CN113904577A - 一种多电平逆变器模型预测控制方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种多电平逆变器模型预测控制方法及系统，包括：预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；构建中点电压和悬浮电容电压平衡条件，通过平衡条件筛选开关序列；构建价值函数，构建空间矢量图，根据矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，确定参考电压所在第一目标扇区；在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；根据最终位置确定零共模矢量；将矢量根据空间矢量图内外圈划分原则重新排序，得到降低开关损耗，固定开关频率的序列；根据价值函数得到占空比，以此控制逆变器开关管的动作。
Description
技术领域
本发明涉及多电平逆变器技术领域，特别是涉及一种多电平逆变器模型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。
相比较传统的三电平逆变器，多电平逆变器由于其开关电压应力小，输出电压阶数多，直流侧利用率高，输出电流谐波少等优点，已经被广泛应用到工业领域中。其中，作为多电平之一的三相五电平有源中压点箝位型(3P-5L-ANPC)逆变器，已经被应用到采矿业和光伏发电等领域。
3P-5L-ANPC每相是由四个高频开关，四个工频开关以及一个悬浮电容组成。由于开关数目较多，除了需要控制中点平衡之外，悬浮电容也需要控制在直流侧的四分之一。一旦任何一相悬浮电容或者直流侧中点不平衡，将会造成整个逆变器交流侧输出电流谐波变大，影响到整个系统的正常运行。
在光伏发电领域，光伏阵列的寄生电阻，会与大地之间形成共模回路。当非隔离型并网3P-5L-ANPC产生共模电压时，回路中会形成共模漏电流，会增大交流侧输出电流谐波，倘若滤波处理不及时，会严重污染电网电能，同时增大系统的维护成本，影响其长期安全运行。虽然可以通过增加滤波器或设计隔离型逆变器减小漏电流，但会增大整个光伏系统的体积，增加可视成本。
近年来，新兴的模型预测控制(model predictive control,MPC)由于能够实现多目标同步优化控制，且不需要额外的PWM模块，逐步应用于多电平调控领域。但在MPC中，往往采取设定权重因子的方法来实现多目标的控制，而权重因子的选取尚且没有固定的方法，通常是采取试探法来多次筛选。除此之外，当价值函数中包含权重因子时，会增加控制器的计算负担，不利于实现系统的快速响应。
当逆变器在每个采样周期内开关频率不固定时，将会增加滤波器的设计难度；而当开关损耗过大时，会减少逆变器的工作寿命，增加系统的维护和保养成本，不利于提升光伏发电系统的可靠与安全性。
综上，上述现有技术中存在着并网漏电流的抑制，开关频率不固定，开关损耗较大，以及控制目标多且复杂，传统含权重因子的MPC在实现多目标控制时的计算负担大等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种多电平逆变器模型预测控制方法及系统，提出中点电压和悬浮电容电压控制优先级方法，以及提出控制中点电压和悬浮电容电压的函数，有效选择合适的开关状态平衡中点和悬浮电容电压；提出虚拟矢量划分扇区方法，将大扇区初步划分为三个扇区，继而对扇区进行逐步划分，采用逻辑大小判断有限集模型预测价值函数值，以精确到所需求的小扇区中，确定最终的三个候选矢量，再基于价值函数计算结果计算占空比。最后对矢量按照空间矢量图内外圈的划分方式进行重新排序来降低切换小扇区时的开关损耗，也实现了开关频率的固定，有利于滤波器的设计。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种多电平逆变器模型预测控制方法，包括：
预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以此确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；
构建中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选最优开关序列；
