CN113746107B - 一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的全称为：一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法。本发明为了解决T型三电平LCL型并网逆变器在水平桥臂故障时的容错控制问题，采用模型序列预测控制，通过采集逆变器测电流，将故障运行方式分为健康状态和非健康状态两种。健康状态采用模型序列预测控制，用矢量效果表来筛选备选矢量，备选矢量则用于了控制并网电流的代价函数；模型序列预测容错控制设计了先控制中点电压、后控制并网电流的两个代价函数。最后将得到的最优开关矢量反馈回并网逆变器中，让逆变器在故障下中点电压平衡，并输出高质量电流，提高了并网控制系统的可靠性。

Description

一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法
技术领域
本发明属于电力电子变换器故障控制技术领域，具体涉及一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法。
背景技术
现目前，并网逆变器作为将直流电转化为高质量交流电的桥梁，在新能源分布式发电系统中起到了重要的作用。T型三电平逆变器由于其出色的效率和可控性而受到广泛关注。T型三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比，具有更低的网侧电流总谐波畸变和更高的功率，在低压领域得到了广泛应用。
近年来，围绕电力变换器可靠性这一主题的研究大量涌现，因为它对于电力电子系统的稳定和高效运行非常重要。此外，对于T型三电平逆变器系统，最可能出现的故障有两种：电力电子器件的短路故障和开路故障。短路故障会对电力电子设备造成严重损坏，并影响其他电力设备。因此，有必要通过硬件设备强制停止操作，不能通过软件控制策略实现容错。另一方面，开路故障可能是由于热循环和门极驱动错误导致的，一般不会引起严重的问题，但可能会导致降低输出网侧电流的质量，也会导致连接直流侧的电容电压波动或不平衡。因此，开路故障下保证逆变器正常工作的容错控制策略是十分必要的。
现有的T型三电平并网逆变器容错控制方法大致可以分为两类：一是在逆变器中添加冗余组件。当开关发生故障时，冗余电路将接管故障电路继续运行。然而，这是一种不经济而且低效的方法，因为需要添加额外的组件，如IGBT，继电器和晶闸管等。另一种方案是改变调制算法，一般为空间矢量脉宽调制(SVPWM)模式的调制算法。一般情况下，由于SVPWM调制的限制，该方法在故障诊断后，在每个采样时间都需要重新计算每个矢量的持续时间，方法较为复杂。
有限控制集模型预测控制是解决容错控制问题的一个较好的方法，与传统控制方法相比，其不需要PWM调制，而是通过设计一个优化问题即代价函数直接输出最优开关序列。但采用传统模型预测控制也会面临两个问题：一是多目标代价函数的权重因子选取问题，二是计算量较大的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为实现T型三电平LCL型并网逆变器水平开关桥臂开路故障时的容错运行，提供了一种基于序列模型预测控制的容错控制方法。
为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案。
根据图1所示的拓扑结构图，通过电压传感器和电流传感器采集三相交流电压vg、三相网侧电流i2、直流母线侧两个电容的电压up和un。并通过卡尔曼滤波器来估计三相逆变器侧电流i1和三相滤波电容电压vC。将中点电压定义为un和up之差，为了保证直流母线的两个电容始终均分直流电源的电压，中点电压应尽量保持为0。
根据T型三电平并网逆变器水平桥臂故障后的A相逆变器侧电流i1a的流向分析，将电流为正时的状态称为非健康状态，其他情况时称为健康状态。在健康状态时，逆变器尽管出现故障仍可以如未故障一样正常工作，而非健康状态的网侧电流和中点电压都受到了很大的影响。因此，两种状态将采用不同的控制策略。控制的目标有两个：中点电压的平衡，网侧电流关于其参考值的跟踪。
在健康状态下，采用序列模型预测控制，具体内容如下：
