CN111614282B - 矢量扇区定位方法、局部寻优模型预测控制方法及装置 - Google Patents

矢量扇区定位方法、局部寻优模型预测控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了矢量扇区定位方法、局部寻优模型预测控制方法及装置，通过建立详细的预测模型在实现控制输出电流的同时，可以实现直流侧中点电位以及各相悬浮电容电压的控制，同时针对传统模型预测控制进行全局寻优时存在计算量大，难以硬件实现的问题，本发明利用提出的矢量扇区定位方法提前判断参考电压在输出电压矢量图中所处的三角区域，在目标三角形区域中进行代价函数判断，将一个全局寻优问题化为一个在参考区域内的局部寻优问题。本发明在实现多个输出变量控制的前提下，大幅减小了系统计算负荷，节约计算资源，减小算法控制的延迟，该方法控制下的五电平逆变器具有良好的输出效果。

Description

矢量扇区定位方法、局部寻优模型预测控制方法及装置
技术领域
本发明属于多电平逆变器控制技术领域，尤其涉及一种五电平并网逆变器的矢量扇区定位方法、局部寻优模型预测控制方法及装置。
背景技术
逆变器作为一种能量转换的接口，是电力并网、电机变频调速等领域的关键部件。然而随着电力系统的发展，传统两电平逆变器逐渐无法满足大容量、高质量的并网需求。五电平逆变器不仅输出电压、电流的畸变率更小，而且限制了dv/dt，同时五电平逆变器需要更小的滤波电感，极大地减轻了系统重量和体积，在新能源并网、轨道交通、高压输配电等领域，极具应用价值。
模型预测控制作为一种新型的控制方法，通过建立系统离散数学模型和预测模型，评估代价函数使预测量跟踪参考量，以达到预期的控制目标。模型预测控制简单，响应迅速并且可实现多目标优化，目前已经广泛应用在大功率的变流器中。但是将传统的模型预测控制应用到五电平有源中点钳位型逆变器的控制中，每个采样周期需要计算8^3＝512次，消耗了大量的计算资源，增大了系统延迟。
发明内容
根据现有技术的不足,本发明提供一种矢量扇区定位方法、局部寻优模型预测控制方法及装置，通过提出一种矢量扇区定位方法预先判断参考电压矢量在输出电压矢量图中的小三角形区域，将寻优区域缩小至1/96，大大减小了预测控制带来的计算量，减小控制延迟。
本发明提供了一种矢量扇区定位方法，该方法具体步骤如下：
获取参考矢量在两相旋转坐标系下的相角，判断出参考矢量所在的大扇区；
将参考矢量在两相旋转坐标系下的分量进行gh坐标变换，确定出其所在大扇区中的表交界区域或菱形区域；
若参考矢量处于表交界区域，则直接得出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
若参考矢量处于菱形区域，则通过参考矢量的平移定位方法，判断出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
所述参考矢量是由逆变器输出的三相参考电压在两相旋转坐标系下的分量
Figure BDA0002506746380000021
构成。
优选的，所述大扇区中的表交界区域或菱形区域的判断方法为：
将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取整，确定出其所在大扇区中的菱形区域或表交界区域，其中表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域。
优选的，所述参考矢量的平移定位方法为：
将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取余，即可将目标菱形区域平移至矢量图的中心菱形区域；
根据中心菱形区域中的两个三角形的边界条件，确定出参考矢量位于目标菱形区域中的小三角形区域。
该发明还包括一种局部寻优模型预测控制方法，该方法适用于五电平并网逆变器，具体步骤如下：
通过建立数学模型，进行离散化处理，得出逆变器输出电流的预测模型；所述数学模型为五电平有源中点钳位型逆变器并网过程的模型；所述预测模型为用变量当前采样时刻的采样值预测被控变量下个采样时刻的输出值；
根据给定的逆变器输出电流的参考值构建dq矢量并进行矢量运算，计算出逆变器输出的电压参考矢量；
在五电平逆变器输出电压矢量图上利用上述任一所述的任一矢量扇区定位方法，判断出逆变器电压参考矢量在矢量图中所处的小三角区域；
将目标小三角形区域内的所有的开关状态依次代入逆变器输出电流的预测模型得到预测值；
将预测值代入代价函数后与逆变器输出电流的参考值进行比较，将使得代价函数最小且满足开关切换限制条件的开关状态作用于系统。
