CN113922689B - 一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法 - Google Patents

一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，属电力电子与电力传动领域，该算法选取共模电压幅值较小的基本电压矢量作为控制集，使共模电压幅值减小一半，迭代次数由27次减少为19次；通过构造与基本电压矢量幅值、方向相同，中点电流不同或均为0的虚拟电压矢量，形成一对冗余矢量控制中点电位平衡。相较于传统模型预测控制算法，本算法同时实现了共模电压抑制和中点电位平衡控制，省去了权重项的设计，减少了输出电流谐波含量，解决了中点电位拉偏后再控制平衡的暂态过程中电流畸变问题，具有算法简单，适用性强的优点。

Description

一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法
技术领域
本发明涉及电力电子与电力传动领域中二极管箝位型三电平变换器调制与控制领域，具体涉及一种无权重项设计即可实现共模电压抑制和中点电位平衡控制，具有低谐波含量的二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法。
背景技术
二极管箝位型三电平变换器以其输出电压谐波含量少，耐压等级高等优点逐渐被工业广泛应用于中、高压场合。二极管箝位型三电平变换器输出侧产生较大的共模电压，会在电动机的转轴上感应出高幅值的轴电压，形成轴电流，从而破坏电气绝缘，缩短电机的使用寿命。另外高频共模电压会产生高频漏电流，产生电磁干扰，影响周围电气设备的正常工作。另外，由于电路拓扑固有的问题，存在上、下分压电容不均衡的情况，从而导致逆变器输出电压畸变，电流谐波含量增加。
随着现代控制理论及数字控制器的快速发展，模型预测控制以其动态响应快、控制简单灵活、便于处理非线性约束等优点，近年来受到广泛关注。针对二极管箝位型三电平变换器，传统的模型预测控制算法中，未考虑共模电压抑制，且控制集包含全部基本电压矢量，循环迭代次数较多；另外，通过目标函数的约束进行中点电位平衡的控制，但需要额外设计权重项，权重项会影响输出电流的谐波，尤其在中点电位拉偏后控制平衡的暂态过程中，电流畸变严重，同时权重系数的取值又难以计算。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测算法，在抑制共模电压的基础上，省去中点电位平衡控制权重项的设计，控制中点电位平衡，进一步减少输出电流谐波含量，减小计算量。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
提供一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其包括以下步骤：
S1，根据二极管箝位型三电平变换器拓扑结构，27组开关组合在两相静止
Figure 958693DEST_PATH_IMAGE001
坐标系下对应27个基本电压矢量。
S2，舍弃共模电压幅值为
Figure 52551DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 849606DEST_PATH_IMAGE003
的基本电压矢量共8个，其中
Figure 396125DEST_PATH_IMAGE004
为直流母线电压的采样值，剩余19个基本电压矢量组成控制集。
S3，分别计算所述19个基本电压矢量作用时的中点电流，对于每一个中点电流不为0的基本电压矢量，构造一个幅值和方向相同、但中点电流不同的虚拟电压矢量，形成一对冗余，而对于每一个中点电流为0的基本电压矢量，其冗余虚拟电压矢量为其本身。
S4，建立系统预测模型公式，在k时刻分别代入所述控制集19个基本电压矢量，得到19个k+1时刻的预测输出电流。
S5，设计不含中点电位平衡控制权重项的评价函数，将目标输出电流
Figure 304038DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 314719DEST_PATH_IMAGE006
与所述19个k+1时刻预测输出电流代入评价函数进行循环计算，选取出使评价函数值最小的基本电压矢量作为最优基本电压矢量，最优基本电压矢量对应的冗余虚拟电压矢量称之为最优虚拟电压矢量。
S6，建立中点电位预测模型，在k时刻计算所述最优基本电压矢量、所述最优虚拟电压矢量作用后k+1时刻中点电压预测值，选取出最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量输出到调制模块，并按照设计的脉冲序列作用于开关器件。
进一步地，所述S1中基本电压矢量在两相静止
Figure 220358DEST_PATH_IMAGE001
坐标系中定义为：
Figure 316490DEST_PATH_IMAGE007
其中
Figure 464313DEST_PATH_IMAGE008
为基本电压矢量，
Figure 329501DEST_PATH_IMAGE009
为直流母线电压的采样值，j为虚部单位，