首先，通过矢量效果表筛选备选矢量，以进行中点电压的控制。T型三电平并网逆变器在健康状态下有27种矢量选取方式，矢量效果表可以筛选出对控制中点电压平衡最有利的3个矢量，同时这3个矢量距离逆变器的参考输出电压矢量的距离最近，也有利于接下来对网侧电流的控制。
其次，为了实现网侧电流的控制，设计了一个代价函数，所述代价函数式为：
J1＝||C(Axαβ(k)+Bu(k)+Tvg(k)-xαβref(k+1))|| 式一
其中||||代表向量2-范数；xαβ(k)＝[i1α(k),i1β(k),i2α(k),i2β(k),vCα(k),vCβ(k)]T，这是逆变器侧电流、网侧电流、滤波电容电压三者在经过Clark变换后组合而成的状态矢量；xαβref(k+1)为状态矢量参考值的预测值。对参考值的预测可以通过拉格朗日外推法和锁相环实现；A、B、C、T为常矩阵，只和逆变器的参数有关；u(k)为代价函数的变量，即通过矢量效果表筛选出的3个开关矢量。
最后，将3个开关矢量代入代价函数J1中，求出使J1最小的开关矢量，记作uopt(k)。这个开关矢量将转化为T型三电平并网逆变器开关器件的通断信号在下一个采样时刻送入。
在非健康状态下，采用序列模型预测容错控制，具体内容如下：
首先，为了实现中点电压平衡的控制，设计了一个代价函数，所述代价函数式为：
J2＝|(Ts/C1)|u(k)|T i1(k)+un(k)-up(k)| 式二
其中Ts为采样时间，C1为上侧直流母线电容值。
在非健康状态下，T型三电平并网逆变器有18种矢量选取方式，由于式二中的u(k)有绝对值，可以把|u(k)|作为变量，求出使J2最小的开关矢量，记作|uopt(k)|。这样就完成了对中点电压平衡的控制。
其次，将|uopt(k)|的绝对值去掉，可以得到若干个备选矢量，根据故障情况和|uopt(k)|的不同，得到的备选矢量也不同。
最后，将若干个开关矢量代入代价函数J1中，求出使J1最小的开关矢量，记作uopt(k)，这和健康状态的对网侧电流的控制方法相同。这个开关矢量将转化为T型三电平并网逆变器开关器件的通断信号在下一个采样时刻送入。
传统的模型预测控制是将J1和J2加权组合起来，所述代价函数式为：
J0＝||C(Axαβ(k)+Bu(k)+Tvg(k)-xαβref(k+1))||+λnp|(Ts/C1)|u(k)|T i1(k)+un(k)-up(k)| 式三
其中λnp为权重因子。
由于健康状态和非健康状态的控制表现不同，需要选取不同的权重因子。而本发明先控制中点电压，再控制网侧电流，这样的控制序列避免了权重因子的反复试错选取。
此外，传统的模型预测控制在健康状态需要27次循环运算，在非健康状态需要18次循环运算。而本发明只需分别13次和12次以内的循环运算。
本发明的整体系统框图如图2所示，首先判断系统处于健康状态还是非健康状态，健康状态用矢量效果表筛选备选矢量，并将备选矢量代入代价函数J1，求出最优开关矢量；非健康状态用代价函数J2筛选备选矢量，并将备选矢量代入代价函数J1，求出最优开关矢量。
由于上述技术方案的运用，因此，本发明具有如下特点：
1、本发明采用模型预测控制技术，无需PWM调制，能够让T型三电平并网逆变器在水平桥臂故障下容错运行，保证了中点电压的平衡和网侧电流的输出质量；
2、本发明采用了序列模型预测控制技术，相比于传统的模型预测控制，不仅避免了权重因子的选取，而且减小了循环运算的次数，减轻了运算处理器的负担；
3、本发明将故障情况分为健康状态和非健康状态，设计了两套不同的控制策略，更高效地处理了故障下的容错问题。
附图说明
图1：本发明中的T型三电平LCL型并网逆变器拓扑结构图；
图2：本发明中的序列模型预测控制和序列模型预测容错控制的控制框图，其中(a)为序列模型预测控制，(b)为序列模型预测容错控制；
图3：本发明中的T型三电平并网逆变器矢量和扇区空间分布图；
图4：本发明中的故障前后的实验波形图，其中(a)为三相网侧电流，(b)为中点电压；
图5：本发明中的容错控制策略投入前后的实验波形图，其中(a)为三相网侧电流，(b)为中点电压以及A相逆变器输出电压。
具体实施方式
以下将结合本发明的优选实例和附图对技术方案进行清楚、完整地描述。应当理解，优选实例仅仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的其它所有实施例，都属于本发明保护范围。