优选的，该方法还包括，构建多变量代价函数，将逆变器输出电流、直流侧电容电压差及各相桥臂悬浮电容电压的预测值代入多变量代价函数；
所述多变量代价函数为将逆变器输出电流控制、直流侧中点电位控制以及各相桥臂悬浮电容电压控制加进一个代价函数中实现；
所述逆变器输出电流、直流侧电容电压差以及各相桥臂悬浮电容电压的预测值分别通过其各自的预测模型得到。
优选的，所述逆变器输出电流、直流侧电容电压差以及各相桥臂悬浮电容电压的预测模型分别为：
Figure BDA0002506746380000031
Figure BDA0002506746380000032
Figure BDA0002506746380000033
其中，
Figure BDA0002506746380000034
为k+1时刻逆变器输出相电流的预测值；ix(k)为k时刻逆变器输出相电流；ex(k)为k时刻电网相电压；ux(k)为k时刻逆变器输出相电压；Δudc P(k+1)为k+1时刻直流侧上下电容电压差的预测值；Δudc(k)为k时刻直流侧上下电容电压差；
Figure BDA0002506746380000035
为k+1时刻各桥臂悬浮电容电压的预测值；ufx(k)为k时刻各桥臂悬浮电容电压；Ts为采样周期；R、L为并网电阻和滤波电感；C,Cf分别为直流侧电容和悬浮电容；hx为相电流对于中点电位的影响因子；fx为相电流对悬浮电容影响因子；所述电流对悬浮电容影响因子的取值根据各种开关状态下相电流对于中点电位和悬浮电容电压的影响确定。
优选的，所述逆变器输出的电压参考值的计算过程为：
将电网电压ea(k),eb(k),ec(k)进行Clark及park变换得到ed(k),eq(k)；
将并网电流参考值
Figure BDA0002506746380000036
进行Clark及park变换得到
Figure BDA0002506746380000037
构成dq矢量：
Figure BDA0002506746380000038
逆变器参考电压dq矢量的计算为：
Figure BDA0002506746380000039
将计算得到的逆变器参考电压dq矢量的分量
Figure BDA00025067463800000310
进行反park变换得到逆变器输出电压参考矢量在两相旋转坐标系下分量
Figure BDA00025067463800000311
优选的，所述多变量代价函数为：
Figure BDA0002506746380000041
其中，
Figure BDA0002506746380000042
分别表示逆变器输出电流参考值，直流侧电容电压差参考值以及悬浮电容电压参考值，λi表示该项指标的权重因子。
该发明还包括一种局部寻优模型预测控制装置，包括直流电压源、两串联电容、主电路模块、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器、电流传感器、矢量计算模块、目标参考扇区判断模块及预测计算模块；
所述直流电压源给两个串联电容供电；
所述第一传感器、第二传感器用于分别采集直流侧串联电容两端电压；
所述第三传感器用于采集桥臂悬浮电容电压；
所述第四传感器用于采集网侧电压；
所述电流传感器用于采集逆变器输出并网电流；
所述主电路模块用于实现电能变换及并网；
所述矢量计算模块用于构建dq矢量并进行矢量运算，计算出逆变器输出电压参考矢量；
所述参考扇区判断模块用于判断参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
所述预测计算模块用于将第一、二、三、四传感器及电流传感器采集的信息结合小三角形区域中开关状态进行变量参考值预测，并带入代价函数进行寻优判断，找到最优控制目标。
优选的，所述参考扇区判断模块用于判断参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域是在五电平逆变器输出电压矢量图上利用矢量扇区定位方法实现的；
其中，矢量扇区定位方法具体步骤如下：
获取参考矢量在两相旋转坐标系下的相角，判断出参考矢量所在的大扇区；
将参考矢量在两相旋转坐标系下的分量进行gh坐标变换，确定出其所在大扇区中的表交界区域或菱形区域；
若参考矢量处于表交界区域，则直接得出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
若参考矢量处于菱形区域，则通过参考矢量的平移定位方法，判断出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