Figure 406041DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 989469DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 504764DEST_PATH_IMAGE012
为开关函数，定义为
Figure 162142DEST_PATH_IMAGE013
=1、0、-1，x=a、b、c，用字母p代表
Figure 471900DEST_PATH_IMAGE014
时的状态，用字母o代表
Figure 480307DEST_PATH_IMAGE015
时的状态，用字母n代表
Figure 533714DEST_PATH_IMAGE016
时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量，共
Figure 373494DEST_PATH_IMAGE017
种组合对应27个基本电压矢量。
进一步地，所述S2中共模电压幅值计算公式为：
Figure 290372DEST_PATH_IMAGE018
其中
Figure 848393DEST_PATH_IMAGE019
为共模电压幅值，
Figure 377594DEST_PATH_IMAGE009
为直流母线电压的采样值，
Figure 71881DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 989021DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 706441DEST_PATH_IMAGE012
为开关函数，定义为
Figure 101650DEST_PATH_IMAGE013
=1、0、-1，x=a、b、c，用字母p代表
Figure 853706DEST_PATH_IMAGE014
时的状态，用字母o代表
Figure 676168DEST_PATH_IMAGE015
时的状态，用字母n代表
Figure 943202DEST_PATH_IMAGE016
时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量；共模电压幅值为0的基本电压矢量为ooo、pon、opn、npo、nop、onp、pno；共模电压幅值为
Figure 578320DEST_PATH_IMAGE020
的基本电压矢量为poo、opo、oop、oon、noo、ono、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp；共模电压幅值为
Figure 247199DEST_PATH_IMAGE021
的基本电压矢量为onn、non、nno、ppo、opp、pop；共模电压幅值为
Figure 178246DEST_PATH_IMAGE002
的基本电压矢量为ppp、nnn。
进一步地，所述S3中中点电流计算公式为：
Figure 932575DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 607270DEST_PATH_IMAGE023
为中点电流，
Figure 130655DEST_PATH_IMAGE024
为x相输出电流，
Figure 560500DEST_PATH_IMAGE013
为开关函数，定义为
Figure 739808DEST_PATH_IMAGE013
=1、0、-1，x=a、b、c，用字母p代表
Figure 14932DEST_PATH_IMAGE014
时的状态，用字母o代表
Figure 100480DEST_PATH_IMAGE015
时的状态，用字母n代表
Figure 435647DEST_PATH_IMAGE016
时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量；中点电流不为0的基本电压矢量为poo、opo、oop、oon、noo、ono、pon、opn、npo、nop、onp、pno，中点电流为0的基本电压矢量为ooo、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp；poo的冗余虚拟电压矢量由pno、pon、ooo按照等比例各占1/3合成；opo的冗余虚拟电压矢量由opn、npo、ooo按照等比例各占1/3合成；oop的冗余虚拟电压矢量由nop、onp、ooo按照等比例各占1/3合成；oon的冗余虚拟电压矢量由pon、opn、ooo按照等比例各占1/3合成；noo的冗余虚拟电压矢量由npo、nop、ooo按照等比例各占1/3合成；ono的冗余虚拟电压矢量由onp、pno、ooo按照等比例各占1/3合成；pon的冗余虚拟电压矢量由pon、pnn、ppn按照等比例各占1/3合成；opn的冗余虚拟电压矢量由opn、ppn、npn按照等比例各占1/3合成；npo的冗余虚拟电压矢量由npo、npn、npp按照等比例各占1/3合成；nop的冗余虚拟电压矢量由nop、npp、nnp按照等比例各占1/3合成；onp的冗余虚拟电压矢量由onp、nnp、pnp按照等比例各占1/3合成；pno的冗余虚拟电压矢量由pno、pnp、pnn按照等比例各占1/3合成；ooo的的冗余虚拟电压矢量为ooo；pnn的冗余虚拟电压矢量为pnn；npn的冗余虚拟电压矢量为npn；nnp的冗余虚拟电压矢量为nnp；ppn的冗余虚拟电压矢量为ppn；npp的冗余虚拟电压矢量为npp；pnp的冗余虚拟电压矢量为pnp。