构建控制三相输出电压的价值函数，对零共模候选矢量构建空间矢量图，根据零共模候选矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，并确定参考电压所在第一目标扇区；
在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对二次划分后参考电压所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，并根据价值函数确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；
根据最终位置确定零共模矢量，得到零共模矢量作用的占空比，以及根据空间矢量图的内外圈划分原则得到零共模矢量的作用顺序；
根据占空比、作用顺序和开关序列控制逆变器开关管的动作。
作为可选择的实施方式，所述悬浮电容电压平衡条件为：
FunFC(k)＝(Vxf(k)-Vdc/4)ix(k)x＝(a,b,c)
所述中点电压平衡条件为：
FunDC(k)＝(VP(k)-VN(k))V* xN(k)ix(k)x＝(a,b,c)
其中，Vxf(k)是a、b、c三相在k时刻的悬浮电容电压；Vdc为直流测电压；VP(k)、VN(k)分别是k时刻直流侧的上下电容电压；V* xN(k)为在k时刻x点(x＝a,b,c)到N点之间的输出电压；ix(k)为a、b、c三相在k时刻交流侧输出电流的电流采样值。
作为可选择的实施方式，中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级关系为：根据悬浮电容电压与四分之一直流测电压间差值的绝对值与控制阈值的比较结果，判断中点电压平衡和悬浮电容电压平衡的优先级，若前者不小于后者，则控制悬浮电容电压平衡，将悬浮电容电压控制在控制阈值范围之内，再控制中点电压平衡；否则先控制中点电压平衡。
作为可选择的实施方式，所述价值函数为：
g2＝|V* α(k+1)-Vα(k+1)|+|V* β(k+1)-Vβ(k+1)|
其中，V* αβ(k+1)为矢量在空间矢量图中的横纵坐标值，Vαβ(k+1)为实际输出三相电压经过克拉克变换得到的αβ坐标系下的坐标。
作为可选择的实施方式，在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分后，根据第一目标扇区所在三角形的三个顶点的价值函数值确定参考电压所在第二目标扇区。
作为可选择的实施方式，对第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分过程为，将虚拟矢量延长至大扇区三角形边的中点上，且其位置位于第二目标扇区的正对面，形成菱形扇区，将菱形扇区划分为两个三角形扇区；根据菱形扇区长对角线的两个零共模候选矢量的价值函数值确定参考电压所处的三角形扇区，所述三角形扇区的三个顶点所属的零共模候选矢量为最终确定的零共模矢量。
作为可选择的实施方式，确定零共模矢量后，根据零共模矢量与其对应的价值函数成反比得到零共模矢量作用的占空比。
作为可选择的实施方式，对空间矢量图划分内圈和外圈，内圈以矢量[000]为序列的起始矢量，在相邻采样周期间，上一个序列的结尾与下一个序列的开头均是矢量[000]；其余为外圈，在外圈中，以对空间矢量图进行扇区划分后得到的扇区矢量作为序列开头与结尾；参考电压处于内圈中不存在开关动作，参考电压处于外圈中，则通过划分扇区方式确定作为开头与结尾的零共模矢量，并且在每个扇区内不存在开关的切换。
第二方面，本发明提供一种多电平逆变器模型预测控制系统，包括：
优先级确认模块，被配置为预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以此确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；
开关序列筛选模块，被配置为构建中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选最优开关序列；
扇区划分模块，被配置为构建控制三相输出电压的价值函数，对零共模候选矢量构建空间矢量图，根据零共模候选矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，并确定参考电压所在第一目标扇区；