所述参考矢量是由逆变器输出的三相参考电压在两相旋转坐标系下的分量
Figure BDA0002506746380000051
构成；
所述大扇区中的表交界区域或菱形区域的判断方法为：
将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取整，确定出其所在大扇区中的菱形区域或表交界区域，其中表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域；
所述参考矢量的平移定位方法为：
将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取余，即可将目标菱形区域平移至矢量图的中心菱形区域；
根据中心菱形区域中的两个三角形的边界条件，确定出参考矢量位于目标菱形区域中的小三角形区域。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明利用提出的矢量扇区的平移定位方法，在每个大扇区内的所有目标菱形区域经过取余平移，只需判定同一个边界条件即可确定参考矢量所在小三角形区域，相比于传统判断扇区方法，省去了冗杂繁琐的边界判断；
2.与传统的全局寻优模型预测控制相比，本发明提出的提前判断扇区的局部寻优模型预测控制将寻优计算量缩减了近26倍，大大减轻系统计算负荷，提高效率，易于硬件实现；
3.通过构建dq矢量并进行矢量运算得到逆变器输出电压参考矢量，这样可以避免运算过程中的求导运算；
4.本发明改进的算法在实现并网电流控制的基础上，同时也对直流侧中点电位和悬浮电容电压起到了很好的控制效果，而且具有快速的动态响应；
5.本发明提出的方法推广性强，可以应用在其他拓扑的变流器中。
附图说明
附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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附图。
在附图中：
图1是本发明实施例提供的一种矢量扇区定位方法流程图；
图2是本发明实施例提供的局部寻优模型预测控制方法流程图；
图3是本发明实施例提供的五电平有源中点钳位型逆变器拓扑结构及并网示意图；
图4是本发明实施例提供的五电平有源中点钳位型逆变器输出电压矢量图；
图5是本发明实施例提供的逆变器输出参考电压所在小三角形区域的平移判断示意图；
图6是本发明实施例提供的五电平有源中点钳位型逆变器局部寻优模型预测控制系统结构示意图；
图7是本发明实施例提供的逆变器输出电流、直流侧电压和悬浮电容电压控制效果及动态响应图；
图8是本发明实施例提供的逆变器并网电流频谱分析图；
图9是本发明实施例提供的传统模型预测控制与局部寻优模型预测控制每个采样周期寻优计算次数统计图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方法
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1给出了本发明提供的一种矢量扇区定位方法流程图，该方法是为了判断逆变器输出电压参考矢量在逆变器输出电压矢量图中所处的小三角形区域，该方法具体步骤如下：、
步骤100：获取参考矢量在两相旋转坐标系下的相角，判断出参考矢量所在的大扇区；
步骤101：将参考矢量在两相旋转坐标系下的分量进行gh坐标变换，确定出其所在大扇区中的表交界区域或菱形区域；
步骤102：若参考矢量处于表交界区域，则直接得出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
步骤103：若参考矢量处于菱形区域，则利用参考矢量的平移定位方法，判断出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域。
进一步，所述参考矢量是由逆变器输出的三相参考电压在两相旋转坐标系下的分量
Figure BDA0002506746380000071
构成。
进一步，大扇区中的菱形区域或表交界区域的判断，将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取整，确定出其所在大扇区中的菱形区域或表交界区域，其中表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域。
进一步，所述参考矢量的平移定位方法为：将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取余，将目标菱形区域平移至矢量图的中心菱形区域；
