CN112737385B - 一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法及装置，应用于多电平变换器，所述方法包括：通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能；本发明的优点在于：使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能，计算量较小，适合应用在三电平以上的多电平变换器。

Description

一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法及装置
技术领域
本发明涉及矢量调制技术领域，更具体涉及一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法及装置。
背景技术
空间矢量调制技术(SVM)由于其高电压利用率，被广泛应用于逆变器调制中。当电路输出电平较多时，传统的SVM存在计算量大，不适合应用在三电平以上的多电平变换器，开环SVM在高电平电路中还存在电流跟踪误差大的缺点。
中国专利申请号CN201910902952.5，公开了一种基于最近电平等效的空间矢量调制方法，属于电力电子技术领域。首先由最近电平调制原理直接算出三个调制点中离原点最近的矢量点，并由该点直接得到每一相在调制过程中的占空比。其次对所得出的三相占空比进行各自比较确认出最大占空比，中间占空比与最小占空比并进一步得出空间矢量中每一个作用矢量的占空比。最后由所给定的公式模型根据前面所得占空比排序序号自动产生矢量作用序列及开关管的脉冲序号。整个算法实现简单，具有较好的灵活性与扩展性，适用于工程应用。但是该专利申请没有考虑电流跟踪误差的问题且计算量较大，不适合应用在三电平以上的多电平变换器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术的电平变换器矢量调制方法及装置没有考虑电流跟踪误差的问题且计算量较大，不适合应用在三电平以上的多电平变换器。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法，应用于多电平变换器，所述方法包括：
步骤一、通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；
步骤二、通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；
步骤三、将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能。
本发明通过系统参考电流指令计算出对应的参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能，计算量较小，适合应用在三电平以上的多电平变换器。
进一步地，通过前向欧拉法得到多电平变换器的系统离散域模型为：
Figure GDA0003384500120000021
Figure GDA0003384500120000022
Figure GDA0003384500120000023
其中，k表示第k个控制周期，i(k+1)表示第k+1个控制周期的输出电流，Ts表示采样与控制周期，L表示滤波电感，u(k)表示第k个控制周期的输出电压，R表示阻性负载，i(k)表示第k个控制周期的输出电流，udc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压，j表示三相符号且取a，b或c，C1表示H桥的电容，
Figure GDA0003384500120000031
表示第k个控制周期第j相的平均输出电流，udc_j1(k)表示第k个控制周期H桥的第j相直流侧电压，Δudc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压的变化量，
Figure GDA0003384500120000032
表示第k个控制周期第j相NPC中性点流出的电流的平均值，Δudc(k)表示第k个控制周期内NPC直流侧电压变化量。
更进一步地，所述多电平变换器的每一相由中性点钳位变换器NPC的一相桥臂与H桥变换器级联组成，多电平变换器的每一相中的H桥变换器的输出端均顺次串联一个滤波电感和一个阻性负载，多电平变换器的每一相的阻性负载的非串联端连接在一起。
更进一步地，所述步骤一包括：
当系统参考电流指令确定时，通过公式
Figure GDA0003384500120000033
获取对应的参考电压，其中，u*(k)表示第k个控制周期内参考电压，i*(k+1)表示第k+1个控制周期内参考电流；
将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，通过公式
Figure GDA0003384500120000034
表征gh坐标系下的电压矢量，v表示索引且v取1、2、3，Vgv表示g轴第v个电压矢量，Vhv表示h轴第v个电压矢量，Vαv表示α轴第v个电压矢量，Vβv表示β轴第v个电压矢量；
通过公式
Figure GDA0003384500120000035
对参考电压进行分类，确定参考电压矢量的终点位于A类或B类三角形中，所属三角形对应的三个顶点即为用于合成参考电压的三个邻近电压矢量，其中，[g0 h0]T＝[|Vg1| |Vh1|]T，g0表示坐标变化后的g轴坐标，h0表示坐标变化后的h轴坐标，A表示A类三角形，B表示B类三角形。