本发明提供了一种用于T型三电平并网逆变器水平桥臂开路故障时的容错控制策略。通过判断逆变器侧电流的方向区分了逆变器的工作状态，并在健康状态采用序列模型预测控制，非健康状态采用序列模型预测容错控制。前者通过矢量效果表和代价函数实现序列控制，后者通过两个代价函数实现序列控制。整体的方案能够实现逆变器在故障条件下仍能保证中点电压的平衡和优良的网侧电流质量，提高了逆变器系统的可靠性。
一种实施例的控制结构示意图如图2所示，本实施例的主要内容包括以下步骤(以Sa3开路故障举例)：
步骤S1：通过电压传感器和电流传感器采集T型三电平LCL型并网逆变器三相交流电压vg、三相网侧电流i2、直流母线侧两个电容的电压up和un。
步骤S2：通过卡尔曼滤波器来估计三相逆变器侧电流i1和三相滤波电容电压vC。
步骤S3：通过锁相环得到A相电网电压vga的相位信息，据此确定三相网侧电流参考值i2ref。通过LCL型并网逆变器的电路关系反推出逆变器侧电流的参考值i1ref、滤波电容电压的参考值vCref、逆变器输出参考电压矢量Vref。
步骤S4：通过Clark变换，将i1、i2、vC及其参考值从三相静止坐标系转化为两相静止坐标系。
步骤S5：组合状态矢量xαβ(k)＝[i1α(k),i1β(k),i2α(k),i2β(k),vCα(k),vCβ(k)]T，xαβref(k)同理。将xαβref(k)用二阶拉格朗日外推法线性外推，得到预测值xαβref(k+1)。
步骤S6：判断A相逆变器侧电流i1a的流向，若为负方向，则判定为健康状态，依次执行步骤S711，S712；若为正方向，则判定为非健康状态，依次执行步骤S721，S722。
步骤S711：判断逆变器参考电压矢量Vref的扇区，包括大扇区和小扇区。判断的方式如图3所示：计算参考电压矢量Vref与图3中所标注的6个大扇区三角形中心点的距离，距离最小者即为Vref所在的大扇区；再计算参考电压矢量Vref与图3中在其大扇区中的4个小扇区三角形中心点的距离，距离最小者即为Vref所在的小扇区。
步骤S712：根据步骤S711中的扇区信息，以及直流母线侧两个电容的电压up和un的大小关系查找矢量效果表，得到3个备选矢量。矢量效果表如表1和表2所示。
表1是up≥un时的矢量效果表
扇区序号 备选矢量 扇区序号 备选矢量
I-1 OOO,POO,PPO IV-1 OOO,OPP,OOP
I-2 POO,PPO,PON IV-2 OPP,OOP,NOP
I-3 PPO,PON,PPN IV-3 OOP,NOP,NNP
I-4 POO,PNN,PON IV-4 OPP,NPP,NOP
II-1 OOO,PPO,OPO V-1 OOO,OOP,POP
II-2 PPO,OPO,OPN V-2 OOP,POP,ONP
II-3 OPO,OPN,NPN V-3 POP,ONP,PNP
II-4 PPO,PPN,OPN V-4 OOP,NNP,ONP
III-1 OOO,OPO,OPP VI-1 OOO,POO,POP
III-2 OPO,OPP,NPO VI-2 POO,POP,PNO
III-3 OPP,NPO,NPP VI-3 POO,PNN,PNO
III-4 OPO,NPN,NPO VI-4 POP,PNP,PNO
表2是up<un时的矢量效果表
扇区序号 备选矢量 扇区序号 备选矢量
I-1 OOO,ONN,OON IV-1 OOO,NOO,NNO
I-2 ONN,OON,PON IV-2 NOO,NNO,NOP
I-3 OON,PON,PPN IV-3 NNO,NOP,NNP
I-4 ONN,PNN,PON IV-4 NOO,NPP,NOP
II-1 OOO,OON,NON V-1 OOO,NNO,ONO
II-2 OON,NON,OPN V-2 NNO,ONO,ONP
II-3 NON,OPN,NPN V-3 ONO,ONP,PNP
II-4 OON,PPN,OPN V-4 NNO,NNP,ONP
III-1 OOO,NON,NOO VI-1 OOO,ONN,ONO
III-2 NON,NOO,NPO VI-2 ONN,ONO,PNO
III-3 NOO,NPO,NPP VI-3 ONN,PNN,PNO
III-4 NON,NPN,NPO VI-4 ONO,PNP,PNO
表1、2中的P代表高电平、O代表零电平、N代表低电平。