位置定位模块，被配置为在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对二次划分后参考电压所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，并根据价值函数确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；
矢量定位模块，被配置为根据最终位置确定零共模矢量，得到零共模矢量作用的占空比，以及根据空间矢量图的内外圈划分原则得到零共模矢量的作用顺序；
控制模块，被配置为根据占空比、作用顺序和开关序列控制逆变器开关管的动作。
第三方面，本发明提供一种电子设备，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，完成第一方面所述的方法。
第四方面，本发明提供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，完成第一方面所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的控制方法中，提出不同于传统分割空间矢量图的方法，采用逻辑大小判断有限集MPC的价值函数数值，精确到所需求的小扇区中，并且价值函数只需计算一次，即可实现跟踪电压、确定扇区、计算占空比三个功能；在每个采样周期中，采取多矢量合成参考电压，可以降低电流谐波，实现了开关频率的固定，有利于滤波器的设计；最后在相邻采样周期间，优化开关序列，在不同的扇区中采用不同的序列，降低开关损耗。
本发明采用3P-5L-ANPC逆变器作为光伏发电的主体，相比较传统的两电平三电平逆变器，输出电平数多，输出电流质量高，降低滤波器的体积。
本发明的调控策略采用模型预测控制策略，在实现众多控制目标的同时，其价值函数仅仅用来实现电压的跟踪，不含有权重因子，提高系统的响应速度。且由于使用MPC，没有采用PI调节器，也不存在繁杂调试PI参数的工作。
本发明提出中点电压和悬浮电容电压控制优先级的方法，即先控制悬浮电容平衡，将悬浮电容电压控制在需求范围之内，再平衡中点电压的控制策略；提出控制中点电压和悬浮电容电压的函数，有效选择合适的开关状态平衡中点和悬浮电容电压；同时采取多矢量来跟踪Vref，将开关组合数由512降低到3，减少系统计算负担。
本发明在不添加额外硬件的条件下，可以消除共模电压，从而消除共模漏电流，提高了并网电能质量，增强了整个光伏系统的安全与高效性。
本发明的控制方法中，提出一种虚拟矢量划分扇区的方法，将大扇区初步划分为三个小扇区，采用有限集MPC的价值函数划分扇区，从而不再需要根据Vref的相角与幅值的传统确定扇区的方法，进而降低控制器计算负担；将小扇区做进一步划分，采用的是移动虚拟试量位置到菱形扇区长对角线上的矢量，再利用由有限集MPC的价值函数计算得到的结果进行简单的逻辑判断；将进一步划分的小扇区进行分类与组合，确定最近三个候选矢量的扇区；最后基于有限集MPC的价值函数计算结果计算占空比，不需要额外的计算，无需增加控制器负担，只需通过简单的四则运算即可得到最佳占空比。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
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提供的多电平逆变器模型预测控制方法流程图；
图2为本发明实施例1提供的3P-5L-ANPC光伏逆变器系统图；
图3为本发明实施例1提供的五电平125个矢量的空间矢量图；
图4为本发明实施例1提供的五电平125个矢量中具有零共模的19个矢量的空间矢量图；
图5为本发明实施例1提供的悬浮电容和中点电压的控制框图；
图6(a)为本发明实施例1提供的第一大扇区第一次划分扇区后的示意图；
图6(b)为本发明实施例1提供的第一大扇区第二次划分扇区后的示意图；
图6(c)为本发明实施例1提供的第一大扇区合成后的四个扇区示意图；
图7为本发明实施例1提供的零共模矢量图内外圈划示意图；
图8(a)为本发明实施例1提供的第一扇区S1小扇区的开关序列示意图；
图8(b)为本发明实施例1提供的第一扇区S2小扇区的开关序列示意图；
图8(c)为本发明实施例1提供的第一扇区S3小扇区的开关序列示意图；
图8(d)为本发明实施例1提供的第一扇区S4小扇区的开关序列示意图；
图9(a)为本发明实施例1提供的输出线电压仿真图；
图9(b)为本发明实施例1提供的三相输出电流仿真图；
图9(c)为本发明实施例1提供的共模电压仿真图；