进一步地，所述S4中系统预测模型公式为：
Figure 164568DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 181066DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 679043DEST_PATH_IMAGE027
为k+1时刻输出电流，
Figure 388373DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 339012DEST_PATH_IMAGE029
为k时刻采样的输出电流，R为输出电阻，L为输出电感，
Figure 221517DEST_PATH_IMAGE030
为输出电流的采样周期，
Figure 511684DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 454232DEST_PATH_IMAGE032
为k+1时刻输出电压；将所述19个基本电压矢量的
Figure 328385DEST_PATH_IMAGE033
、
Figure 749002DEST_PATH_IMAGE034
坐标分量作为
Figure 159255DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 272704DEST_PATH_IMAGE032
代入，得到19个k+1时刻输出电流
Figure 197935DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 359926DEST_PATH_IMAGE027
。
进一步地，所述S5中不含中点电位平衡控制权重项的评价函数定义为：
Figure 421423DEST_PATH_IMAGE035
其中J为评价函数，
Figure 643457DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 55984DEST_PATH_IMAGE006
为目标输出电流，
Figure 83983DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 701784DEST_PATH_IMAGE027
为k+1时刻输出电流；所述评价函数的每一个值对应一个基本电压矢量，选取出使得评价函数值最小的基本电压矢量作为最优基本电压矢量，最优基本电压矢量对应的冗余虚拟电压矢量称之为最优虚拟电压矢量。
进一步地，所述S6中中点电位预测模型计算公式为：
Figure 891456DEST_PATH_IMAGE036
其中
Figure 728962DEST_PATH_IMAGE037
为k+1时刻中点电位，
Figure 295073DEST_PATH_IMAGE038
为k时刻x相输出电流，
Figure 596741DEST_PATH_IMAGE039
为k时刻开关状态取值，C为直流母线电容容值，
Figure 894999DEST_PATH_IMAGE030
为输出电流的采样周期；将k时刻最优基本电压矢量、最优虚拟电压矢量代入，选取出
Figure 282118DEST_PATH_IMAGE040
最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量输出到调制模块，并按照设计的脉冲序列作用于开关器件。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）通过舍弃共模电压幅值较大的基本电压矢量，不仅有效抑制了共模电压，同时极大减小了计算量；
（2）基于矢量合成原理，对每一个基本电压矢量构建冗余虚拟电压矢量，保证中点电位平衡的控制的同时，省去了权重项设计，简化了计算过程，减少了输出电流谐波含量，抑制了中点电位平衡控制暂态过程中电流畸变；
（3）通过合理设计冗余虚拟电压矢量脉冲序列，保证输出电压满足三相对称、半波对称和1/4对称，有效解决了输出电压不对称带来的控制性能变差问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为二极管箝位型三电平变换器拓扑图；
图2为基本电压矢量在两相静止
Figure 651919DEST_PATH_IMAGE001
坐标系中的分布图；
图3为poo的冗余虚拟电压矢量
Figure 480198DEST_PATH_IMAGE041
构造示意图；
图4为pon的冗余虚拟电压矢量
Figure 277253DEST_PATH_IMAGE042
构造示意图；
图5为本发明所提算法的流程框图；
图6为传统算法共模电压幅值的实验结果；
图7为本发明所提算法共模电压幅值的实验结果；
图8为传统算法稳态满载情况下输出电流的实验结果；
图9为本发明所提算法稳态满载情况下输出电流的实验结果；
图10为传统算法和本发明所提算法在不同输出电流情况下，电流总谐波畸变率对比；
图11为传统算法在中点电位拉偏后平衡控制的暂态过程实验结果；
图12为本发明所提算法在中点电位拉偏后平衡控制的暂态过程实验结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
