CN111009924A - 一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法 - Google Patents

一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法 Download PDF

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刘新
张宏俊
文继
莫钊洪
李晨光
夏斌元
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Abstract

本发明公开了本发明一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，首先电感值计算模块根据当前拍时刻采集得到的电网电流，前一拍时刻的电网电压、电网电流以及作用的逆变器输出电压控制量计算得到预测电感值,根据当前时刻采集得到数据计算备选控制量中所有的控制量对应的电流的预测值以及预测正负电容电压，成本函数模块计算得到9个成本函数值，选出其中的最小值所对应的开关矢量作为最优开关矢量；最后，由最优开关矢量在PWM模块中产生开关控制信号控制单相三电平逆变器各个功率开关管的通断。本发明方法相较于未进行电感补偿的传统方法具有更优异的稳态性能。

Description

一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体地涉及一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法。
背景技术
单相逆变器在各种新能源发电系统中起着交直流变化的桥梁作用，对于保证能量的顺利流动和使用起着至关重要的作用。其中，三电平拓扑相较于传统的两电平具有功率容量大、谐波成分小以及电压畸变率低等优点，因而得到了广泛的研究和应用。模型预控制方法被公认为是逆变器控制领域内新一代最具潜力的高性能控制方法，其具有简单直观、控制直接、易于处理系统约束且无调制器模块等优点，已经成为逆变器控制领域的一个重要研究方向和应用热点。这种方法的一个重要特点就是其控制效果依赖于逆变器模型的精确程度，然而实际系统中逆变器滤波电感的感值随电流的幅值在宽范围内变化，导致模型不准确，这将会严重影响控制精度和效果。目前针对这个问题的相关研究尚未很少，并且没有相关研究成果。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种针对单相三电平逆变器滤波电感的感值宽范围变化的补偿方法，该方法根据系统模型与当前状态来反推当前时刻滤波电感的感值，然后采用预测得到的电感值参与模型预测控制来补偿电感值宽范围变化的影响，以达到更优的稳态控制性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，特征在于包括以下步骤：
S1:采集当前时刻k的电网电流i(k)、电网电压e(k)、直流侧电流idc(k)以及直流正负电容总电压Udc(k)；
S2:电感值计算模块根据当前拍电网电流i(k)，前一拍(k-1)时刻的电网电压e(k-1)、电网电流i(k-1)以及作用的逆变器输出电压控制量v(k-1)计算预测电感值；
S3:模型预测计算模块中，计算备选控制量中所有的控制量对应的电流的预测值和所有的电压控制量对应的直流正负电容电压的预测值；
S4:成本函数模块根据电流的若干个预测值和预测直流正负电容电压值计算得到成本函数值，再根据成本函数值的最小值gmin得到对应的最优开关矢量Vopt，以供下一拍控制使用；
S5:根据最优开关矢量Vopt得到对应的最优开关状态，再得到对应的开关控制信号，进而控制单相三电平逆变器各个功率开关管的通断。
在上述技术方案中，所述S2中：
预测电感值Lpre，其表达式可；
Figure BDA0002337700620000021
其中，R表示逆变器滤波电感等效阻抗，Ts表示控制周期。
在上述技术方案中，在S3中：
电流的预测值i(k+1):
Figure BDA0002337700620000022
预测正负电容电压Vc1(k+1)和Vc2(k+1)的表达式分别为：
Figure BDA0002337700620000023
Figure BDA0002337700620000024
其中：Sa、Sb表示四个开关管的开关状态。
在上述技术方案中，在S4中：根据电流的预测值i(k+1)和直流正负电容电压预测值
Figure BDA0002337700620000031
计算成本函数值g(k)的表达式为：
Figure BDA0002337700620000032
其中，iref表示逆变器并网电流的指令值，λdc为中点电位调节因子。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明方法通过系统模型来反推当前时刻对应的电感值Lpre，然后根据得到的电感值Lpre来进行模型预测计算，通过遍历备选控制量中所有的控制量和比较成本函数值，得到最优开关控制信号。本方法相较于未进行电感补偿的传统方法具有更优异的稳态性能。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为单相三电平逆变器模型滤波电感值宽范围变化补偿方法控制框图；
图2为采用本发明方法的单相三电平逆变器单相并网电流波形图、正负母线电容电压的差值图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
本实施例中，如图1所示，本发明一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，包括以下步骤：
S1:采集当前时刻k的电网电流i(k)、电网电压e(k)、直流侧电流idc(k)以及直流正负电容电压Vc1(k)和Vc2(k)，并将直流正负电容电压相加得到直流总电压Udc(k)；
S2:电感值计算模块根据当前拍电网电流i(k)，前一拍(k-1)时刻的电网电压e(k-1)、电网电流i(k-1)以及作用的逆变器输出电压控制量v(k-1)计算预测电感值Lpre，其表达式为：
Figure BDA0002337700620000041
本实施例中，控制周期Ts＝50us，滤波电感等效阻抗R＝0.15Ω。
S3:模型预测计算模块中，完成相关计算；
S3.1:根据步骤S2得到的预测电感值Lpre和所有的逆变器备选输出电压控制量，计算备选控制量中所有的控制量对应的电流的预测值i(k+1)(共9个)，计算表达式为：
Figure BDA0002337700620000042
其中，逆变器输出电压矢量可见于表1；
表1.单相三电平逆变器输出电压控制量
控制量 值 对应状态S<sub>a</sub>S<sub>b</sub>
v<sub>1</sub> 0 1 1
v<sub>2</sub> U<sub>dc</sub>/2 1 0
v<sub>3</sub> U<sub>dc</sub> 1 -1
v<sub>4</sub> -U<sub>dc</sub>/2 0 1
v<sub>5</sub> 0 0 0
v<sub>6</sub> U<sub>dc</sub>/2 0 -1
v<sub>7</sub> -U<sub>dc</sub> -1 1
v<sub>8</sub> -U<sub>dc</sub>/2 -1 0
v<sub>9</sub> 0 -1 -1
表1中开关状态变量Sx表示第x(x＝a,b)相的状态。Sx为1、0、-1时分别表示第x相的四个开关管开关状态为(1,1,0,0)、(0,1,1,0)和(0,0,1,1)，其中，开关管的开关状态为1时表示对应开关管闭合，为0时表示对应开关管关断。本实施例中，直流母线电压Udc＝180V，电网电压幅值E＝110V，电网基波频率f＝50Hz。
S3.2:根据步骤S1中所得到的直流侧电流idc(k)和直流正负电容电压Vc1(k)、Vc2(k)以及所有的备选控制量，计算所有的电压控制量对应的直流正负电容电压的预测值(共9个)；
其中，根据开关矢量组中的矢量计算预测正负电容电压Vc1(k+1)和Vc2(k+1)的表达式分别为：
Figure BDA0002337700620000051
Figure BDA0002337700620000052
S4:成本函数模块根据步骤S3中所得到的9个电流的预测值和9个预测直流正、负电容电压值，计算得到9个成本函数值，接着求出9个成本函数值中的最小值gmin，再根据最小值gmin得到对应的最优开关矢量Vopt，以供下一拍控制使用；
其中，根据电流的预测值i(k+1)和直流正负电容电压预测值
Figure BDA0002337700620000053
计算成本函数值g(k)的表达式为：
Figure BDA0002337700620000054
其中，iref表示逆变器并网电流的指令值，λdc为中点电位调节因子。本实施例中。电流的指令值iref＝5A，中点电位调节因子λdc＝0.1。
S5:根据最优开关矢量Vopt得到对应的最优开关状态，再得到对应的开关控制信号，进而控制单相三电平逆变器各个功率开关管的通断。
图2为采用本发明方法所得的并网电流和中点电位波形图。
本实施例中，逆变器滤波电感的感值随电流值线性变化(0A时其初始电感值为8mH，5A时对应的电感值为5mH)。由图2所示波形可以看出，尽管电感值随电流值宽范围变化，采用本发明方法时并网电流跟踪和中点电位平衡控制都可以取得较好的控制效果。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (4)