图9(d)为本发明实施例1提供的中点电压仿真图；
图9(e)为本发明实施例1提供的三相悬浮电容电压仿真图；
图9(f)为本发明实施例1提供的输出电流FFT仿真图。
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
多电平逆变器已经作为主体逐步投入到1500V光伏发电领域，多级输出电平可以减少输出并网电流谐波，提升直流侧利用率，提高电能质量。本实施例以3P-5L-ANPC逆变器为例，由于其开关数量较多，且每相含有悬浮电容，所以其调控技术较为复杂。为了简化对多电平的调控方法，采用模型预测控制技术可以提高系统的快速性，并同时实现多目标控制。但是传统的MPC存在多种不足，如价值函数中的权重因子会增加系统计算负担，无法固定开关频率；同时，当系统并网时，又需要抑制并网漏电流，并消除共模电压；除此之外，不合适的调控策略会增加开关的损耗。
所以，既要实现多目标的有效控制，减少计算量增加系统的快速性，又要降低开关损耗，本实施例提出一种新型固定开关频率、零共模多矢量的降低开关损耗的多电平逆变器模型预测控制方法；
如图1所示，具体包括：预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以此确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；
构建中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选最优开关序列；
构建控制三相输出电压的价值函数，对零共模候选矢量构建空间矢量图，根据零共模候选矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，并确定参考电压所在第一目标扇区；
在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对二次划分后参考电压所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，并根据价值函数确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；
根据最终位置确定零共模矢量，得到零共模矢量作用的占空比；
根据占空比和开关序列控制逆变器开关管的动作。
如图2所示为并网光伏3P-5L-ANPC逆变器系统拓扑结构图，该拓扑直流侧为光伏阵列，用来提供直流输入。每相由8个功率开关和一个悬浮电容组成，其中组合成H桥的部分为4个高频开关，直流侧4个为工频开关。图2中的电流方向均为本实施例中规定的正方向。由于光伏板与大地、交流侧公共端形成回路，当回路中含有共模电压时，其光伏板中存在的寄生电容会导致回路中产生共模漏电流，如果流入网测，会污染电能。
以下对本实施例所提出的多电平逆变器模型预测控制方法进行具体阐述；具体包括如下步骤：
步骤S1，由图2所示的多电平逆变器拓扑结构，建立多电平逆变器数学模型，分析125个矢量的共模电压，并从中选择合适的19个零共模矢量作为候选矢量；
具体地，三相输出的相电压表示为：
其中，Vdc为直流测电压，VaO、VbO、VcO是3P-5L-ANPC型逆变器的相电压，Sa、Sb、Sc是三相定义的开关状态，且[SaSbSc]代表矢量，每相有五种状态，所以3P-5L-ANPC逆变器共有125个矢量，图3所示为125个矢量的空间矢量图；
根据共模电压定义，得到共模电压的计算公式：
其中，VCMV是共模电压。
可以发现，125个空间矢量根据所含共模电压的不同可以分为12类，这其中包含了含有零共模电压的19个矢量，它们组合为图4所示的零共模空间矢量图。
步骤S2，采样k时刻的三相网侧电压和三相电流，采用多电平逆变器数学模型求解k+1时刻的输出相电压；采样k时刻的悬浮电容电压和中点电压，预测k+1时刻的悬浮电容电压和中点电压；建立含以上控制量的具有权重因子的价值函数；具体地：
S2-1：根据图2所示的电流回路，可以得到：
其中，ia、ib、ic是逆变器输出的三相交流电流，L是输出侧滤波电感，RL是整个回路中的等效电阻，ea、eb、ec是网侧电压，VaN、VbN、VcN是输出侧到网侧公共点之间的电压。
此外，VaN、VbN、VcN还可以表示为：
其中，VNO表示直流侧中点到交流侧中点的电压。
所以，由公式(3)和(4)可知，3P-5L-ANPC输出相电压表示为：
将其离散化可得：
