CN112787529A

CN112787529A - 一种t型三电平变换器直接电流预测控制方法及系统

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Publication number: CN112787529A
Application number: CN202011639706.4A
Authority: CN
Inventors: 田崇翼; 汪家薇; 马欣; 邵珠亮; 王学睿
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-11

Abstract

本发明公开了一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法及系统，包括：获取T型三电平变换器当前时刻的电网电压、输出电流和直流母线电压；根据直流母线电压与电网电压的差值，计算T型三电平变换器在下一周期的预测输出电流，以及在下一周期使电流上升和下降脉动最小的开关组合；根据当前输出电流与预测输出电流之间的差值，计算下一周期开关组合中开通和关断的占空比；在下一周期将开关组合根据占空比作用于开关管，直接控制电流的输出。采用直接电流控制方法，通过对T型三电平变换器调整开关管的占空比，以此控制电流输出方式，保证T型三电平变换器快速的动态响应和纳入非线性系统的同时降低延迟时间。

Description

一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法及系统

技术领域

本发明涉及T型三电平变换器控制技术领域，特别是涉及一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在恒定频率开关变换器或开关模式功率变换器中，一般都是通过占空比控制而提供输出调节，即通过调节功率开关器件的导通时间和关断时间的比率以响应输入或输出电压的变化，常用的占空比控制和电流型控制都是通过调节占空比完成输出调节，但不同之处在于常用的占空比控制只能根据输出电压的改变来调节占空比，而电流型控制则根据主电感电流的变化调节占空比。

根据控制物理量，电流型控制分为直接电流控制和间接电流控制，直接电流控制技术是采用跟踪性PWM控制技术对电流波形的瞬时值进行反馈控制，直接指令电流的发生，结构简单，电流调节响应快，对扰动的鲁棒性好；电流预测控制对于多变量、非线性系统的控制具有明显的优势，对由于模型失配、时变、干扰等不确定性及时进行弥补，始终把新的优化建立在实际的基础上，使控制保持实际上的最优，电流预测控制技术相比于传统的控制技术实现过程灵活，在电流跟踪性能和中点电位平衡控制方面具有较快的响应速度，大大减少了电流的脉动。

近年来，太阳能和风能等可再生能源得到迅速的发展，并网变换器作为分布式发电系统与电网连接的桥梁，是分布式发电系统的核心。其中，T型三电平单相并网变换器是一种重要的并网变换器，其具有较少的功率开关管以及变换器效率高等优点；与两电平变换器相比，多电平变换器有以下优点：高电能质量、高电压能力、良好的电磁兼容性和开关损耗低等。由于这些优势，大量适用于中、大功率电气装置的多电平变换器相继被提出，目前常用的拓扑结构有：二极管中点钳位型(Neutral P0int Clamped，NPC)变换器、飞跨电容型(Fying Capacit0r，FC)变换器和级联H桥型(Cascaded H-Bridge，CHB)变换器。

目前并网变换器大都采用两电平拓扑，很难满足大电网高电能质量的要求；传统二极管钳位型三电平变换器虽能够提高电能质量，但是其具有开关数目多、导通损耗大和功率损耗不均匀等缺点，而且效率相对较低，很难在光伏新能源中广泛应用；T型三电平并网变换器具有开关选择多和输出谐波小的优点，和传统二极管钳位变换器相比具有更少的开关数目，因此效率较高。

三电平变换器常用的PWM调制方法源于两电平PWM方法，但因其拓扑的影响使调制方法更具多样性，可以分载波PWM方法和空间矢量PWM方法、特定谐波消除PWM方法；其中，载波PWM调制方法因其原理简单并易于实现的优点被广泛利用，但存在直流利用率低、开关损耗大等问题；空间矢量PWM方法直流利用高、输出波形质量高、损耗较小、系统开关频率较低，且便于数字化实现，因此在三电平逆变中的应用比较广泛，而随着电平数量的增多，其算法的复杂性也会增加；三电平空间电压矢量存在的区间划分繁琐、矢量作用时间计算复杂等问题，特定谐波消除PWM方法具有效率高、输出波形质量高、交流侧滤波器尺寸小等优点，然而算法在和实现方法都比较复杂，需要大量的存储空间，不宜用于实时控制。综上所述可以看出，如何简化T型三电平单相并网变换器的控制过程，从而提高控制灵活度是目前亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法及系统，采用直接电流控制方法，通过对T型三电平变换器调整开关管的占空比，以此控制电流的输出，实现了对下一周期输出电流的预测控制，保证T型三电平变换器快速的动态响应和纳入非线性系统的同时降低延迟时间。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，包括：

