PSCAD/EMTDC中搭建三相不平衡治理仿真模型，采用阻感性不平衡负载引起三相电流不平衡，在中点电压平衡的前提下进行三相四线制不同组合开关状态仿真，验证本文提出的最优组合开关状态，并从幅值和相位两个角度分析最优开关状态不平衡治理效果，系统仿真参数见表3。
表3仿真参数
Figure BDA0002259650660000131
不同组合开关状态下零序电流补偿对比：直流侧母线电压采用1000V，可保证正序分量和负序分量完全补偿的条件下，验证三种不同组合开关状态中点电压均衡对零序电流补偿的影响。
1)组合1(全零矢量、两个零电平短零矢量，中矢量)开关状态仿真。
加入中点电压控制后，中点电压虽然均衡，如图9所示，但零序补偿输出电流Icom0与参考补偿电流Iref0波形不一致，如图10所示。
2)组合2(全零矢量、一个零电平短零矢量，长矢量)开关状态仿真。
加入中点电压控制后，中点电压虽然均衡，如图11所示，但零序补偿输出电流Icom0与参考补偿电流Iref0波形不一致，如图12所示。
3)组合3(全零矢量、一个零电平短零矢量，中矢量)开关状态仿真。
加入中点电压控制后，中点电压均衡，如图9a所示，零序补偿输出电流Icom0与参考补偿电流Iref0波形重合，如图9b所示。
组合1和组合3对比分析：由于中矢量和两个零电平短矢量零序输出电压较小，在中点电压平衡的前提下，无法满足零序电流补偿的需求，而一个零电平短矢量开关状态输出零序电压最大，可以均衡中点电压平衡与零序电流补偿。
组合2和组合3对比分析：由于长矢量开关状态，零序电流全部影响中点电压均衡，所以保证中点电压均衡就无法保证零序电流补偿。
综上所述，组合3使用了零序补偿能力最强的一个零电平短矢量开关状态，且组合相同中点电压均衡能力的中矢量开关状态，具有兼顾中点电压均衡的同时考虑零序电流补偿能力，是三种组合中最优选择。
组合3不平衡治理仿真：
治理前，预测电流I′a＝13.55A，I′b＝2.00A，I′c＝5.85A，电流不平衡度89.92％，如图15和图16所示。治理后，I′a＝5.08A，I′b＝5.05A，I′c＝5.09A，且相位差为120度，电流不平衡度0.41％，如图17和图18所示。
组合3具有和全部27种开关状态相同的不平衡治理能力，使用了较少的电压矢量，降低运算次数和复杂性，减少开关状态损耗，同时保证中点电压均衡与零序电流补偿，适用于三相四制中低压配网不平衡治理。
深入分析三相四线制NPC三电平补偿装置零序电流补偿和中点平衡耦合关系，分类分组研究27个电压矢量零序电流补偿能力和零序电流对中点电压影响以及NPC输出电压矢量幅值，基于均衡零序电流补偿与中点电压平衡的相互影响，提出组合中矢量、一个零电平短矢量、全零矢量13种开关状态进行模型预测不平衡治理，仿真结果验证了本发明提出的理论和控制方法的准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，其步骤如下：
S1、定义NPC三电平模型中三相四线制的开关状态Sa、Sb、Sc，根据开关状态Sa、Sb、Sc得到NPC三电平的27个电压矢量Vi(SaSbSc)，其中，i＝1,2,…,27，开关状态Sa、Sb、Sc等于1或0或-1；
S2、利用电流互感器采集k时刻的NPC三电平的三相输出电流，将三相输出电流经Clark变换后输入模型预测中得到k+1时刻的预测电流I(k+1)，并根据NPC三电平输出电压与步骤S1中的开关状态的关系计算k+1时刻的预测电流I(k+1)，预测电流I(k+1)经Clark逆变换后得到k+1时刻的预测电流I'a(k+1)、I'b(k+1)、I'c(k+1)；
S3、根据不同类开关状态的零序电流补偿能力与中点电压均衡的耦合关系，选择出满足零序电流补偿和中点电压平衡的13个开关状态作为最优的组合开关状态；
S4、利用电压互感器PT分别采集k时刻的负载三相电压和电容C1与电容C2的电压差△U(k)，将负载三相电压输入基波电压正序检测器，输出基波正序电压；
S5、利用电流互感器CT分别采集k时刻的不平衡电流和NPC三电平的三相输出电流，将不平衡电流和步骤S4中的基波正序电压输入不平衡电流补偿模块，输出k+1时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)；
S6、根据步骤S2中的预测电流I'a(k+1)、I'b(k+1)、I'c(k+1)和步骤S3中的最优的组合开关状态计算k+1时刻的电容C1与电容C2的电压差△U(k+1)；
S7、根据步骤S6中的电压差△U(k+1)、步骤S2中的预测电流I'a(k+1)、I'b(k+1)、I'c(k+1)和步骤S5中的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)预测k+1时刻的价值函数值，并将最小的价值函数值对应的开关状态设为最优开关状态，控制NPC三电平的正确动作，输出补偿电流，治理三相不平衡。
2.根据权利要求1所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述步骤S1中NPC三电平的27个电压矢量Vi(SaSbSc)的获得方法为：
Sa＝1表示a相所处电平状态为正电平，Sa＝0表示a相所处电平状态为零电平，Sa＝-1表示a相所处电平状态为负电平；
Sb＝1表示b相所处电平状态为正电平，Sb＝0表示b相所处电平状态为零电平，Sb＝-1表示b相所处电平状态为负电平；
Sc＝1表示c相所处电平状态为正电平，Sc＝0表示c相所处电平状态为零电平，Sc＝-1表示c相所处电平状态为负电平；