根据中心菱形区域中的两个三角形的边界条件，确定出参考矢量位于目标菱形区域中的小三角形区域。
图3给出了三相五电平中点钳位型并网逆变器的结构图，直流电压源Udc给两个串联电容C1、C2供电，每个电容的稳定电压为直流电压的1/2；逆变器每相桥臂由12个功率开关器件、1个悬浮电容构成，悬浮电容参考电压为直流电压的1/4。五电平逆变器正常工作的前提是直流侧电容电压以及悬浮电容电压稳定在参考值。
如表(1)所示，逆变器每相桥臂共有八种开关状态，对应共有五种输出电平-Udc/2、-Udc/4、0、Ud/4、Udc/2，图4表示三相所有输出电平组合对应的电压矢量图，其中-Udc/4、0、Ud/4三种电平各有两种冗余状态，表格1表明了各种开关状态下的电平输出以及对中点电位以及悬浮电容电压的影响。从表格中可以看出，虽然同一电平的两种冗余状态输出电压效果相同，但是对于中点电位和悬浮电容电压的影响却相反。
表1各开关状态的作用效果
Figure BDA0002506746380000081
根据图3，建立五电平有源中点钳位型逆变器的数学模型：
Figure BDA0002506746380000082
Figure BDA0002506746380000083
Inp＝Ic1-Ic2＝HTI (3)
Figure BDA0002506746380000084
其中，
Figure BDA0002506746380000091
Figure BDA0002506746380000092
Figure BDA0002506746380000093
Figure BDA0002506746380000094
其中ex表示电源电压；ix表示并网电流；uxo表示逆变器输出电压；uc1,uc2，ic1，ic2表示直流侧电容电压、电流；ufx，ifx表示悬浮电容电压、电流；ucm表示共模电压；inp表示流过中性点的电流；L,R表示滤波电感和电阻；C,Cf表示直流侧电容和悬浮电容；hx,fx表示相电流对直流侧中点电位和悬浮电容电压的影响因子，其中x∈{a,b,c}。
将公式(1)(2)(4)应用前向欧拉公式离散化，Ts为采样时间间隔，k表示当前采样时刻，利用离散域下的数学模型，推出输出电流、直流侧电容电压差以及悬浮电容电压下个时刻的预测值为：
Figure BDA0002506746380000095
Figure BDA0002506746380000096
Figure BDA0002506746380000097
上述的预测值是通过带入逆变器不同的开关状态获得，这里需要注意的是，根据表格(1)，同一个电平的两种冗余状态对于平衡中点电位和悬浮电容电压作用不同，所以为了实现最优的控制效果，每一相带入的是八种状态而不是五种。
被控变量在K+1采样时刻的参考值为：
Figure BDA0002506746380000101
其中，参考值的预测采用三阶拉格朗日外推法：
Figure BDA0002506746380000102
用得到的变量的预测值和参考值构建代价函数，将输出电流控制，中点电位控制以及悬浮电容电压控制添加进一个代价函数中：
Figure BDA0002506746380000103
其中，λi表示该控制量对于总体效果的权重因子。
结合上述分析，根据五电平有源中点钳位型逆变器的预测模型，已经构建了完整的代价函数，后续的工作就是带入所有的开关状态评估代价函数，找到使代价函数最小的开关状态，作为执行目标。
因为同一电平的冗余状态对控制目标的作用不同，所以在每个采样周期的寻优过程中要带入8^3＝512个状态进行计算，庞大的计算量耗费大量计算资源，同时造成控制的延迟，增大跟踪误差。
针对上述问题，本发明提供的一种局部寻优模型预测控制方法,如图2所示，该方法适用于五电平并网逆变器，其将全局寻优简化为目标三角形区域的寻优，将寻优区域缩小至1/96，减小计算量。具体步骤如下：
步骤200：通过建立数学模型，进行离散化处理，得出逆变器输出电流的预测模型；所述数学模型为五电平有源中点钳位型逆变器并网过程的模型；所述预测模型为用变量当前采样时刻的采样值预测被控变量下个采样时刻的输出值；具体的，
步骤201：根据给定的逆变器输出电流的参考值构建dq矢量并进行矢量运算，计算出逆变器输出的电压参考矢量；
步骤202：在五电平逆变器输出电压矢量图上利用矢量扇区定位方法，判断出逆变器电压参考矢量在矢量图中所处的小三角区域；
步骤203：将目标小三角形区域内的所有的开关状态依次代入逆变器输出电流的预测模型得到预测值；
步骤204：将预测值代入代价函数后与逆变器输出电流的参考值进行比较，将使得代价函数最小且满足开关切换限制条件的开关状态作用于系统。