获取T型三电平变换器当前时刻的电网电压、输出电流和直流母线电压；

根据直流母线电压与电网电压的差值，计算T型三电平变换器在下一周期的预测输出电流，以及在下一周期使电流上升和下降脉动最小的开关组合；

根据当前输出电流与预测输出电流之间的差值，计算下一周期开关组合中开通和关断的占空比；

在下一周期将开关组合根据占空比作用于开关管，控制电流的输出。

第二方面，本发明提供一种T型三电平变换器直接电流预测控制系统，包括：

数据采集模块，用于获取T型三电平变换器当前时刻的电网电压、输出电流和直流母线电压；

开关组合选择模块，用于根据直流母线电压与电网电压的差值，计算T型三电平变换器在下一周期的预测输出电流，以及在下一周期使电流上升和下降脉动最小的开关组合；

占空比计算模块，用于根据当前输出电流与预测输出电流之间的差值，计算下一周期开关组合中开通和关断的占空比；

控制模块，用于在下一周期将开关组合根据占空比作用于开关管，直接控制电流的输出。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明对T型三电平变换器采用直接电流控制方法，通过对T型三电平变换器调整开关管的占空比，以此控制电流输出，解决传统三电平空间电压矢量存在的区间划分繁琐、矢量作用时间计算复杂等问题，传统方法需要进行三角变换和查表，占用大量的存储空间，其控制过程较为复杂，灵活性较差；

本发明无需利用复杂的PWM控制和电流闭内环，简化T型单相并网变换器的控制过程，实现对下一时刻直流母线输出电流的预测控制，直接电流控制比间接电流控制具有更高的动态响应速度和控制精度，不受参数系数影响，鲁棒性好，而且电流预测算法无需进行矢量计算，对复杂电路的建模和分析更方便，在保证T型三电平变换器快速的动态响应和纳入非线性系统的同时降低延迟时间。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的T型三电平变换器直接电流预测控制方法流程；

图2为本发明实施例1提供的三相T型三电平双向变换器拓扑图；

图3为本发明实施例1提供的三相T型三电平变换器工作状态图；

图4为本发明实施例1提供的三相T型三电平变换器输出电压电流波形图；

图5为本发明实施例1提供的最小电流脉动示意图；

图6为本发明实施例1提供的并网电流波形图；

图7为本发明实施例1提供的线电压波形图；

图8为本发明实施例1提供的驱动波形图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，应用于T型三电平单相并网变换器，保证T型三电平变换器快速的动态响应和纳入非线性系统的同时降低延迟时间，具体包括：

S1：获取T型三电平变换器当前时刻的电网电压、输出电流和直流母线电压；

S2：根据直流母线电压与电网电压的差值，计算T型三电平变换器在下一周期的预测输出电流，以及在下一周期使电流上升和下降脉动最小的开关组合；

S3：根据当前输出电流与预测输出电流之间的差值，计算下一周期开关组合中开通和关断的占空比；

S4：在下一周期将开关组合根据占空比作用于开关管，直接控制电流的输出。

如图2所示为T型三电平单相并网变换器的拓扑结构示意图，三相桥臂均有四个呈T型排列的功率开关器件为S_x1～S_x4(x＝a,b,c)，其中S_x1和S_x4相当于三相两电平变换器的上下互补管，C₁和C₂是直流侧的分压电容，分压电容之间的O点为零电位参考点，P是母线正极，N是母线负极，R、L表示负载，e表示电网。

所述步骤S2中，根据直流母线电压与设定电网电压之间的误差，通过PI计算和2/3变换，即两相-三相的转换计算变换器在下一周期的预测输出电流，具体为：

电压外环采用PI控制，以直流母线电压稳定为控制目标，将直流母线电压误差输入PI控制器，PI控制器输出电流给定id经过2/3变换生成电流内环下一时刻的电流预测值，即x(k+1)＝(ia*,ib*,ic*)。

在每个控制周期Ts，分为电流上升和电流下降两个阶段，在每个阶段下均选取使得电流上升和下降脉动最小的开关组合作用于开关管，在T型三电平单相并网变换器的控制策略中，使变换器三相输出通过电阻电感负载与电网并网，满足如下方程：

其中，R和L分别是电阻和电感负载，u(t)是逆变器产生的电压，e(t)是电网电压，i是负载电流；

T型三电平变换器的开关组合共有三种有效模态，如图3(a)-图3(f)所示：

模态1：开关管S_a1和S_a2导通，S_a3和S_a4关断，电流流经开关管S_a1，开关管S_a2中无电流流过，A相输出P状态，输出正电平V_dc/2，电流变化斜率为K₁，变换器输出通过电感与电网并网，满足：