再进一步地，所述步骤二包括：
通过公式
Figure GDA0003384500120000041
获得三个邻近电压矢量在αβ轴下的斜率，其中，r表示斜率索引且r＝α1、α2、α3、β1、β2或β3，r＝α1时，表示α轴第1个，sα1表示α轴下第1个斜率；
通过公式
Figure GDA0003384500120000042
获取三相电流在αβ坐标系下的误差，其中
Figure GDA0003384500120000043
Δα表示三相电流在α坐标系下的误差，iα *(k+1)表示第k+1个控制周期内α轴参考电流，iα(k)表示第k个控制周期内α轴输出电流，t1表示第一个邻近电压矢量的开通时间，t2表示第二个邻近电压矢量的开通时间，t3表示第三个邻近电压矢量的开通时间，Δβ表示三相电流在β坐标系下的误差，iβ *(k+1)表示第k+1个控制周期内β轴参考电流，iβ(k)表示第k个控制周期内β轴输出电流；
通过公式
Figure GDA0003384500120000044
Figure GDA0003384500120000045
使αβ两相误差的平方和分别对开通时间的偏导数为0，且J＝Δα 2+Δβ 2，其中，
Figure GDA0003384500120000046
表示求偏导符号，J表示αβ两相误差的平方和；
通过公式
Figure GDA0003384500120000048
获取满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，其中Iα＝iα *(k+1)-iα(k),Iβ＝iβ *(k+1)-iβ(k)，d1表示第一个邻近电压矢量的最优占空比，Iα表示α轴下电流中间变量，Iβ表示β轴下电流中间变量，d2表示第二个邻近电压矢量的最优占空比，d3表示第三个邻近电压矢量的最优占空比。
本发明还提供一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制装置，应用于多电平变换器，所述装置包括：
邻近电压矢量获取模块，用于通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；
最优占空比获取模块，用于通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；
矢量调制模块，用于将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能。
进一步地，通过前向欧拉法得到多电平变换器的系统离散域模型为：
Figure GDA0003384500120000051
Figure GDA0003384500120000052
Figure GDA0003384500120000053
其中，k表示第k个控制周期，i(k+1)表示第k+1个控制周期的输出电流，Ts表示采样与控制周期，L表示滤波电感，u(k)表示第k个控制周期的输出电压，R表示阻性负载，i(k)表示第k个控制周期的输出电流，udc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压，j表示三相符号且取a，b或c，C1表示H桥的电容，
Figure GDA0003384500120000054
表示第k个控制周期第j相的平均输出电流，udc_j1(k)表示第k个控制周期H桥的第j相直流侧电压，Δudc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压的变化量，
Figure GDA0003384500120000061
表示第k个控制周期第j相NPC中性点流出的电流的平均值，Δudc(k)表示第k个控制周期内NPC直流侧电压变化量。
更进一步地，所述多电平变换器的每一相由中性点钳位变换器NPC的一相桥臂与H桥变换器级联组成，多电平变换器的每一相中的H桥变换器的输出端均顺次串联一个滤波电感和一个阻性负载，多电平变换器的每一相的阻性负载的非串联端连接在一起。
更进一步地，所述邻近电压矢量获取模块还用于：
当系统参考电流指令确定时，通过公式
Figure GDA0003384500120000062
获取对应的参考电压，其中，u*(k)表示第k个控制周期内参考电压，i*(k+1)表示第k+1个控制周期内参考电流；
将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，通过公式
Figure GDA0003384500120000063
表征gh坐标系下的电压矢量，v表示索引且v取1、2、3，Vgv表示g轴第v个电压矢量，Vhv表示h轴第v个电压矢量，Vαv表示α轴第v个电压矢量，Vβv表示β轴第v个电压矢量；
通过公式
Figure GDA0003384500120000064
对参考电压进行分类，确定参考电压矢量的终点位于A类或B类三角形中，所属三角形对应的三个顶点即为用于合成参考电压的三个邻近电压矢量，其中，[g0 h0]T＝[|Vg1| |Vh1|]T，g0表示坐标变化后的g轴坐标，h0表示坐标变化后的h轴坐标，A表示A类三角形，B表示B类三角形。
再进一步地，所述最优占空比获取模块还用于：
通过公式