其中，Tp为控制周期，ia(k)、ib(k)、ic(k)为k时刻交流侧输出电流的电流采样值，ia *(k+1)、i* b(k+1)、i* c(k+1)为k+1时刻交流侧电流预测值，V* aN(k)、V* bN(k)、V* cN(k)为k时刻输出点到交流侧公共点的预测电压。
为了弥补实际硬件数据处理过程中带来的延时，将公式(6)后推一步，可得：
其中，网侧电压和给定电流可以由下列公式计算得出：
ex(k+1)＝3ex(k)-3ex(k-1)+ex(k-2)(x＝a,b,c)
i* x(k+2)＝3i* x(k+1)-3i* x(k)+i* x(k-1)(x＝a,b,c) (8)
S2-2：根据微分方程，可得流经悬浮电容的电流表达式：
其中，ixf是逆变器流经悬浮电容的三相电流，Cxf代表三相悬浮电容的电容值，在数值上它们往往是相同的，Vxf是三相悬浮电容的电压值。
将(9)离散化，可得：
其中，Vxf(k)和Vxf(k+1)分别是三相悬浮电容在k时刻与k+1时刻的电压值；px是一个根据流经悬浮电容电流的正负决定的变量参数，可以表示为：
S2-3：同理，流经直流侧上下电容的电流为：
将(12)离散化可得：
其中，i1、i2为流经上下电容的电流，io(k)为流出中点O的电流，VP、VN分别是直流侧的上下电容电压。
S2-4：所以，包含上述控制量的价值函数可以表示为：
其中，λ1、λ2、λ3为权重因子，V* αβ(k+1)为矢量在空间矢量图中的横纵坐标值，Vαβ(k+1)为实际输出三相电压经过克拉克变换得到的αβ坐标系下的坐标。
步骤S3，分析五种输出电平所对应的八种开关状态，预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；建立中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件的两组平衡公式，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选合适的开关状态来控制中点电压和悬浮电容电压；
控制框图如图5所示；具体地：
S3-1：每相八种开关状态及其对中点电流和悬浮电容电流的影响如表1所示；
表1 3P-5L-ANPC逆变器A相八组开关序列及其对电流的影响
S3-2：建立控制中点平衡与悬浮电容平衡的优先级关系式：
|Vxf(k)-Vdc(k)/4|≥K x＝(a,b,c)(15)
其中，参数K为悬浮电容电压按需求所决定的控制范围。
悬浮电容平衡控制方程为：
FunFC(k)＝(Vxf(k)-Vdc/4)ix(k)x＝(a,b,c)(16)
中点电压平衡控制方程为：
FunDC(k)＝(VP(k)-VN(k))V* xN(k)ix(k)x＝(a,b,c)(17)
其中，V* xN为逆变器在k时刻x点(x＝a,b,c)到N点之间的输出电压。
根据图5，首先根据优先级关系式判断优先级，若满足则进行控制悬浮电容电压，否则控制中点平衡电压；根据三相输出电压与Vdc的比较结果，得到通过序列2、3、6、7控制悬浮电容的充放电，通过序列3、6控制中点平衡。
步骤S4，经过步骤S3，步骤S2中构建的价值函数权重因子被去除，即由步骤S3构建的悬浮电容平衡控制方程和中点电压平衡控制方程控制悬浮电容电压和中点电压，由步骤S2中价值函数的第一项控制三相输出电压，去除权重因子。
此时，采用价值函数计算六个矢量V7～V12如图3所示位置的值，利用其计算结果将19个零共模候选矢量的空间矢量图进行扇区划分，划分为六个大扇区；计算大扇区所在大三角形的三个顶点的价值函数值，比较价值函数值的大小，并确定参考电压所在第一目标扇区；
将大扇区再划分为三个小扇区，三个小扇区的公共顶点设为虚拟矢量，以虚拟矢量为基准进行二次划分，确定参考电压所在的小扇区；
在确定的小扇区中，将虚拟矢量延长到大扇区三角形边的中点上，其位置位于所确立小扇区的正对面，形成菱形扇区；
将菱形扇区长对角线的两个矢量带入价值函数中，指得注意的是，其中有一个矢量在计算三个小扇区时已经被代入到价值函数中，所以不需要重复计算；
之后，将所在小扇区进一步划分为一个正三角形扇区与钝角等腰三角形扇区，正三角形扇区三个顶点是三个矢量，钝角等腰三角形扇区被包含于另一个正三角扇区中，该正三角形三个顶点也是三个矢量；
由此通过有限集MPC，既可以计算出参考电压Vref所在的位置，又可以获得三个最近的候选矢量用于跟踪Vref。
具体地，S4-1：经过步骤S3后，去除权重因子的价值函数为：
