CN112448606A - 带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法 - Google Patents

带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法 Download PDF

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卜京
张飞云
孙莹
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Abstract

本发明公开了一种带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法。该方法主要针对阻感负载之下，基于模型预测的二极管箝位型三电平（NPC）在一个周期之内需要完成对27个开关状态的电流、电压预测和目标函数的计算量比较大的问题，提出将目标函数中的电流预测值用电压预测值代替，使得预测控制的目标变为在27个电压矢量中选择与参考矢量最为接近的一个，在一定程度上减少了运算量，提高了效率，同时也不影响其性能。

Description

带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法
技术领域
本发明属于电力电子控制策略以及新能源技术领域，具体是一种带阻感负载三电平逆变器的改进模型控制方法。
背景技术
基于二极管箝位三电平作为多电平技术中使用最为广泛的一种技术，解决其不可避免的中点电位不平衡的问题尤其重要，模型控制以其动态响应好，不需要参数整定等优点被广大学者研究讨论。
二极管箝位型三电平逆变器存在两个大方面的问题，一是中点电位平衡，二是共模电压，这两个问题的存在会造成逆变器的使用寿命缩短和安全隐患问题。目前大部分学者主要从这两个方面入手，分别考虑硬件和软件方面，软件的优势大于硬件，因此控制策略是广大学者的聚焦点。学者们针对以上两个问题提出了许多控制方法来单独解决一个问题，而模型预测控制则可以将这两个问题作为控制目标放入目标函数中，从而达到一个很好的控制效果，但这样也相应的增大了计算量。
发明内容
本发明目的是在于提供一种带阻感负载三电平逆变器的改进模型控制方法，解决现有带阻感负载三电平逆变器中，利用模型预测的控制方式中没有考虑到计算量的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，包括以下步骤：
1)针对逆变器负载模型，检测三相负载电流、直流侧两个分压电容电压；
2)设定参考电流，进行相角补偿；设置初始时刻最优开关状态和初始目标函数最优值g_opt；
3)对步骤1)中的三相负载电流由abc坐标转换为αβ坐标，进行clark变换；
4)应用初始时刻的最优开关状态，根据离散公式对电流和直流侧电容电压进行tk+1时刻的预测，同时计算电压矢量；
5)利用步骤4)中的tk+1时刻的预测值，根据离散公式预测tk+2时刻的直流侧电容电压；
6)利用步骤4)中的电压矢量值和步骤5)中的直流侧电容电压预测值，计算27个开关状态下的改进目标函数g；
7)将步骤6)中改进的目标函数值与初始目标函数最优值g_opt进行比较，选择两者之间小的数值作为新的目标函数最优值，且将此时的开关状态输出，最后应用新的开关状态驱动逆变器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)在不影响动态响应的前提之下，通过对目标函数的优化，从而减小运算量。(2)同时指标函数中考虑电流跟踪、中点电位平衡、减小共模电压和降低开关频率(3)针对采样和计算引起的延时问题，采用两步预测的方式和对参考电流进行相角补偿来应对。
附图说明
图1是逆变器负载图。
图2是优化方法总体实施流程图。
图3是中点电位平衡图。
图4是共模电压图。
图5是电流跟踪图。
具体实施方式
本发明带阻感负载三电平逆变器的改进模型控制方法，针对逆变器负载模型，对三相负载的电流以及直流侧电容电压进行采样；确定参考电流，实现相角补偿，计算电压矢量；对三相负载的电流实现坐标转换；采用离散化模型，利用模型两步预测的方法对负载电流和直流侧电容电压进行预测；将需要控制的目标构建成目标函数，进行相应的计算，从而选择使得目标函数最优的开关状态驱动逆变器。
具体步骤为：
第一步，采样。利用三路电流检测装置对三电平逆变器负载侧的电流进行采样，采用两路电压检测装置在直流侧分压电容处检测电容电压。
第二步，确定参考电流。自行设置数值，采用以下公式进行相角补偿，计算电压矢量。
Figure BDA0002184734440000031
其中，ω＝2πf，f是频率，Ts是采样时间，
Figure BDA0002184734440000032
是tk+1时刻的参考矢量，
Figure BDA0002184734440000033
是tk时刻的参考电流矢量。
第三步，坐标变换。对三相负载电流利用以下公式进行坐标变换。
Figure BDA0002184734440000034
其中，iα,iβ为两相坐标系下的电流，ia,ib,ic为三相坐标系下的电流。
第四步，模型预测第一步。利用以下公式对负载侧电流和直流侧电容电压分别进行预测，计算电压矢量。
Figure BDA0002184734440000035
Figure BDA0002184734440000036
Figure BDA0002184734440000037
其中，R是负载侧的电阻，L是负载侧的电感，Ts是采样时间，iα,β(k)是tk时刻的电流测量值，ic1(k)、ic2(k)是tk时刻直流侧电容电流，uα,β(k)是第k个周期逆变器的输出电压；
Figure BDA0002184734440000038
和
Figure BDA0002184734440000039
是tk+1时刻的预测电流和直流侧电容预测电压。
第五步，模型预测第二步。利用以下公式对直流侧电容电压进行预测。
Figure BDA00021847344400000310
其中，R是负载侧的电阻，L是负载侧的电感，Ts是采样时间，