具体的实施步骤如下：
一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，包括以下步骤：
步骤1：建立二极管箝位型三电平变换器数学模型。二极管箝位型三电平变换器拓扑如图1所示，C 1、C 2分别为直流侧上、下电容，
Figure 322307DEST_PATH_IMAGE043
、
Figure 495799DEST_PATH_IMAGE044
、
Figure 506480DEST_PATH_IMAGE045
、
Figure 677699DEST_PATH_IMAGE046
（x=a、b、c）为各相桥臂上的4个开关管，L、R分别为输出侧滤波电感、电阻。在二极管箝位型三电平变换器中，定义开关函数为
Figure 773831DEST_PATH_IMAGE047
=1、0、-1，x=a、b、c，并用字母p代表
Figure 485435DEST_PATH_IMAGE048
时的状态，用字母o代表
Figure 22726DEST_PATH_IMAGE049
时的状态，用字母n代表
Figure 161584DEST_PATH_IMAGE050
时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量，共
Figure 682695DEST_PATH_IMAGE017
个基本电压矢量。以a相桥臂为例，分别为
Figure 932411DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 917684DEST_PATH_IMAGE052
导通，
Figure 657802DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 728526DEST_PATH_IMAGE054
关断，此时
Figure 781933DEST_PATH_IMAGE055
，用字母p表示；
Figure 559396DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 40056DEST_PATH_IMAGE053
导通，
Figure 535759DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 392857DEST_PATH_IMAGE054
关断，此时
Figure 87143DEST_PATH_IMAGE049
，用字母o表示；
Figure 410808DEST_PATH_IMAGE053
、
Figure 456125DEST_PATH_IMAGE054
导通，
Figure 287552DEST_PATH_IMAGE051
、
Figure 836345DEST_PATH_IMAGE052
关断，此时
Figure 924387DEST_PATH_IMAGE050
，用字母n表示。
每相输出电压
Figure 394682DEST_PATH_IMAGE056
计算方法为：
Figure 593583DEST_PATH_IMAGE057
其中，
Figure 996882DEST_PATH_IMAGE056
表示x相桥臂输出相电压，x=a、b、c，
Figure 927929DEST_PATH_IMAGE009
为直流母线电压。
基本电压矢量
Figure 682258DEST_PATH_IMAGE008
关于开关函数的表达式计算方法为：
Figure 622533DEST_PATH_IMAGE058
其中j为虚部单位。
根据开关状态，27个基本电压矢量在
Figure 145918DEST_PATH_IMAGE001
坐标系中空间分布如图2所示。
步骤2：二极管箝位型三电平变换器的共模电压定义为输出中性点n与直流侧上、下电容中点o之间的电位差，结合开关状态，共模电压的计算公式为：
Figure 575762DEST_PATH_IMAGE059
其中
Figure 722447DEST_PATH_IMAGE019
为共模电压幅值。
共模电压幅值为0的基本电压矢量为ooo、pon、opn、npo、nop、onp、pno；共模电压幅值为
Figure 263150DEST_PATH_IMAGE020
的基本电压矢量为，poo、opo、oop、oon、noo、ono、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp；共模电压幅值为
Figure 906621DEST_PATH_IMAGE003
的基本电压矢量为onn、non、nno、ppo、opp、pop；共模电压幅值为
Figure 179471DEST_PATH_IMAGE002
的基本电压矢量为ppp、nnn。舍弃共模电压幅值为
Figure 908392DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 987207DEST_PATH_IMAGE003
的基本电压矢量ppp、nnn、onn、non、nno、ppo、opp、pop共8个，剩余19个基本电压矢量ooo、pon、opn、npo、nop、onp、pno、poo、opo、oop、oon、noo、ono、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp组成控制集。