Figure GDA0003384500120000071
获得三个邻近电压矢量在αβ轴下的斜率，其中，r表示斜率索引且r＝α1、α2、α3、β1、β2或β3，r＝α1时，表示α轴第1个，sα1表示α轴下第1个斜率；
通过公式
Figure GDA0003384500120000072
获取三相电流在αβ坐标系下的误差，其中
Figure GDA0003384500120000073
Δα表示三相电流在α坐标系下的误差，iα *(k+1)表示第k+1个控制周期内α轴参考电流，iα(k)表示第k个控制周期内α轴输出电流，t1表示第一个邻近电压矢量的开通时间，t2表示第二个邻近电压矢量的开通时间，t3表示第三个邻近电压矢量的开通时间，Δβ表示三相电流在β坐标系下的误差，iβ *(k+1)表示第k+1个控制周期内β轴参考电流，iβ(k)表示第k个控制周期内β轴输出电流；
通过公式
Figure GDA0003384500120000074
Figure GDA0003384500120000075
使αβ两相误差的平方和分别对开通时间的偏导数为0，且J＝Δα 2+Δβ 2，其中，
Figure GDA0003384500120000076
表示求偏导符号，J表示αβ两相误差的平方和；
通过公式
Figure GDA0003384500120000078
获取满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，其中Iα＝iα *(k+1)-iα(k),Iβ＝iβ *(k+1)-iβ(k)，d1表示第一个邻近电压矢量的最优占空比，Iα表示α轴下电流中间变量，Iβ表示β轴下电流中间变量，d2表示第二个邻近电压矢量的最优占空比，d3表示第三个邻近电压矢量的最优占空比。
本发明的优点在于：本发明通过系统参考电流指令计算出对应的参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能，计算量较小，适合应用在三电平以上的多电平变换器。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法中一种多电平变换器的原理图；
图2为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法的算法逻辑过程示意图；
图3为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法中gh坐标系下电压矢量坐标示意图；
图4为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法中电压矢量所属三角形类型示意图；
图5为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法中矢量调制过程示意图；
图6为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法调制下输出电压实验结果图；
图7为本发明实施例所公开的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法调制下电流总谐波失真(THD)结果图。
具体实施方式
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，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作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。
实施例1
一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法，应用于多电平变换器，如图1所示为多电平变换器示意图，所述多电平变换器的每一相由中性点钳位变换器NPC的一相桥臂与H桥变换器级联组成，多电平变换器的每一相中的H桥变换器的输出端均顺次串联一个滤波电感和一个阻性负载，多电平变换器的每一相的阻性负载的非串联端连接在一起。udc_1和udc_2为NPC直流侧电压，udc_a1，udc_b1，udc_c1为三相H桥直流侧电压，ioa，iob，ioc为NPC中性点电流，ia，ib，ic为变换器三相输出电流。当H桥直流侧电压设定为NPC直流侧电容额定电压一半时，系统输出为7电平。需要说明的是，本发明应用场合不限于NPC与H桥组成的多电平电路，理论上还适用于其他级联或混合式多电平电路，
如图2所示，以下详细介绍本发明实施例1提供的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法，所述方法包括：
步骤一、通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；具体为：
通过前向欧拉法得到多电平变换器的系统离散域模型为：
Figure GDA0003384500120000101
Figure GDA0003384500120000102
Figure GDA0003384500120000103
当用于调制的电压矢量与对应的开关时间确定时，此模型能够得到对应的电流与电压。其中，k表示第k个控制周期，i(k+1)表示第k+1个控制周期的输出电流，Ts表示采样与控制周期，L表示滤波电感，u(k)表示第k个控制周期的输出电压，R表示阻性负载，i(k)表示第k个控制周期的输出电流，udc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压，j表示三相符号且取a，b或c，C1表示H桥的电容，