假设NPC三电平直流侧电压为Udc，则27个电压矢量对应的幅值大小分别为2Udc、
Figure FDA0002259650650000021
Udc和0，根据电压矢量对应的幅值大小不同，将电压矢量分为幅值为2Udc的长矢量、幅值为的中矢量、幅值为Udc的短矢量和幅值为0的零矢量，其中，长矢量包括6个电压矢量，中矢量包括6个电压矢量，短矢量包括12个电压矢量，零矢量包括3个电压矢量，12个电压矢量分为6个含有一个零电平短矢量，6个含有两个零电平短矢量。
3.根据权利要求1或2所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述步骤S2中将三相输出电流经Clark变换后输入模型预测中得到k+1时刻的预测电流I(k+1)为：
Figure FDA0002259650650000023
其中，U(k+1)为k+1时刻的NPC三电平输出电压，E(k+1)为k+1时刻的电网电压，R为电阻，L为电感，Ts为采样周期；
所述步骤S2中根据NPC三电平输出电压与步骤S1中的开关状态的关系计算k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)的方法为：
S21、计算NPC三电平的单相输出电压和开关状态的关系：
Figure FDA0002259650650000024
其中，UaO、UbO、UcO分别为a相、b相、c相的输出电压，Udc为NPC三电平直流侧电压；
S22、根据叠加原理，假设NPC三电平输出零序电压和电网零序电压作用于线路阻抗产生零序电流，恒功率条件下，NPC三电平输出零序电压U0和电网零序电压E0分别为：
Figure FDA0002259650650000025
Figure FDA0002259650650000026
其中，Ea、Eb、Ec分别为a相、b相、c相的电网电压；
S23、将NPC三电平输出零序电压U0和电网零序电压E0模型预测中，得到k+1时刻的零序预测电流I0(k+1)：
其中，U0(k+1)为k+1时刻的NPC三电平输出零序电压，E0(k+1)为k+1时刻的电网零序电压。
4.根据权利要求3所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述最优的组合开关状态的选择方法为：
根据步骤S23中的零序预测电流可知：长矢量对应的零电平个数为0，a相、b相和c相零序电流分量同时影响中点电压平衡；中矢量对应的零电平个数为1，a相、b相和c相中的其中两相零序电流分量影响中点电压平衡；短矢量对应的零电平个数分别1或2，当零电平个数为1时，a相、b相和c相中的其中两相零序电流分量影响中点电压平衡，当零电平个数为2时，a相、b相和c相中的其中一相零序电流分量影响中点电压平衡；零矢量对应的零电平个数为3，a相、b相和c相零序电流分量均不影响中点电压平衡；
计算NPC三电平输出零序电压：
Figure FDA0002259650650000032
不同类的开关状态对应的零序电压分别为：长矢量对应的零序电压均为
Figure FDA0002259650650000033
中矢量对应的零序电压均为0，一个零电平短矢量对应的零序电压均为两个零电平短矢量对应的零序电压均为
Figure FDA0002259650650000035
全零矢量对应的零序电压均为0；
根据不同类开关状态下的零序电流与中点电压的关系以及零序电压输出关系，选择中矢量、一个零电平短矢量和全零(0,0,0)矢量对应的13种开关状态作为最优的组合开关状态。
5.根据权利要求1所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述步骤S5中将不平衡电流和步骤S4中的基波正序电压输入不平衡电流补偿模块，输出k时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)的方法为：将不平衡电流经Clark变换后与基波正序电压结合，计算k时刻的参考电流Irefα(k)、Irefβ(k)、Iref0(k)，参考电流Irefα(k)、Irefβ(k)、Iref0(k)经过Clark逆变换得到k时刻的补偿参考电流Irefa(k)、Irefb(k)、Irefc(k)。
6.根据权利要求1或5所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述k+1时刻的电容C1与电容C2的电压差△U(k+1)为：
Figure FDA0002259650650000036
其中，I'0(k+1)＝In(k+1)+I0w(k+1)为影响中点电压平衡的电流，In(k+1)＝-I'a(k+1)-I'b(k+1)-I'c(k+1)为零序电流，I'a(k+1)、I'b(k+1)、I'c(k+1)均为k+1时刻的预测电流，I0w(k+1)＝SZa*I'a(k+1)+SZb*I'b(k+1)+SZc*I'c(k+1)为NPC三电平内部中点电流，且
Figure FDA0002259650650000041
K为a相或b相或c相。
7.根据权利要求6所述的组合开关状态的NPC三电平模型预测不平衡治理方法，其特征在于，所述k+1时刻的价值函数值为：
g＝|Irefa(k)-I'a(k+1)|+|Irefb(k)-I'b(k+1)|+|Irefc-I'c(k+1)|+λ|△U(k+1)|，
其中，λ是中点电压平衡权重系数。
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