具体的，利用图1所示的矢量扇区定位法矢量扇区定位方法，判断出逆变器电压参考矢量在矢量图中所处的小三角区域。首先，根据参考电流值计算逆变器输出电压的参考矢量，将电网电压ea(k),eb(k),ec(k)进行Clark及park变换得到ed(k),eq(k)；将输出参考电流
Figure BDA0002506746380000111
进行Clark及park变换得到
Figure BDA0002506746380000112
构成dq矢量：
Figure BDA0002506746380000113
根据式(1)，忽略共模电压可得逆变器参考电压dq矢量：
Figure BDA0002506746380000114
将计算得到的逆变器输出参考电压dq矢量的分量
Figure BDA0002506746380000115
经过反park变换得到输出电压的参考矢量的分量
Figure BDA0002506746380000116
通过构建dq矢量并进行矢量运算得到逆变器输出电压参考矢量，这样可以避免运算过程中的求导运算。如图4所示，根据电压参考矢量的分量
Figure BDA0002506746380000117
的相角ω可判断出电压参考矢量所处的大扇区。
将逆变器输出电压的参考矢量进行gh坐标变换得到
Figure BDA0002506746380000118
在gh坐标系下将
Figure BDA0002506746380000119
在分量对矢量图中对单位长度取整，确定出其所在大扇区中的菱形区域或表交界区域，其中表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域。参考矢量处于表交界区域，则直接得出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；若参考矢量处于菱形区域，则将在gh坐标系下的
Figure BDA00025067463800001110
在分量对矢量图中对单位长度取余，即可将目标菱形区域平移至中心菱形区域；最后经过一步简单的判断，即可确定电压参考矢量位于菱形区域的哪个三角形区域。以图5所示的位于I号大扇区的参考矢量为例，通过对参考矢量
Figure BDA00025067463800001111
取整可以很容易判断出位于A菱形区域，接着将
Figure BDA0002506746380000121
对单位长度取余，可将菱形区域A平移至中心菱形区域B，然后判断如果uh＜1-ug则参考矢量位于菱形区域A中的1号三角区域，反之位于2号三角区域。其他大扇区，可以转换到I号扇区同理判断。
经过以上判断，即可确定任意参考矢量所在的小三角形区域。然后将预先设定好的该小三角区域内所有开关状态带入式(9)(10)(11)得出预测值，代入代价函数(14)判断，筛选出使代价函数最小并满足开关切换限制条件的开关状态，即为最优控制。
作为本发明的一种优选方案，局部寻优模型预测控制方法还包括构建多变量代价函数，将逆变器输出电流、直流侧电容电压差及各相桥臂悬浮电容电压的预测值代入多变量代价函数；
所述多变量代价函数为将逆变器输出电流控制、直流侧中点电位控制以及各相桥臂悬浮电容电压控制加进一个代价函数中实现。
所述逆变器输出电流、直流侧电容电压差以及各相桥臂悬浮电容电压的预测值分别通过其各自的预测模型得到。
逆变器输出电流、直流侧电容电压差以及各相桥臂悬浮电容电压的预测模型分别为：
Figure BDA0002506746380000122
Figure BDA0002506746380000123
Figure BDA0002506746380000124
其中，
Figure BDA0002506746380000125
为k+1时刻逆变器输出相电流的预测值；ix(k)为k时刻逆变器输出相电流；ex(k)为k时刻电网相电压；ux(k)为k时刻逆变器输出相电压；Δudc P(k+1)为k+1时刻直流侧上下电容电压差的预测值；Δudc(k)为k时刻直流侧上下电容电压差；
Figure BDA0002506746380000126
为k+1时刻各桥臂悬浮电容电压的预测值；ufx(k)为k时刻各桥臂悬浮电容电压；Ts为采样周期；R、L为并网电阻和电感；C,Cf分别为直流侧电容和悬浮电容；hx为相电流对于中点电位的影响因子；fx为相电流对悬浮电容影响因子；影响因子的取值根据各种开关状态下相电流对于中点电位和悬浮电容电压的不同影响确定，具体见表格1；其中x∈{a,b,c}。
多变量代价函数为：