Figure GDA0003384500120000104
表示第k个控制周期第j相的平均输出电流，udc_j1(k)表示第k个控制周期H桥的第j相直流侧电压，Δudc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压的变化量，
Figure GDA0003384500120000105
表示第k个控制周期第j相NPC中性点流出的电流的平均值，Δudc(k)表示第k个控制周期内NPC直流侧电压变化量。
本发明主要分为邻近电压矢量选取与最优占空比计算，最终通过矢量调制使变换器达到期望输出。邻近电压矢量选取的过程如下：
当系统参考电流指令确定时，通过公式
Figure GDA0003384500120000106
获取对应的参考电压，其中，u*(k)表示第k个控制周期内参考电压，i*(k+1)表示第k+1个控制周期内参考电流；
将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，通过公式
Figure GDA0003384500120000111
表征gh坐标系下的电压矢量，v表示索引且v取1、2、3，Vgv表示g轴第v个电压矢量，Vhv表示h轴第v个电压矢量，Vαv表示α轴第v个电压矢量，Vβv表示β轴第v个电压矢量；
电压矢量的选取过程如图3所示，根据坐标特点进行分类，参考电压矢量的终点始终位于A类或B类三角形中。如图4所示，所属三角形对应的三个顶点即为用于合成参考电压的邻近电压矢量。通过公式
Figure GDA0003384500120000112
对参考电压进行分类，确定参考电压矢量的终点位于A类或B类三角形中，其中，[g0 h0]T＝[|Vg1| |Vh1|]T，g0表示坐标变化后的g轴坐标，为常数；h0表示坐标变化后的h轴坐标，为常数；A表示A类三角形，B表示B类三角形。判断所属的三角形类别以后，邻近电压矢量的坐标可通过整数计算得到。
步骤二、通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；最优占空比的计算过程如下：
通过公式
Figure GDA0003384500120000113
获得三个邻近电压矢量在αβ轴下的斜率，其中，r表示斜率索引且r＝α1、α2、α3、β1、β2或β3，r＝α1时，表示α轴第1个，sα1表示α轴下第1个斜率；
通过公式
Figure GDA0003384500120000114
获取三相电流在αβ坐标系下的误差，其中
Figure GDA0003384500120000115
Δα表示三相电流在α坐标系下的误差，iα *(k+1)表示第k+1个控制周期内α轴参考电流，iα(k)表示第k个控制周期内α轴输出电流，t1表示第一个邻近电压矢量的开通时间，t2表示第二个邻近电压矢量的开通时间，t3表示第三个邻近电压矢量的开通时间，Δβ表示三相电流在β坐标系下的误差，iβ *(k+1)表示第k+1个控制周期内β轴参考电流，iβ(k)表示第k个控制周期内β轴输出电流；t1，t2和t3三者和为恒定控制周期Ts。
通过公式
Figure GDA0003384500120000121
Figure GDA0003384500120000122
使αβ两相误差的平方和分别对开通时间的偏导数为0，且J＝Δα 2+Δβ 2，其中，
Figure GDA0003384500120000123
表示求偏导符号，J表示αβ两相误差的平方和；
通过公式
Figure GDA0003384500120000125
获取满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，其中Iα＝iα *(k+1)-iα(k),Iβ＝iβ *(k+1)-iβ(k)，d1表示第一个邻近电压矢量的最优占空比，Iα表示α轴下电流中间变量，Iβ表示β轴下电流中间变量，d2表示第二个邻近电压矢量的最优占空比，d3表示第三个邻近电压矢量的最优占空比。
步骤三、将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能。此处矢量调制过程采用现有技术，具体过程为：对所得的邻近电压矢量和占空比进行空间矢量调制，如图5所示，每个矢量在对应的前半周期的开关状态均由0切换为1，由此得到占空比的变化波形，并与同步的三角载波进行比较，最后通过电路中开关状态的互补关系得到所有开关器件的驱动信号。以图5为例，当三个电压矢量终点坐标分别为[5 3 1]，[6 4 1]，[6 3 1]时，对应的开关顺序为[5 3 1]—[6 31]—[6 4 1]—[6 3 1]—[5 3 1]，三个电压矢量对应占空比分别占总开关周期的1/2，1/4，1/2，由此得到开关信号能够使电路的开关次数最少。结合之前的模型预测，使电流跟踪误差最小化，此时使多电平变换器可达到最优的电流跟踪性能。
以下通过实例验证本发明的有效性，在多电平变换器实验平台上进行验证，系统实际参数如下：
表1系统实际参数表
参数 符号 数值
负载电感 L 4mH
负载电阻 R 10Ω
NPC直流侧电压 u<sub>dc</sub> 180V