模态2：开关管S_a1和S_a2关断，S_a3和S_a4导通，电流流经S_a4的反并联二极管D_a4，A相输出N状态，输出负电平-V_dc/2，电流变化斜率为K₂，变换器输出通过电感与电网并网，满足：

模态3：开关管S_a1关断，S_a2导通，S_a3导通，S_a4关断，电流流经S_a3的反并联二极管D_a3和S_a2，A相输出O状态，输出零电平，电流变化斜率为K₃，变换器输出通过电感与电网并网，满足：

在整个电流周期中，以A相为例，根据T型三电平变换器的输出电流与输出电压之间的关系，将T型三电平变换器划分为4种状态，如图4所示：

在电流上半周，根据电流电压情况分为2种状态，即电流ia>0，电压ea>0；电流ia>0，电压ea<0；在电流下半周，根据电流电压情况分为2种状态，即电流ia<0，电压ea>0；电流ia<0，电压ea<0。

如图5(a)-图5(d)所示为T型三电平变换器最小电流脉动示意图，在每个阶段下选取使得电流上升和下降脉动最小的开关组合作用于开关管：

(1)状态1：电流上半周，当输出电流ia>0，电压ea>0时，

在电流上升阶段：由于三种模态中K₂、K₃均小于0，仅有K₁大于零，因此只能选择模态1使电流上升，开关状态组合选择为S₁＝S₂＝1，S₃＝S₄＝0；

在电流下降阶段：K₂、K₃均小于0，选择任一一个斜率都能使电流下降，但是|K₃|<|K₂|，显然K₃的绝对值小，斜率小，选择模态3电流脉动更小，开关状态组合选择为S₁＝0，S₂＝S₃＝1，S₄＝0；

电流变化过程曲线如图5(a)所示，电流脉动明显减少；根据当前输出电流与预测输出电流之间的差值，计算下一周期开关组合中开通和关断的占空比，满足如下等式：

i(k)+K₁T_on+K₃(T_s-T_on)＝i^*(k+1)，

使得电流上升的开关状态作用时间：

使得电流下降的开关状态作用时间：

T_off＝T_s-T_on，

当计算得T_on>T_s时，T_on＝T_s；当计算得T_on<0时，T_on＝0。

(2)状态2：电流上半周，当输出电流ia>0，电压ea<0时，

在电流上升阶段：K₁或K₃均可使电流上升，但是|K₃|<|K₁|，选择K₃电流脉动更小，因此选择模态3，开关状态组合选择为S₁＝0，S₂＝1，S₃＝1，S₄＝0；

在电流下降阶段：仅有K₂小于0，只能选择模态2使得电流下降，因此开关状态组合选择为S₁＝0，S₂＝0，S₃＝1，S₄＝1；

电流变化过程曲线如图5(b)所示，计算电流上升和电流下降两种开关组合的占空比，满足如下等式：

i(k)+K₃T_on+K₂(T_s-T_on)＝i*(k+1)，

使得电流上升的开关状态作用时间：

使得电流下降的开关状态作用时间：

T_off＝T_s-T_on，

当计算得T_on>T_s时，T_on＝T_s；当计算得T_on<0时，T_on＝0。

(3)状态3：电流下半周，当输出电流ia<0，电压ea>0时，

在电流上升阶段：由于三种模态中K₂、K₃均小于0，都能使电流沿负的方向增大(绝对值)，但是|K₃|<|K₂|，选择模态3电流脉动小，开关状态组合选择为S₁＝0，S₂＝1，S₃＝1，S₄＝0，使得电流上升；

在电流下降阶段：由于仅K₁大于0，选择模态1，开关状态组合选择为S₁＝S₂＝1；S₃＝S₄＝0，使得电流下降；

电流变化过程曲线如图5(c)所示，对电流脉动明显减少；计算电流上升和电流下降两种开关组合的占空比，满足如下等式：

i(k)+K₂T_on+K₁(T_s-T_on)＝i^*(k+1)，

使得电流上升的开关状态作用时间：

使得电流下降的开关状态作用时间：

T_off＝T_s-T_on，

当计算得T_on>T_s时，T_on＝T_s；当计算得T_on<0时，T_on＝0。

(4)状态4：电流下半周，当输出电流ia<0，电压ea<0时，

在电流上升阶段：由于仅有K₂小于0，只能选择模态2，开关状态组合选择为S₁＝0，S₂＝0，S₃＝1，S₄＝1，使得电流上升；

在电流下降阶段：K₁或K₃均可使电流下降，但是|K₃|<|K₁|，选择K₃电流脉动更小，因此选择模态K₃，开关状态组合选择为S₁＝0，S₂＝1，S₃＝1，S₄＝0；