步骤S721：将故障时的备选矢量的绝对值|u(k)|的4种可能情况(详见表3)代入代价函数J2中，得到使J2最小时的最优解|uopt(k)|。所述代价函数式为：
J2＝|(Ts/C1)|u(k)|T i1(k)+un(k)-up(k)| 式一
其中Ts为采样时间，C1为上侧直流母线电容值。
步骤S722：将|uopt(k)|转化为代价函数J1的备选矢量，转化的方式如表3所示。
表3是J2备选矢量的绝对值的4种可能情况以及其对应的J1的备选矢量
|u(k)|的可能情况 代价函数J1的备选矢量
POO POO,NOO
PPO PPO,PNO,NPO,NNO
POP POP,PON,NOP,NON
PPP PPP,PPN,PNP,PNN,NPP,NPN,NNP,NNN
备选矢量可能是2、4或8个。
步骤S8：将步骤S712或S722得到的备选矢量带入到代价函数J1中，求出使J1最小的开关矢量，记作uopt(k)。所述代价函数式为：
J1＝||C(Axαβ(k)+Bu(k)+Tvg(k)-xαβref(k+1))|| 式二
其中A、B、C、T为常矩阵，只和逆变器的参数有关。
步骤S9：将uopt(k)转化为T型三电平并网逆变器开关器件的通断信号在下一个采样时刻送入。下一采样时刻重新开始执行步骤S1。
效果实验例
为了验证所提出的序列模型预测容错控制策略的有效性，以一台采用图2控制方案的T型三电平LCL型并网逆变器为例，在Sa3故障前后的三相网侧电流，中点电压如图4所示。在投入本发明所提出的容错控制策略前后的三相网侧电流，中点电压以及逆变器A相输出电压如图5所示。并网逆变器、电网、控制环节部分参数如表4所示。
表4是并网逆变器、电网、控制环节部分参数
参数 描述 值
Vdc(V) 直流电压 400
C1(μF) 直流侧电容 500
L1(mH) 逆变器侧电感 6
L2(μH) 网侧电感 10
C(μF) 滤波电容 10
R1(Ω) 逆变器侧电阻 0.1
R2(Ω) 网侧电阻 0.1
RC(Ω) 阻尼电阻 2
Vg(V) 电网电压(有效值) 110
I2ref(A) 网侧参考电流幅值 10
ω(rad/s) 电网频率 314.16
从图4可以看出，在Sa3出现开路故障后，三相网侧电流的波形开始出现畸变，中点电压差从故障前的1.9V上升至故障后的4.1V，说明故障情况下对系统的输出效果影响非常严重。从图5可以看出，当投入了本发明所述的序列模型预测控制和序列模型预测容错控制以后，网侧电流波形得到了明显地改善，同时中点电压差降低至了1.6V，说明T型三电平并网逆变器在故障下仍能保证高质量的逆变效果和中点电压的平衡；逆变器输出电压的波形在故障时稍有畸变，在容错控制策略投入后恢复了正常的三电平输出模式，效率得到了提升。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所展示的实施例，而是要符合于本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法，其特征在于，所述方法包括：根据T型三电平并网逆变器水平桥臂故障后的A相逆变器侧电流i1a的流向分析，将电流为正时的状态称为非健康状态，其他情况时称为健康状态；
健康状态时，逆变器尽管出现故障仍可以如未故障一样正常工作，而非健康状态的网侧电流和中点电压都受到了很大的影响；
在健康状态时，采用序列模型预测控制：获取逆变器输出电压参考矢量所在的扇区，通过矢量效果表选出3个备选矢量；设计一个控制网侧电流的代价函数J1，将3个备选矢量代入J1，得到最优的开关矢量uopt，转化为逆变器开关器件的输入信号；
在非健康状态时，采用序列模型预测容错控制：设计一个控制中点电压平衡的代价函数J2，将故障下的剩余备选矢量的绝对值代入J2；将得到的最优解去掉绝对值，得到第二轮备选矢量；将第二轮备选矢量代入控制网侧电流的代价函数J1，得到最优的开关矢量uopt，转化为逆变器开关器件的输入信号。
2.根据权利要求1所述的方法，一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法的特征在于：
序列模型预测控制采用了矢量效果表来筛选备选矢量，备选矢量则用于了控制网侧电流的代价函数；序列模型预测容错控制先控制中点电压、后控制网侧电流的两个代价函数。
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