H桥直流侧电压 u<sub>dc_j1</sub> 45V
采样频率 f<sub>s</sub> 20kHz
基波频率 f 50Hz
实验结果如图6和图7所示，采用本发明调制方法时，输出电压精度高，电流跟踪误差小，电容电压始终保持稳定，对应的电流THD为1.8％，有良好的输出性能。
通过以上技术方案，本发明提供的一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法，通过系统参考电流指令计算出对应的参考电压，将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，根据坐标特点将电压矢量终点所在的三角形区域分为两类，通过坐标关系可判断所属的三角形类别，得到邻近电压矢量的坐标；通过电流跟踪的误差计算各邻近矢量的占空比，以αβ两相误差的平方和最小化为约束条件，使其分别对作用时间的偏导数为0，得到满足最小电流跟踪误差的最优占空比，最后将电压矢量与占空比调制为驱动信号，控制开关导通，能够使多电平电路到达矢量调制下的最优电流跟踪性能。
实施例2
与本发明实施例1相对应的，本发明实施例2还提供一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制装置，应用于多电平变换器，所述装置包括：
邻近电压矢量获取模块，用于通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；
最优占空比获取模块，用于通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；
矢量调制模块，用于将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能。
进一步地，通过前向欧拉法得到多电平变换器的系统离散域模型为：
Figure GDA0003384500120000141
Figure GDA0003384500120000142
Figure GDA0003384500120000143
其中，k表示第k个控制周期，i(k+1)表示第k+1个控制周期的输出电流，Ts表示采样与控制周期，L表示滤波电感，u(k)表示第k个控制周期的输出电压，R表示阻性负载，i(k)表示第k个控制周期的输出电流，udc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压，j表示三相符号且取a，b或c，C1表示H桥的电容，
Figure GDA0003384500120000144
表示第k个控制周期第j相的平均输出电流，udc_j1(k)表示第k个控制周期H桥的第j相直流侧电压，Δudc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压的变化量，
Figure GDA0003384500120000151
表示第k个控制周期第j相NPC中性点流出的电流的平均值，Δudc(k)表示第k个控制周期内NPC直流侧电压变化量。
更进一步地，所述多电平变换器的每一相由中性点钳位变换器NPC的一相桥臂与H桥变换器级联组成，多电平变换器的每一相中的H桥变换器的输出端均顺次串联一个滤波电感和一个阻性负载，多电平变换器的每一相的阻性负载的非串联端连接在一起。
更进一步地，所述邻近电压矢量获取模块还用于：
当系统参考电流指令确定时，通过公式
Figure GDA0003384500120000152
获取对应的参考电压，其中，u*(k)表示第k个控制周期内参考电压，i*(k+1)表示第k+1个控制周期内参考电流；
将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，通过公式
Figure GDA0003384500120000153
表征gh坐标系下的电压矢量，v表示索引且v取1、2、3，Vgv表示g轴第v个电压矢量，Vhv表示h轴第v个电压矢量，Vαv表示α轴第v个电压矢量，Vβv表示β轴第v个电压矢量；
通过公式
Figure GDA0003384500120000154
对参考电压进行分类，确定参考电压矢量的终点位于A类或B类三角形中，所属三角形对应的三个顶点即为用于合成参考电压的三个邻近电压矢量，其中，[g0 h0]T＝[|Vg1| |Vh1|]T，g0表示坐标变化后的g轴坐标，h0表示坐标变化后的h轴坐标，A表示A类三角形，B表示B类三角形。
再进一步地，所述最优占空比获取模块还用于：
通过公式
Figure GDA0003384500120000161
获得三个邻近电压矢量在αβ轴下的斜率，其中，r表示斜率索引且r＝α1、α2、α3、β1、β2或β3，r＝α1时，表示α轴第1个，sα1表示α轴下第1个斜率；
通过公式
Figure GDA0003384500120000162
获取三相电流在αβ坐标系下的误差，其中
Figure GDA0003384500120000163
Δα表示三相电流在α坐标系下的误差，iα *(k+1)表示第k+1个控制周期内α轴参考电流，iα(k)表示第k个控制周期内α轴输出电流，t1表示第一个邻近电压矢量的开通时间，t2表示第二个邻近电压矢量的开通时间，t3表示第三个邻近电压矢量的开通时间，Δβ表示三相电流在β坐标系下的误差，iβ *(k+1)表示第k+1个控制周期内β轴参考电流，iβ(k)表示第k个控制周期内β轴输出电流；