步骤3：计算控制集中每一个基本电压矢量作用时中点电流，中点电流计算公式为：
Figure 688446DEST_PATH_IMAGE022
其中，
Figure 194514DEST_PATH_IMAGE023
为中点电流，
Figure 82836DEST_PATH_IMAGE024
为x相输出电流。中点电流为0的基本电压矢量为ooo、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp；中点电流为
Figure 965341DEST_PATH_IMAGE060
的基本电压矢量为poo、noo；中点电流为
Figure 317825DEST_PATH_IMAGE061
的基本电压矢量为opo、ono；中点电流为
Figure 962171DEST_PATH_IMAGE062
的基本电压矢量为oop、oon；中点电流为
Figure 400105DEST_PATH_IMAGE063
的基本电压矢量为opn、onp；中点电流为
Figure 820722DEST_PATH_IMAGE064
的基本电压矢量为pon、nop；中点电流为
Figure 230975DEST_PATH_IMAGE065
的基本电压矢量为npo、pno。
步骤4：为控制集中每一个基本电压矢量构造冗余虚拟电压矢量，构造的基本原则是：对于中点电流为0的基本电压矢量，构造冗余虚拟电压矢量是其本身；对于中点电流不为0的基本电压矢量，构造冗余虚拟电压矢量要求幅值和方向相同，但中点电流不同。
按照构造原则：ooo的的冗余虚拟电压矢量为ooo；pnn的冗余虚拟电压矢量为pnn；npn的冗余虚拟电压矢量为npn；nnp的冗余虚拟电压矢量为nnp；ppn的冗余虚拟电压矢量为ppn，npp的冗余虚拟电压矢量为npp，pnp的冗余虚拟电压矢量为pnp。
poo的冗余虚拟电压矢量由pno、pon、ooo按照等比例各占1/3合成；opo的冗余虚拟电压矢量由opn、npo、ooo按照等比例各占1/3合成；oop的冗余虚拟电压矢量由nop、onp、ooo按照等比例各占1/3合成；oon的冗余虚拟电压矢量由pon、opn、ooo按照等比例各占1/3合成；noo的冗余虚拟电压矢量由npo、nop、ooo按照等比例各占1/3合成；ono的冗余虚拟电压矢量由onp、pno、ooo按照等比例各占1/3合成。图3示出了poo的冗余虚拟电压矢量
Figure 78845DEST_PATH_IMAGE066
构造过程。
pon的冗余虚拟电压矢量由pon、pnn、ppn按照等比例各占1/3合成；opn的冗余虚拟电压矢量由opn、ppn、npn按照等比例各占1/3合成；npo的冗余虚拟电压矢量由npo、npn、npp按照等比例各占1/3合成；nop的冗余虚拟电压矢量由nop、npp、nnp按照等比例各占1/3合成；onp的冗余虚拟电压矢量由onp、nnp、pnp按照等比例各占1/3合成；pno的冗余虚拟电压矢量由pno、pnp、pnn按照等比例各占1/3合成。图4示出了pon的冗余虚拟电压矢量
Figure 676180DEST_PATH_IMAGE067
构造过程。
根据中点电流计算公式：ooo、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp中点电流为0，其冗余虚拟电压矢量中点电流为0；poo、noo中点电流为
Figure 900488DEST_PATH_IMAGE060
，其冗余虚拟电压矢量中点电流为
Figure 227564DEST_PATH_IMAGE068
；opo、ono中点电流为
Figure 715177DEST_PATH_IMAGE061
，其冗余虚拟电压矢量中点电流为
Figure 127704DEST_PATH_IMAGE069
；oop、oon中点电流为
Figure 66622DEST_PATH_IMAGE062
，其冗余虚拟电压矢量中点电流为
Figure 248205DEST_PATH_IMAGE070
；opn、onp中点电流为
Figure 703457DEST_PATH_IMAGE071
，其冗余虚拟电压矢量中点电流为
Figure 806542DEST_PATH_IMAGE072
；pon、nop中点电流为
Figure 372653DEST_PATH_IMAGE064
，其冗余虚拟电压矢量中点电流为
Figure 408742DEST_PATH_IMAGE073
；npo、pno中点电流为
Figure 972578DEST_PATH_IMAGE065
，其冗余虚拟电压矢量中点电流为
Figure 359697DEST_PATH_IMAGE074
。
步骤5：建立系统预测模型公式，k+1时刻输出电流在
Figure 463919DEST_PATH_IMAGE001
坐标系下计算公式为：
Figure 292198DEST_PATH_IMAGE075
其中
Figure 89253DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 399886DEST_PATH_IMAGE027
为k+1时刻输出电流，
Figure 573379DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 584060DEST_PATH_IMAGE029