Figure BDA0002506746380000131
其中，
Figure BDA0002506746380000132
分别表示逆变器输出电流参考值，直流侧上下电容电压差参考值以及悬浮电容电压参考值；λi表示该项指标的。电流对悬浮电容影响因子的取值根据各种开关状态下相电流对于中点电位和悬浮电容电压的影响确定。
局部寻优模型预测控制通过提前判断电压参考矢量所在扇区，将全局寻优问题化为在参考区域的局部寻优问题，大大减小了计算量，提高了控制效率，增加了硬件的可实现性。本发明除了对逆变器并网电流进行控制以外，还通过建立直流侧中点电位以及悬浮电容电压的数学模型，并进行离散化处理得到其预测模型，并构建多变量代价函数，将输出电流控制，中点电位控制以及悬浮电容电压控制添加进一个代价函数中，在实现并网电流控制的前提下同时也对直流侧中点电位和悬浮电容电压起到了很好的控制效果。
图6为五电平有源中点钳位型逆变器局部寻优模型预测控制系统结构示意，该装置包括直流电压源、两串联电容、主电路模块、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器、电流传感器、矢量计算模块、目标参考扇区判断模块及预测计算模块；直流电压源给两个串联电容供电。
第一传感器、第二传感器用于分别采集直流侧串联电容两端电压；第三传感器用于采集桥臂悬浮电容电压；第四传感器用于采集网侧电压；电流传感器用于采集逆变器输出并网电流；所述主电路模块用于实现电能变换及并网。
矢量计算模块用于构建dq矢量并进行矢量运算，计算出逆变器输出电压参考矢量；参考扇区判断模块用于判断参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；预测计算模块用于将第一、二、三、四传感器及电流传感器采集的信息结合小三角形区域中开关状态进行变量参考值预测，并带入代价函数进行寻优判断，找到最优控制目标。
参考扇区判断模是在五电平逆变器输出电压矢量图上利用矢量扇区定位方法实现的,矢量扇区定位方法具体步骤如图1所示。
利用MATLAB/Simulink模块，搭建五电平有源中点钳位型逆变器的模型预测控制仿真，验证所提出控制方法的可行性，仿真系统参数如表1所示。
表1仿真参数
参数 大小
直流侧电压 7.5kV
电网相电压 4.16kV
电网频率 50Hz
采样频率 20kHz
直流侧电容 4700uF
悬浮电容 1500uF
滤波电感 2mH
电阻 4Ω
图7给出了五电平逆变器改进模型预测控制的输出效果，可以看出并网电流波形规整，图8对输出电流进行频谱分析，THD仅为0.81％，畸变和纹波较小，同时直流侧上下电容电压、各相桥臂悬浮电容电压都稳定在参考值附近。同时如图7所示，在0.05S时突增给定电流为600A，在0.1S时突减给定电流为300A，观察系统的动态响应能力，可以看出突增参考电流时的过渡时间为0.4ms，突减参考电流的过渡时间为0.2ms，给定突变时输出迅速跟随给定，动态响应迅速。图9给出了在每个采样周期为了计算最优控制所进行的代价函数寻优计算的次数，可以看出，传统有限控制集模型预测控制每个采样周期需要计算512次，而改进的局部寻优模型预测控制平均每个采样周期只需要进行19.3次计算，将计算负荷缩减了26倍，节约了计算资源，减小了系统延迟。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包含的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合同样意味着处于本发明的保护范围之内并且形成不同的实施例。例如，在上面的实施例中，本领域技术人员能够根据获知的技术方案和本申请所要解决的技术问题，以组合的方式来使用。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (9)

1.一种矢量扇区定位方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
获取参考矢量在两相旋转坐标系下的相角，判断出参考矢量所在的大扇区；
将参考矢量在两相旋转坐标系下的分量进行gh坐标变换，确定出其所在大扇区中的表交界区域或菱形区域；
若参考矢量处于表交界区域，则直接得出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域，其中，表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域；