g2＝|V* α(k+1)-Vα(k+1)|+|V* β(k+1)-Vβ(k+1)|(18)
S4-2：将图3中矢量V7～V12代入价值函数(18)中，计算结果为gV7～gV12，通过比较上述6个价值函数计算结果，确定参考电压Vref所在的大扇区；两者之间的关系如表2所示；
表2判断大扇区
S4-3：确定大扇区之后，需要进一步确定Vref所在的小扇区。
第一扇区为例，以第一扇区所在的大三角形的中心，建立一个虚拟矢量Vv，如图6(a)所示；并将大扇区三个三角形的顶点VT1、VT2、VT3代入到价值函数(18)中，得到计算结果gT1、gT2、gT3；比较上述计算结果，确定Vref所在的以虚拟矢量Vv为基准划分的小扇区。第一扇区第一次划分扇区的方法如表3所示。
表3第一次判断小扇区
S4-4：经过步骤S4-3将大扇区划分为多个小扇区，但在每个小扇区中，总有部分无法确定出可以合成参考电压Vref的候选矢量，所以本实施例又对步骤S4-3得到的小扇区进一步划分；如图6(a)和图6(b)所示；
当位于扇区RⅠ时，将虚拟矢量VV延长到对面对角线VD1上，并将其代入价值函数(18)中得到计算结果gD1；比较gT1与的gD1大小，将S4-3中确定的小扇区RⅠ进一步划分为两部分—Ⅰ1和Ⅰ2；如果gT1大于gD1，则Vref位于Ⅰ2；如果gT1小于gD1，则Vref位于Ⅰ2。
小扇区RⅡ和RⅢ同理；小扇区的划分原则如表4所示：
表4第二次判断小扇区
S4-5：为了选择最合适的候选矢量，将步骤S4-4中部分扇区进行合并，合并后的扇区如图6(c)所示，合并公式如下：
步骤S5，利用步骤S4中计算得到的价值函数值，代入到等效占空比计算公式中，通过简单的四则运算，可以得出多矢量的最优占空比；并根据步骤S3确定出这些矢量开关状态。
当根据S4-5确定出Vref所在的小扇区后，进而确定三个候选矢量；具体地，价值函数(18)的计算结果是Vref到候选矢量的距离，所以价值函数的计算结果越大，证明矢量到Vref的距离越大，那么其对应矢量的占空就越小；
根据以上结论，最近的三个候选矢量分别为V1、V2、V3，对应的价值函数的计算结果分别为g1、g2、g3，所以利用候选矢量与其对应的价值函数成反比得到矢量作用的占空比：
步骤S6，将19个零共模候选矢量的大扇区划分为内外圈，在内圈中开关序列以[000]开始和结尾；在外圈中，以步骤S4中将扇区划分为六个大扇区的矢量作为序列开头与结尾，可以降低开关损耗；确定序列的第一个矢量后，将步骤S4中的最近三个矢量按照逆时针排序，所形成的开关序列可以在每个周期内固定开关频率，有利于滤波器的设计。
具体地，S6-1：为了相邻采样周期间的开关损耗，本实施例进一步提出了按照内外圈划分空间矢量图的方法，如图7所示；黑色阴影六边形为内圈，其余部分为外圈。在内圈中，以矢量V0[000]为序列的起始矢量，上一个序列的结尾与下一个序列的开头都是矢量V0[000]，不仅在相邻采样周期间不存在开关的动作，在整个内圈范围之内都不存在开关切换。这样当Vref在内圈之中时，实现了开关损耗的减小。
当Vref在外圈之中时，则按照步骤S4-2划分出的大扇区来讨论。在每个扇区中，作为序列开头与结尾的矢量是图7中黑色实心位置所在的矢量，扇区1到扇区6分别是V7、V8、V9、V10、V11、V12；在相邻采样周期间，上一个序列的结尾与下一个序列的开头都是黑色实心矢量，同样减小开关损耗，并且在外圈的每个扇区之中，都不存在开关的切换。
S6-2：在每个采样周期内，是由三个矢量形成的五段式来发波。以第一扇区为例，四个小扇区的的开关序列分别为图8(a)-8(d)。可以发现，不论在哪个小扇区中，总有两相开关动作一次，另外一相的开关动作动作两次，其他扇区也如第一扇区同样。所以，可以实现在整个19零共模空间矢量图上开关频率的固定，有利于滤波器的设计。
本实施例在仿真过程中，直流侧采用400V的电压源代替光伏阵列，并网交流侧电压峰值为150V，参考电流峰值为10A，滤波电感大小为5mH，采样周期为100μs。
如图9(a)与9(b)中，线电压为9电平，幅值为400V，电流呈现正弦，幅值为10A；图9(c)中的共模电压幅值基本为零，所以抑制了产生的共模漏电流；如图9(d)的中点电压为直流侧的一半，为200V；图9(e)的三相悬浮电容电压上下浮动3V，为97V～103V，这是因为式(15)的常量K为3V；图9(f)的FFT显示，电流频率主要集中在开关频率，即10kHz的整数倍数，如20kHz和30kHz，证明步骤S6-2的方法固定开关频率，有利于滤波器的设计。