通过公式
Figure GDA0003384500120000164
Figure GDA0003384500120000165
使αβ两相误差的平方和分别对开通时间的偏导数为0，且J＝Δα 2+Δβ 2，其中，
Figure GDA0003384500120000166
表示求偏导符号，J表示αβ两相误差的平方和；
通过公式
Figure GDA0003384500120000168
获取满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，其中Iα＝iα *(k+1)-iα(k),Iβ＝iβ *(k+1)-iβ(k)，d1表示第一个邻近电压矢量的最优占空比，Iα表示α轴下电流中间变量，Iβ表示β轴下电流中间变量，d2表示第二个邻近电压矢量的最优占空比，d3表示第三个邻近电压矢量的最优占空比。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制方法，应用于多电平变换器，其特征在于，所述方法包括：
步骤一、通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；
步骤二、通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；
步骤三、将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能；
通过前向欧拉法得到多电平变换器的系统离散域模型为：
Figure FDA0003393989420000011
Figure FDA0003393989420000012
Figure FDA0003393989420000013
其中，k表示第k个控制周期，i(k+1)表示第k+1个控制周期的输出电流，Ts表示采样与控制周期，L表示滤波电感，u(k)表示第k个控制周期的输出电压，R表示阻性负载，i(k)表示第k个控制周期的输出电流，udc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压，j表示三相符号且取a，b或c，C1表示H桥的电容，
Figure FDA0003393989420000014
表示第k个控制周期第j相的平均输出电流，udc_j1(k)表示第k个控制周期H桥的第j相直流侧电压，Δudc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压的变化量，
Figure FDA0003393989420000015
表示第k个控制周期第j相NPC中性点流出的电流的平均值，Δudc(k)表示第k个控制周期内NPC直流侧电压变化量；
所述多电平变换器的每一相由中性点钳位变换器NPC的一相桥臂与H桥变换器级联组成，多电平变换器的每一相中的H桥变换器的输出端均顺次串联一个滤波电感和一个阻性负载，多电平变换器的每一相的阻性负载的非串联端连接在一起；
所述步骤一包括：
当系统参考电流指令确定时，通过公式
Figure FDA0003393989420000021
获取对应的参考电压，其中，u*(k)表示第k个控制周期内参考电压，i*(k+1)表示第k+1个控制周期内参考电流；
将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，通过公式
Figure FDA0003393989420000022
表征gh坐标系下的电压矢量，v表示索引且v取1、2、3，Vgv表示g轴第v个电压矢量，Vhv表示h轴第v个电压矢量，Vαv表示α轴第v个电压矢量，Vβv表示β轴第v个电压矢量；
通过公式
Figure FDA0003393989420000023
对参考电压进行分类，确定参考电压矢量的终点位于A类或B类三角形中，所属三角形对应的三个顶点即为用于合成参考电压的三个邻近电压矢量，其中，[g0 h0]T＝[|Vg1| |Vh1|]T，g0表示坐标变化后的g轴坐标，h0表示坐标变化后的h轴坐标，A表示A类三角形，B表示B类三角形；
所述步骤二包括：
通过公式
Figure FDA0003393989420000024
获得三个邻近电压矢量在αβ轴下的斜率，其中，r表示斜率索引且r＝α1、α2、α3、β1、β2或β3，r＝α1时，表示α轴第1个，sα1表示α轴下第1个斜率；
通过公式
Figure FDA0003393989420000031
获取三相电流在αβ坐标系下的误差，其中
Figure FDA0003393989420000032
Δα表示三相电流在α坐标系下的误差，iα *(k+1)表示第k+1个控制周期内α轴参考电流，iα(k)表示第k个控制周期内α轴输出电流，t1表示第一个邻近电压矢量的开通时间，t2表示第二个邻近电压矢量的开通时间，t3表示第三个邻近电压矢量的开通时间，Δβ表示三相电流在β坐标系下的误差，iβ *(k+1)表示第k+1个控制周期内β轴参考电流，iβ(k)表示第k个控制周期内β轴输出电流；
通过公式
Figure FDA0003393989420000033
使αβ两相误差的平方和分别对开通时间的偏导数为0，且J＝Δα 2+Δβ 2，其中，
Figure FDA0003393989420000034
表示求偏导符号，J表示αβ两相误差的平方和；
通过公式
Figure FDA0003393989420000035