若参考矢量处于菱形区域，则通过参考矢量的平移定位方法，判断出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
所述参考矢量是由逆变器输出的三相参考电压在两相旋转坐标系下的分量
Figure FDA0002843081220000011
构成。
2.根据权利要求1所述的矢量扇区定位方法，其特征在于，所述大扇区中的表交界区域或菱形区域的判断方法为：
将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取整，确定出其所在大扇区中的菱形区域或表交界区域，其中表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域。
3.根据权利要求1或2所述的矢量扇区定位方法，其特征在于，所述参考矢量的平移定位方法为：
将参考矢量在gh坐标系下的分量对矢量图中单位长度取余，将目标菱形区域平移至矢量图的中心菱形区域；
根据中心菱形区域中的两个三角形的边界条件，确定出参考矢量位于目标菱形区域中的小三角形区域。
4.一种局部寻优模型预测控制方法，该方法适用于五电平并网逆变器，其特征在于，具体步骤如下：
通过建立数学模型，进行离散化处理，得出逆变器输出电流的预测模型；所述数学模型为五电平有源中点钳位型逆变器并网过程的模型；所述预测模型为用变量当前采样时刻的采样值预测被控变量下个采样时刻的输出值；
根据给定的逆变器输出电流的参考值构建dq矢量并进行矢量运算，计算出逆变器输出的电压参考矢量；
在五点平并网逆变器输出电压矢量图上利用权利要求1-3所述的任一矢量扇区定位方法，判断出逆变器电压参考矢量在矢量图中所处的小三角区域；
将目标小三角形区域内的所有的开关状态依次代入逆变器输出电流的预测模型得到预测值；
将预测值代入代价函数后与逆变器输出电流的参考值进行比较，将使得代价函数最小且满足开关切换限制条件的开关状态作用于逆变器的开关管。
5.根据权利要求4所述的局部寻优模型预测控制方法，其特征在于，该方法还包括，构建多变量代价函数，将逆变器输出电流、直流侧电容电压差及各相桥臂悬浮电容电压的预测值代入多变量代价函数；
所述多变量代价函数为将逆变器输出电流控制、直流侧中点电位控制以及各相桥臂悬浮电容电压控制加进一个代价函数中实现；
所述逆变器输出电流、直流侧电容电压差以及各相桥臂悬浮电容电压的预测值分别通过其各自的预测模型得到。
6.根据权利要求5所述的局部寻优模型预测控制方法，其特征在于，所述逆变器输出电流、直流侧电容电压差以及各相桥臂悬浮电容电压的预测模型分别为：
Figure FDA0002843081220000021
Figure FDA0002843081220000022
Figure FDA0002843081220000023
其中，
Figure FDA0002843081220000024
为k+1时刻逆变器输出相电流的预测值；ix(k)为k时刻逆变器输出相电流；ex(k)为k时刻电网相电压；ux(k)为k时刻逆变器输出相电压；Δudc P(k+1)为k+1时刻直流侧上下电容电压差的预测值；Δudc(k)为k时刻直流侧上下电容电压差；
Figure FDA0002843081220000025
为k+1时刻各桥臂悬浮电容电压的预测值；ufx(k)为k时刻各桥臂悬浮电容电压；Ts为采样周期；R、L为并网电阻和滤波电感；C,Cf分别为直流侧电容和悬浮电容；hx为相电流对于中点电位的影响因子；fx为相电流对悬浮电容影响因子；上述两个影响因子的取值是根据各种开关状态下相电流对于中点电位和相电流对于悬浮电容电压的影响确定。
7.根据权利要求5所述的局部寻优模型预测控制方法，其特征在于，所述逆变器输出的电压参考值的计算过程为：
将电网电压ea(k),eb(k),ec(k)进行Clark及park变换得到ed(k),eq(k)；
将并网电流参考值
Figure FDA0002843081220000031
进行Clark及park变换得到
Figure FDA0002843081220000032
构成dq矢量：
Figure FDA0002843081220000033
逆变器参考电压dq矢量的计算为：
Figure FDA0002843081220000034
将计算得到的逆变器参考电压dq矢量的分量
Figure FDA0002843081220000035
进行反park变换得到逆变器输出电压参考矢量在两相旋转坐标系下分量
Figure FDA0002843081220000036
8.根据权利要求5所述的局部寻优模型预测控制方法，其特征在于，所述多变量代价函数为：