1.一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
S1:采集当前时刻k的电网电流i(k)、电网电压e(k)、直流侧电流idc(k)以及直流正负电容总电压Udc(k)；
S2:电感值计算模块根据当前拍电网电流i(k)，前一拍(k-1)时刻的电网电压e(k-1)、电网电流i(k-1)以及作用的逆变器输出电压控制量v(k-1)计算预测电感值；
S3:模型预测计算模块中，计算备选控制量中所有的控制量对应的电流的预测值和所有的电压控制量对应的直流正负电容电压的预测值；
S4:成本函数模块根据电流的若干个预测值和预测直流正负电容电压值计算得到成本函数值，再根据成本函数值的最小值gmin得到对应的最优开关矢量Vopt，以供下一拍控制使用；
S5:根据最优开关矢量Vopt得到对应的最优开关状态，再得到对应的开关控制信号，进而控制单相三电平逆变器各个功率开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，其特征在于所述S2中：
预测电感值Lpre，其表达式可；
Figure FDA0002337700610000011
其中，R表示逆变器滤波电感等效阻抗，Ts表示控制周期。
3.根据权利要求2所述的一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，其特征在于在S3中：
电流的预测值i(k+1):
Figure FDA0002337700610000012
预测正负电容电压Vc1(k+1)和Vc2(k+1)的表达式分别为：
Figure FDA0002337700610000021
Figure FDA0002337700610000022
其中：Sa、Sb表示四个开关管的开关状态。
4.根据权利要求2或3所述的一种单相三电平逆变器滤波电感值宽范围变化补偿方法，其特征在于在S4中：根据电流的预测值i(k+1)和直流正负电容电压预测值
Figure FDA0002337700610000023
计算成本函数值g(k)的表达式为：
Figure FDA0002337700610000024
其中，iref表示逆变器并网电流的指令值，λdc为中点电位调节因子。
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