本实施例提出一种针对3P-5L-ANPC光伏逆变器的固定开关频率，降低开关损耗的快速模型预测控制策略，在去除了价值函数中权重因子的同时，实现了多目标控制，例如抑制共模电流，跟踪参考电压Vref，平衡中点与悬浮电容电压等。多矢量的参与不仅仅可以降低电流谐波，还可以固定开关频率，有利于滤波器的设计。
本实施例提出扇区划分方法，不需要求出Vref的幅值与相角，而是根据有限集MPC价值函数的计算结果，通过简单的大小逻辑判断确定扇区。价值函数的计算结果，还将通过简单的四则运算，得出矢量的最佳占空比。整个过程中，价值函数不仅仅实现了跟踪Vref，计算结果还承担起上述两种功能，并且不需要多余杂糅的重复计算，大大提高了快速性。在整个光伏发电系统，从电压的跟踪，扇区的确定，到占空比的计算全部都是基于MPC来实现，是一套完整的模型预测控制策略。最后，通过对空间矢量图的进行内外圈划分，确定了开关序列的顺序，降低了开关损耗，提高了系统的稳定性。本实施例的控制方法主要用于以3P-5L-ANPC逆变器作为主体的光伏发电系统控制应用中。
实施例2
本实施例提供一种多电平逆变器模型预测控制系统，包括：
优先级确认模块，被配置为预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以此确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；
开关序列筛选模块，被配置为构建中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选最优开关序列；
扇区划分模块，被配置为构建控制三相输出电压的价值函数，对零共模候选矢量构建空间矢量图，根据零共模候选矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，并确定参考电压所在第一目标扇区；
位置定位模块，被配置为在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对二次划分后参考电压所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，并根据价值函数确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；
矢量定位模块，被配置为根据最终位置确定零共模矢量，得到零共模矢量作用的占空比；
控制模块，被配置为根据占空比和开关序列控制逆变器开关管的动作。
此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，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。
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 (10)
1.一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，包括：
预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以此确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；
构建中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选最优开关序列；
构建控制三相输出电压的价值函数，对零共模候选矢量构建空间矢量图，根据零共模候选矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，并确定参考电压所在第一目标扇区；
在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对二次划分后参考电压所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，并根据价值函数确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；
根据最终位置确定零共模矢量，得到零共模矢量作用的占空比，以及根据空间矢量图的内外圈划分原则得到零共模矢量的作用顺序；