Figure FDA0002843081220000037
其中，
Figure FDA0002843081220000038
分别表示逆变器输出电流参考值；直流侧电容电压差参考值以及悬浮电容电压参考值；
Figure FDA0002843081220000039
为k+1时刻逆变器输出相电流的预测值；Δudc P(k+1)为k+1时刻直流侧上下电容电压差的预测值；
Figure FDA00028430812200000310
为k+1时刻各桥臂悬浮电容电压的预测值；λ1，λ2分别表示该项指标的权重因子。
9.一种局部寻优模型预测控制装置，该控制装置适用于五电平并网逆变器，其特征在于：包括直流电压源、两串联电容、主电路模块、第一电压传感器、第二电压传感器、第三电压传感器、第四电压传感器、电流传感器、矢量计算模块、目标参考扇区判断模块及预测计算模块；
所述直流电压源给两个直流侧串联电容供电；
所述第一传感器、第二传感器用于分别采集直流侧串联电容两端电压；
所述第三传感器用于采集桥臂悬浮电容电压；
所述第四传感器用于采集网侧电压；
所述电流传感器用于采集逆变器输出并网电流；
所述主电路模块用于实现电能变换及并网；
所述矢量计算模块用于构建dq矢量并进行矢量运算，计算出逆变器输出电压参考矢量；
所述参考扇区判断模块用于判断参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
所述预测计算模块用于将第一、二、三、四传感器及电流传感器采集的信息结合小三角形区域中开关状态进行变量参考值预测，并带入代价函数进行寻优判断，找到最优控制目标；
所述参考扇区判断模块用于判断参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域是在五电平并网逆变器输出电压矢量图上利用矢量扇区定位方法实现的；
其中，矢量扇区定位方法具体步骤如下：
获取参考矢量在两相旋转坐标系下的相角，判断出参考矢量所在的大扇区；
将参考矢量在两相旋转坐标系下的分量进行gh坐标变换，确定出其所在大扇区中的表交界区域或菱形区域；
若参考矢量处于表交界区域，则直接得出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域，其中，表交界区域是指矢量图最外围的独立小三角区域；
若参考矢量处于菱形区域，则通过参考矢量的平移定位方法，判断出参考矢量在矢量图中所处的小三角形区域；
所述参考矢量是由逆变器输出的三相参考电压在两相旋转坐标系下的分量
Figure FDA0002843081220000041
构成。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112994498A (zh) * 2021-02-08 2021-06-18 山东大学 一种七电平逆变电路、逆变器及控制方法
CN113450029B (zh) * 2021-08-30 2022-01-25 广东电网有限责任公司湛江供电局 一种电力资源调度优化系统的超维度三角寻优方法和系统
CN113904577B (zh) * 2021-10-08 2023-11-17 山东大学 一种多电平逆变器模型预测控制方法及系统
CN117792137A (zh) * 2023-12-28 2024-03-29 苏州大学 五电平heric有源钳位逆变器的模型预测控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9755546B2 (en) * 2012-11-21 2017-09-05 Otis Elecator Company PWM controlled neutral point clamped multilevel converter
CN106712556A (zh) * 2017-03-10 2017-05-24 中国矿业大学 一种三电平h桥五电平逆变器直流侧电容电压平衡方法
CN107134939B (zh) * 2017-06-02 2019-05-17 华南理工大学 一种三电平并网逆变器双模型预测直接功率控制方法
CN108696170B (zh) * 2018-04-25 2019-08-20 华南理工大学 用于两电平三相逆变器的定频有限集模型预测控制方法
CN110867887B (zh) * 2019-10-16 2022-09-06 南京理工大学 Npc三电平逆变器最优序列模型预测控制装置及方法

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