Figure BDA00021847344400000311
是tk+1时刻的电流预测值，
Figure BDA00021847344400000312
是tk时刻直流侧电容电流，uα,β(k+1)是第k+1个周期逆变器的输出电压；
Figure BDA00021847344400000313
是tk+1时刻的预测电流和直流侧电容预测电压；
Figure BDA00021847344400000314
和
Figure BDA00021847344400000315
是tk+2时刻的预测电流和直流侧电容预测电压。
第六步，目标函数。利用以下具有多控制目标的目标函数进行计算。
Figure BDA0002184734440000041
nc＝|Sa(k)-Sa(iopt)|+|Sb(k)-Sb(iopt)|+|Sc(k)-Sc(iopt)|
Figure BDA0002184734440000042
式中，
Figure BDA0002184734440000043
和
Figure BDA0002184734440000044
是开关状态对应的电压矢量在tk+1时刻的实部和虚部，ujα(k+1)和ujβ(k+1)是电压矢量在tk+1的实部和虚部，λdc、λn和λcm是中点电位平衡权重因子、降低开关频率的权重因子和减小共模电压的权重因子，
Figure BDA0002184734440000045
和
Figure BDA0002184734440000046
是tk+2时刻的电容电压预测值，nc是从当前状态切换到未来某一时刻的开关状态时开关管切换次数，ucm是关于共模电压的函数，Sa,b,c是逆变器的三相开关。
第七步，驱动逆变器。应用以上步骤计算得出的最优开关状态作为开关管的门极驱动信号来驱动逆变器。
下面结合说明书附图对本发明作进一步说明。
本发明一种带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，不仅仅解决了三电平逆变器无法避免的中点平衡问题和共模电压问题，还充分考虑了降低开关频率，电流追踪效果，更是对三电平逆变器计算量大的问题提出了优化方案，主要通过对目标函数的优化来达到目标，具体优化方法的实现步骤如下：
第一步，如图1所示，采用三路电流检测装置对三电平逆变器负载侧的电流进行采样，采用两路电压检测装置在直流侧分压电容处检测电容电压。
第二步，确定参考电流，采用以下公式进行相角补偿。
Figure BDA0002184734440000047
其中，ω＝2πf，f是频率，Ts是采样时间，
Figure BDA0002184734440000048
是tk+2时刻的电流矢量，
Figure BDA0002184734440000049
是tk时刻的电流矢量，
Figure BDA00021847344400000410
是tk+1时刻的电压矢量。
第三步，对三相负载电流参考以下公式进行坐标变换。
Figure BDA0002184734440000051
其中，iα,iβ为两相坐标系下的电流，ia,ib,ic为三相坐标系下的电流。
第四步，采用模型预测的方式根据以下公式对负载侧电流和直流侧电容电压分别进行第一步预测，同时计算电压矢量。
Figure BDA0002184734440000052
Figure BDA0002184734440000053
Figure BDA0002184734440000054
其中，R是负载侧的电阻，L是负载侧的电感，Ts是采样时间，iα,β(k)是tk时刻的电流测量值，ic1(k)、ic2(k)是tk时刻直流侧电容电流，uα,β(k)是第k个周期逆变器的输出电压；
Figure BDA0002184734440000055
和
Figure BDA0002184734440000056
是tk+1时刻的预测电流和直流侧电容预测电压。
第五步，利用以下公式对直流侧电容电压进行第二步的预测。
Figure BDA0002184734440000057
其中，R是负载侧的电阻，L是负载侧的电感，Ts是采样时间，
Figure BDA0002184734440000058
是tk+1时刻的电流预测值，
Figure BDA0002184734440000059
是tk时刻直流侧电容电流，uα,β(k+1)是第k+1个周期逆变器的输出电压；
Figure BDA00021847344400000510
是tk+1时刻的预测电流和直流侧电容预测电压；
Figure BDA00021847344400000511
和
Figure BDA00021847344400000512
是tk+2时刻的预测电流和直流侧电容预测电压。
第六步，利用以下具有多控制目标的目标函数进行计算，相较于传统的方法：一个周期之内需要完成对27个开关状态的电流、电压预测和目标函数的计算变为在27个电压矢量中选择与参考矢量最为接近的一个，在不影响性能的基础上同时减小了计算量。
Figure BDA0002184734440000061
nc＝|Sa(k)-Sa(iopt)|+|Sb(k)-Sb(iopt)|+|Sc(k)-Sc(iopt)|
Figure BDA0002184734440000062
式中，
Figure BDA0002184734440000063
和
Figure BDA0002184734440000064
是开关状态对应的电压矢量在tk时刻的实部和虚部，ujα(k)和ujβ(k)是电压矢量在tk的实部和虚部，λdc、λn和λcm是中点电位平衡权重因子、降低开关频率的权重因子和减小共模电压的权重因子，
Figure BDA0002184734440000065
和
Figure BDA0002184734440000066
是tk+1时刻的电容电压预测值，nc是从当前状态切换到未来某一时刻的开关状态时开关管切换次数，ucm是关于共模电压的函数，Sa,b,c是逆变器的三相开关。
第七步，应用以上步骤计算得出的最优开关状态作为开关管的门极驱动信号来驱动逆变器，同时达到了控制目的，中点电位平衡见图3，共模电压的抑制如图4，电流跟踪效果如图5所示。