根据占空比、作用顺序和开关序列控制逆变器开关管的动作。
2.如权利要求1所述的一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，所述悬浮电容电压平衡条件为：
FunFC(k)＝(Vxf(k)-Vdc/4)ix(k) x＝(a,b,c)
所述中点电压平衡条件为：
FunDC(k)＝(VP(k)-VN(k))V* xN(k)ix(k) x＝(a,b,c)
其中，Vxf(k)是a、b、c三相在k时刻的悬浮电容电压；Vdc为直流测电压；VP(k)、VN(k)分别是k时刻直流侧的上下电容电压；V* xN(k)为在k时刻x点(x＝a,b,c)到N点之间的输出电压；ix(k)为a、b、c三相在k时刻交流侧输出电流的电流采样值。
3.如权利要求1所述的一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级关系为：根据悬浮电容电压与四分之一直流测电压间差值的绝对值与控制阈值的比较结果，判断中点电压平衡和悬浮电容电压平衡的优先级，若前者不小于后者，则控制悬浮电容电压平衡，将悬浮电容电压控制在控制阈值范围之内，再控制中点电压平衡；否则先控制中点电压平衡。
4.如权利要求1所述的一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，所述价值函数为g2＝|V* α(k+1)-Vα(k+1)|+|V* β(k+1)-Vβ(k+1)|
其中，V* αβ(k+1)为矢量在空间矢量图中的横纵坐标值，Vαβ(k+1)为实际输出三相电压经过克拉克变换得到的αβ坐标系下的坐标。
5.如权利要求1所述的一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分后，根据第一目标扇区所在三角形的三个顶点的价值函数值确定参考电压所在第二目标扇区；
或者，对第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分过程为，将虚拟矢量延长至大扇区三角形边的中点上，且其位置位于第二目标扇区的正对面，形成菱形扇区，将菱形扇区划分为两个三角形扇区；根据菱形扇区长对角线的两个零共模候选矢量的价值函数值确定参考电压所处的三角形扇区，所述三角形扇区的三个顶点所属的零共模候选矢量为最终确定的零共模矢量。
6.如权利要求1所述的一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，确定零共模矢量后，根据零共模矢量与其对应的价值函数成反比得到零共模矢量作用的占空比。
7.如权利要求1所述的一种多电平逆变器模型预测控制方法，其特征在于，对空间矢量图划分内圈和外圈，内圈以矢量[000]为序列的起始矢量，在相邻采样周期间，上一个序列的结尾与下一个序列的开头均是矢量[000]；其余为外圈，在外圈中，以对空间矢量图进行扇区划分后得到的扇区矢量作为序列开头与结尾；参考电压处于内圈中不存在开关动作，参考电压处于外圈中，则通过划分扇区方式确定零共模矢量，并且在外圈的每个扇区中时，相邻采样周期内不存在开关的切换。
8.一种多电平逆变器模型预测控制系统，其特征在于，包括：
优先级确认模块，被配置为预设控制悬浮电容电压波动范围的控制阈值，以此确定中点电压和悬浮电容电压平衡的优先级；
开关序列筛选模块，被配置为构建中点电压平衡条件和悬浮电容电压平衡条件，根据优先级切换平衡条件，通过平衡条件根据三相输出电压在候选开关序列中筛选最优开关序列；
扇区划分模块，被配置为构建控制三相输出电压的价值函数，对零共模候选矢量构建空间矢量图，根据零共模候选矢量价值函数值对空间矢量图进行扇区划分，并确定参考电压所在第一目标扇区；
位置定位模块，被配置为在第一目标扇区内以虚拟矢量为基准进行二次划分，对二次划分后参考电压所在第二目标扇区根据菱形对角线进行三次划分，并根据价值函数确定参考电压所在空间矢量图的最终位置；
矢量定位模块，被配置为根据最终位置确定零共模矢量，得到零共模矢量作用的占空比，以及根据空间矢量图的内外圈划分原则得到零共模矢量的作用顺序；
控制模块，被配置为根据占空比、作用顺序和开关序列控制逆变器开关管的动作。
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。
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