为k时刻采样输出电流，R为输出电阻，L为输出电感，
Figure 489699DEST_PATH_IMAGE030
为输出电流的采样周期，
Figure 585831DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 31856DEST_PATH_IMAGE032
为k+1时刻输出电压。
将19个基本电压矢量的
Figure 100306DEST_PATH_IMAGE076
轴坐标分量、
Figure 239163DEST_PATH_IMAGE077
轴坐标分量作为
Figure 760274DEST_PATH_IMAGE031
、
Figure 9990DEST_PATH_IMAGE032
代入，得到19个k+1时刻输出电流
Figure 995264DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 475661DEST_PATH_IMAGE027
。
步骤6：设计不含中点电位平衡控制权重项的评价函数为：
Figure 546386DEST_PATH_IMAGE035
其中J为评价函数，
Figure 599792DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 642835DEST_PATH_IMAGE006
为目标输出电流。
将目标输出电流
Figure 123495DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 353619DEST_PATH_IMAGE006
与19个k+1时刻输出电流
Figure 210716DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 905003DEST_PATH_IMAGE027
代入评价函数进行循环计算，选取出使评价函数值最小的基本电压矢量作为最优电压矢量。
步骤7：建立中点电位预测模型，k+1时刻中点电压预测值计算公式为：
Figure 494247DEST_PATH_IMAGE036
其中
Figure 539563DEST_PATH_IMAGE037
为k+1时刻中点电位，
Figure 370991DEST_PATH_IMAGE038
为k时刻x相输出电流，
Figure 919784DEST_PATH_IMAGE039
为k时刻开关状态取值，C为直流母线电容容值。
在k时刻计算最优基本电压矢量
Figure 7826DEST_PATH_IMAGE078
、其对应的冗余虚拟电压矢量
Figure 212542DEST_PATH_IMAGE079
作用后k+1时刻中点电压预测值，选取出最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量
Figure 145863DEST_PATH_IMAGE080
输出到调制模块。
步骤8：若所选电压矢量为三矢量合成的冗余虚拟电压矢量，按照以下规则设计脉冲序列：尽可能减小不同基本电压矢量之间切换时产生的开关工作次数；输出相电压满足三相对称、半波对称和1/4对称。poo的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为pno→ooo→pon；opo的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为opn→ooo→npo；oop的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为nop→ooo→onp；oon的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为pon→ooo→opn；noo的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为npo→ooo→nop；ono的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为onp→ooo→pno；pon的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为pnn→pon→ppn；opn的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为ppn→opn→npn；npo的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为npn→npo→npp；nop的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为npp→nop→nnp；onp的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为nnp→onp→pnp；pno的冗余虚拟电压矢量脉冲序列为pnp→pno→pnn。
所提发明方法的流程框图如图5所示。k时刻的三相输出电流
Figure 814742DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 11368DEST_PATH_IMAGE081