本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的改动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1.一种带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，其特征在于，包括以下的步骤：
1)针对逆变器负载模型，检测三相负载电流、直流侧两个分压电容电压；
2)设定参考电流，进行相角补偿；设置初始时刻最优开关状态和初始目标函数最优值g_opt；
3)对步骤1)中的三相负载电流由abc坐标转换为αβ坐标，进行clark变换；
4)应用初始时刻的最优开关状态，根据离散公式对电流和直流侧电容电压进行tk+1时刻的预测，同时计算电压矢量；
5)利用步骤4)中的tk+1时刻的预测值，根据离散公式预测tk+2时刻的直流侧电容电压；
6)利用步骤4)中的电压矢量值和步骤5)中的直流侧电容电压预测值，计算27个开关状态下的改进目标函数g；
7)将步骤6)中改进的目标函数值与初始目标函数最优值g_opt进行比较，选择两者之间小的数值作为新的目标函数最优值，且将此时的开关状态输出，最后应用新的开关状态驱动逆变器。
2.根据权利要求1所述的带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，其特征在于：步骤1)中所述逆变器负载模型包括NPC逆变器、RL负载、直流电压源、两个分压电容以及驱动模块。
3.根据权利要求1所述的带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤2)中，参考电流采用正弦波，设定数值，利用相角补偿法，根据公式(1)计算参考电流
Figure RE-FDA0002429935600000011
其中，
Figure RE-FDA0002429935600000012
是tk+2时刻的参考电流，
Figure RE-FDA0002429935600000013
是tk时刻的参考电流，ω＝2πf，f是频率，Ts是采样时间。
4.根据权利要求1所述的带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，所述步骤(3)中，利用clark公式来简化计算，转换公式如下：
Figure RE-FDA0002429935600000021
其中，iα,iβ为两相坐标系下的电流，ia,ib,ic为三相坐标系下的电流。
5.根据权利要求1所述的带阻感负载三电平逆变器的改进模型预测控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中，根据带阻感负载三电平逆变器的特性，采用离散后的公式(3)和(4)得到tk+1时刻的预测电流
Figure RE-FDA0002429935600000022
和电容预测电压
Figure RE-FDA0002429935600000023
根据公式(3)反推计算tk+1时刻的电压矢量
Figure RE-FDA0002429935600000024
Figure RE-FDA0002429935600000025
Figure RE-FDA0002429935600000026
式中，R是负载侧的电阻，L是负载侧的电感，Ts是采样时间，ic1(k)、ic2(k)是tk时刻直流侧电容电流，uα,β(k)是第k个周期逆变器的输出电压；其中，ic1(k)、ic2(k)根据以下公式计算得到：
Figure RE-FDA0002429935600000027
其中，isa,sb,sc(k)是tk时刻的负载电流，Hsa,sb,sc是时刻的开关状态。
6.根据权利要求1所述的带阻感负载三电平逆变器的改进模型控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中，根据公式(6)得到tk+2时刻的直流侧电容预测电压
Figure RE-FDA0002429935600000028
Figure RE-FDA0002429935600000031
其中，R是负载侧的电阻，L是负载侧的电感，Ts是采样时间，
Figure RE-FDA0002429935600000032
是tk+1时刻的电流预测值，
Figure RE-FDA0002429935600000033
是tk时刻直流侧电容电流，uα,β(k+1)是第k+1个周期逆变器的输出电压；
Figure RE-FDA0002429935600000034
是tk+1时刻的预测电流和直流侧电容预测电压。
7.根据权利要求1所述的带阻感负载三电平逆变器的改进模型控制方法，所述步骤(6)中，目标函数的组成部分包括：电流跟踪、中点电位平衡、减小共模电压、降低开关频率，目标函数采用绝对误差的形式表现：
Figure RE-FDA0002429935600000035
式中，
Figure RE-FDA0002429935600000036
和
Figure RE-FDA0002429935600000037
是开关状态对应的电压矢量在tk+1时刻的实部和虚部，ujα(k+1)和ujβ(k+1)是电压矢量在tk+1的实部和虚部，λdc、λn和λcm是中点电位平衡权重因子、降低开关频率的权重因子和减小共模电压的权重因子，
Figure RE-FDA0002429935600000038
和
Figure RE-FDA0002429935600000039
是tk+2时刻的电容电压预测值，nc是从当前状态切换到未来某一时刻的开关状态时开关管切换次数，ucm是关于共模电压的函数，两者根据公式(8)计算得到；
nc＝|Sa(k)-Sa(iopt)|+|Sb(k)-Sb(iopt)|+|Sc(k)-Sc(iopt)|
Figure RE-FDA00024299356000000310
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