获取满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，其中Iα＝iα *(k+1)-iα(k),Iβ＝iβ *(k+1)-iβ(k)，d1表示第一个邻近电压矢量的最优占空比，Iα表示α轴下电流中间变量，Iβ表示β轴下电流中间变量，d2表示第二个邻近电压矢量的最优占空比，d3表示第三个邻近电压矢量的最优占空比。
2.一种基于模型预测的多电平变换器矢量调制装置，应用于多电平变换器，其特征在于，所述装置包括：
邻近电压矢量获取模块，用于通过系统参考电流指令计算参考电压，通过gh坐标系表征电压矢量，通过坐标关系判断矢量所属区域，得到用于合成参考电压的三个邻近电压矢量的坐标；
最优占空比获取模块，用于通过电流跟踪的误差计算得到满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比；
矢量调制模块，用于将三个邻近电压矢量与其对应的占空比调制为驱动信号，控制开关导通，使多电平变换器达到最优的电流跟踪性能；
通过前向欧拉法得到多电平变换器的系统离散域模型为：
Figure FDA0003393989420000041
Figure FDA0003393989420000042
Figure FDA0003393989420000043
其中，k表示第k个控制周期，i(k+1)表示第k+1个控制周期的输出电流，Ts表示采样与控制周期，L表示滤波电感，u(k)表示第k个控制周期的输出电压，R表示阻性负载，i(k)表示第k个控制周期的输出电流，udc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压，j表示三相符号且取a，b或c，C1表示H桥的电容，
Figure FDA0003393989420000044
表示第k个控制周期第j相的平均输出电流，udc_j1(k)表示第k个控制周期H桥的第j相直流侧电压，Δudc_j1(k+1)表示第k+1个控制周期H桥的第j相直流侧电压的变化量，
Figure FDA0003393989420000045
表示第k个控制周期第j相NPC中性点流出的电流的平均值，Δudc(k)表示第k个控制周期内NPC直流侧电压变化量；
所述多电平变换器的每一相由中性点钳位变换器NPC的一相桥臂与H桥变换器级联组成，多电平变换器的每一相中的H桥变换器的输出端均顺次串联一个滤波电感和一个阻性负载，多电平变换器的每一相的阻性负载的非串联端连接在一起；
所述邻近电压矢量获取模块还用于：
当系统参考电流指令确定时，通过公式
Figure FDA0003393989420000051
获取对应的参考电压，其中，u*(k)表示第k个控制周期内参考电压，i*(k+1)表示第k+1个控制周期内参考电流；
将90°的αβ坐标系变换为120°的gh坐标系，通过公式
Figure FDA0003393989420000052
表征gh坐标系下的电压矢量，v表示索引且v取1、2、3，Vgv表示g轴第v个电压矢量，Vhv表示h轴第v个电压矢量，Vαv表示α轴第v个电压矢量，Vβv表示β轴第v个电压矢量；
通过公式
Figure FDA0003393989420000053
对参考电压进行分类，确定参考电压矢量的终点位于A类或B类三角形中，所属三角形对应的三个顶点即为用于合成参考电压的三个邻近电压矢量，其中，[g0 h0]T＝[|Vg1| |Vh1|]T，g0表示坐标变化后的g轴坐标，h0表示坐标变化后的h轴坐标，A表示A类三角形，B表示B类三角形；
所述最优占空比获取模块还用于：
通过公式
Figure FDA0003393989420000054
获得三个邻近电压矢量在αβ轴下的斜率，其中，r表示斜率索引且r＝α1、α2、α3、β1、β2或β3，r＝α1时，表示α轴第1个，sα1表示α轴下第1个斜率；
通过公式
Figure FDA0003393989420000055
获取三相电流在αβ坐标系下的误差，其中
Figure FDA0003393989420000061
Δα表示三相电流在α坐标系下的误差，iα *(k+1)表示第k+1个控制周期内α轴参考电流，iα(k)表示第k个控制周期内α轴输出电流，t1表示第一个邻近电压矢量的开通时间，t2表示第二个邻近电压矢量的开通时间，t3表示第三个邻近电压矢量的开通时间，Δβ表示三相电流在β坐标系下的误差，iβ *(k+1)表示第k+1个控制周期内β轴参考电流，iβ(k)表示第k个控制周期内β轴输出电流；
通过公式
Figure FDA0003393989420000062
使αβ两相误差的平方和分别对开通时间的偏导数为0，且J＝Δα 2+Δβ 2，其中，
Figure FDA0003393989420000063
表示求偏导符号，J表示αβ两相误差的平方和；
通过公式
Figure FDA0003393989420000064
获取满足最小电流跟踪误差的三个邻近电压矢量的最优占空比，其中Iα＝iα *(k+1)-iα(k),Iβ＝iβ *(k+1)-iβ(k)，d1表示第一个邻近电压矢量的最优占空比，Iα表示α轴下电流中间变量，Iβ表示β轴下电流中间变量，d2表示第二个邻近电压矢量的最优占空比，d3表示第三个邻近电压矢量的最优占空比。
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