、
Figure 500118DEST_PATH_IMAGE082
经过静止坐标系3/2变换得到
Figure 440392DEST_PATH_IMAGE028
、
Figure 963777DEST_PATH_IMAGE029
，和19个基本电压矢量分别代入预测模型，得到19个k+1时刻输出电流
Figure 128043DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 635964DEST_PATH_IMAGE027
，根据目标输出电流
Figure 176667DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 554559DEST_PATH_IMAGE006
计算出19个评价函数值，选取出使评价函数值最小的基本电压矢量作为最优基本电压矢量
Figure 92988DEST_PATH_IMAGE078
，计算最优基本电压矢量
Figure 556330DEST_PATH_IMAGE078
、其对应的冗余虚拟电压矢量
Figure 900724DEST_PATH_IMAGE079
作用后k+1时刻中点电压预测值
Figure 336384DEST_PATH_IMAGE037
，选取出使得
Figure 842452DEST_PATH_IMAGE037
最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量
Figure 996353DEST_PATH_IMAGE080
输出到调制模块，再根据所设计的脉冲序列作用于开关器件。
图6为传统算法共模电压幅值的实验结果。图7为本发明所提算法共模电压幅值的实验结果。对比图6和图7可以发现，本发明提出的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法能够抑制共模电压，使共模电压幅值减小一半。
图8为传统算法稳态满载情况下输出电流的实验结果。图9为本发明所提算法稳态满载情况下输出电流的实验结果。对比图8和图9可以发现，当控制中点电位波动范围均在5V以内时，本发明提出的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法能够减少输出电流的谐波含量。
图10为传统算法和本发明所提算法在不同输出电流情况下，电流总谐波畸变率对比。通过对比可以发现，本发明提出的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法在绝大部分调制区间，输出电流谐波含量均低于传统算法。
图11为传统算法在中点电位拉偏后平衡控制的暂态过程实验结果。
图12为本发明所提算法在中点电位拉偏后平衡控制的暂态过程实验结果。通过对比可以发现，本发明提出的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，在中点电位拉偏后平衡控制的暂态过程中输出电流不会发生畸变。上述结果验证了该方法的有效性和可行性。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (6)

1.一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，根据二极管箝位型三电平变换器拓扑结构，27组开关组合在两相静止
Figure 37265DEST_PATH_IMAGE001
坐标系下对应27个基本电压矢量；
S2，舍弃共模电压幅值为
Figure 962496DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 249121DEST_PATH_IMAGE003
的基本电压矢量共8个，其中
Figure 576197DEST_PATH_IMAGE004
为直流母线电压的采样值，剩余19个基本电压矢量组成控制集；
S3，分别计算所述19个基本电压矢量作用时的中点电流，对于每一个中点电流不为0的基本电压矢量，构造一个幅值和方向相同、但中点电流不同的虚拟电压矢量，形成一对冗余，而对于每一个中点电流为0的基本电压矢量，其冗余虚拟电压矢量为其本身；
S4，建立系统预测模型公式，在k时刻分别代入所述控制集19个基本电压矢量，得到19个k+1时刻的预测输出电流；
S5，设计不含中点电位平衡控制权重项的评价函数，将目标输出电流
Figure 673597DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 86124DEST_PATH_IMAGE006
与所述19个k+1时刻预测输出电流代入评价函数进行循环计算，选取出使评价函数值最小的基本电压矢量作为最优基本电压矢量，最优基本电压矢量对应的冗余虚拟电压矢量称之为最优虚拟电压矢量；
S6，建立中点电位预测模型，在k时刻计算所述最优基本电压矢量、所述最优虚拟电压矢量作用后k+1时刻中点电压预测值，选取出最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量输出到调制模块，并按照设计的脉冲序列作用于开关器件；
其中，S3中中点电流计算公式为：