电流变化过程如图5(d)所示，计算电流上升和电流下降两种开关组合的占空比，满足如下等式：

i(k)+K₂T_on+K₃(T_s-T_on)＝i^*(k+1)，

使得电流上升的开关状态作用时间：

使得电流下降的开关状态作用时间：

T_off＝T_s-T_on，

当计算得T_on>T_s时，T_on＝T_s；当计算得T_on<0时，T_on＝0。

在本实施例中，该控制策略由DSP28335处理器实现，由Matlab进行仿真，在直接电流预测控制中，采样周期Ts＝20us，采样频率为50KHz，在下一个周期将开关状态组合作用于开关管，如表1所示为T型三电平变换器驱动与输出之间的关系；

表1 T型三电平变换器驱动与输出之间的关系

表1中，S₁＝1表示开关管开通，S₁＝0表示开关管关断，ia>0、ea>0表示当前变换器的输出处于状态1模式下，此时使得电流上升斜率最小的开关状态为S₁＝1，S₂＝1，S₃＝0，S₄＝0，变换器输出为P状态；使得电流下降斜率最小的开关状态为S₁＝0，S₂＝1，变换器输出为O状态，控制周期Ts＝20us，经过多个控制周期的计算输出后，变换器的工作状态进入状态2模式下，即ia>0，ea<0。

如图6所示为并网电流波形，直接电流预测算法使得电流的脉动较小，电流波形质量较好；如图7所示为线电压波形图，线电压是五电平阶梯波，更接近于正弦波，电压波形质量较好；如图8所示为驱动波形图，直接电流预测控制具有更高的控制精度，控制更加灵活。

实施例2

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中的步骤S1至S4，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，包括：

在下一周期将开关组合根据占空比作用于开关管，直接控制电流的输出。

2.如权利要求1所述的一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，采用通过PI控制器和2/3变换计算T型三电平变换器在下一周期的预测输出电流。

3.如权利要求1所述的一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，T型三电平变换器的开关组合包括三种模态，即：

第一模态为开关管S_a1和开关管S_a2导通，开关管S_a3和开关管S_a4关断，输出P状态；

第二模态为开关管S_a1和开关管S_a2关断，开关管S_a3和开关管S_a4导通，输出N状态；

第三模态为开关管S_a1和开关管S_a4关断，开关管S_a2和开关管S_a3导通，输出O状态。

4.如权利要求3所述的一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，在电流上半周期，当输出电流大于0，电压大于0时，在电流上升阶段，开关组合选择第一模态；在电流下降阶段，开关组合选择第三模态；

开通和关断的占空比满足i(k)+K₁T_on+K₃(T_s-T_on)＝i^*(k+1)；

其中，K₁是第一模态，K₃是第三模态，T_on是电流上升的开关组合作用时间，T_s是电流下降的开关组合作用时间。

5.如权利要求3所述的一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，在电流上半周期，当输出电流大于0，电压小于0时，在电流上升阶段，开关组合选择第三模态；在电流下降阶段，开关组合选择第二模态；

开通和关断的占空比满足i(k)+K₃T_on+K₂(T_s-T_on)＝i^*(k+1)；

其中，K₁是第一模态，K₃是第三模态，K₂是第二模态，T_on是电流上升的开关组合作用时间，T_s是电流下降的开关组合作用时间。

6.如权利要求3所述的一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，在电流下半周期，当输出电流小于0，电压大于0时，在电流上升阶段，开关组合选择第三模态；在电流下降阶段，开关组合选择第一模态；

开通和关断的占空比满足i(k)+K₂T_on+K₁(T_s-T_on)＝i^*(k+1)；

其中，K₁是第一模态，K₂是第二模态，T_on是电流上升的开关组合作用时间，T_s是电流下降的开关组合作用时间。

7.如权利要求3所述的一种T型三电平变换器直接电流预测控制方法，其特征在于，在电流下半周期，当输出电流小于0，电压小于0时，在电流上升阶段，开关组合选择第二模态；在电流下降阶段，开关组合选择第三模态；

开通和关断的占空比满足i(k)+K₂T_on+K₃(T_s-T_on)＝i^*(k+1)；

其中，K₃是第三模态，K₂是第二模态，T_on是电流上升的开关组合作用时间，T_s是电流下降的开关组合作用时间。

8.一种T型三电平变换器直接电流预测控制系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项所述的方法。