Figure 910860DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 92443DEST_PATH_IMAGE009
为中点电流，
Figure 547695DEST_PATH_IMAGE010
为x相输出电流，
Figure 260567DEST_PATH_IMAGE011
为开关函数，定义为
Figure 826678DEST_PATH_IMAGE011
=1、0、-1，x=a、b、c，用字母p代表
Figure 862767DEST_PATH_IMAGE011
=1时的状态，用字母o代表
Figure 551237DEST_PATH_IMAGE011
=0时的状态，用字母n代表
Figure 938356DEST_PATH_IMAGE011
=-1时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量，中点电流不为0的基本电压矢量为poo、opo、oop、oon、noo、ono、pon、opn、npo、nop、onp、pno，中点电流为0的基本电压矢量为ooo、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp，poo的冗余虚拟电压矢量由pno、pon、ooo按照等比例各占1/3合成，opo的冗余虚拟电压矢量由opn、npo、ooo按照等比例各占1/3合成，oop的冗余虚拟电压矢量由nop、onp、ooo按照等比例各占1/3合成，oon的冗余虚拟电压矢量由pon、opn、ooo按照等比例各占1/3合成，noo的冗余虚拟电压矢量由npo、nop、ooo按照等比例各占1/3合成，ono的冗余虚拟电压矢量由onp、pno、ooo按照等比例各占1/3合成，pon的冗余虚拟电压矢量由pon、pnn、ppn按照等比例各占1/3合成，opn的冗余虚拟电压矢量由opn、ppn、npn按照等比例各占1/3合成，npo的冗余虚拟电压矢量由npo、npn、npp按照等比例各占1/3合成，nop的冗余虚拟电压矢量由nop、npp、nnp按照等比例各占1/3合成，onp的冗余虚拟电压矢量由onp、nnp、pnp按照等比例各占1/3合成，pno的冗余虚拟电压矢量由pno、pnp、pnn按照等比例各占1/3合成，ooo的的冗余虚拟电压矢量为ooo，pnn的冗余虚拟电压矢量为pnn，npn的冗余虚拟电压矢量为npn，nnp的冗余虚拟电压矢量为nnp，ppn的冗余虚拟电压矢量为ppn，npp的冗余虚拟电压矢量为npp，pnp的冗余虚拟电压矢量为pnp。
2.根据权利要求1所述的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其特征在于，所述S1中基本电压矢量在两相静止
Figure 42578DEST_PATH_IMAGE001
坐标系中定义为：
Figure 8873DEST_PATH_IMAGE012
其中
Figure 805928DEST_PATH_IMAGE014
为基本电压矢量，
Figure 414764DEST_PATH_IMAGE015
为直流母线电压的采样值，j为虚部单位，
Figure 650573DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 661254DEST_PATH_IMAGE017
、
Figure 629210DEST_PATH_IMAGE018
为开关函数，定义为
Figure 538391DEST_PATH_IMAGE011
=1、0、-1，x=a、b、c，用字母p代表
Figure 984416DEST_PATH_IMAGE011
=1时的状态，用字母o代表
Figure 115183DEST_PATH_IMAGE011
=0时的状态，用字母n代表
Figure 254041DEST_PATH_IMAGE011
=-1时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量，共
Figure 899786DEST_PATH_IMAGE019
种组合对应27个基本电压矢量。
3.根据权利要求1所述的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其特征在于，所述S2中共模电压幅值计算公式为：
Figure 149501DEST_PATH_IMAGE020
其中
Figure 134775DEST_PATH_IMAGE021
为共模电压幅值，
Figure 257583DEST_PATH_IMAGE015
为直流母线电压的采样值，
Figure 328307DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 381714DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 283811DEST_PATH_IMAGE024
为开关函数，定义为
Figure 764470DEST_PATH_IMAGE011
=1、0、-1，x=a、b、c，用字母p代表
Figure 56912DEST_PATH_IMAGE025
=1时的状态，用字母o代表
Figure 727058DEST_PATH_IMAGE025
=0时的状态，用字母n代表
Figure 421345DEST_PATH_IMAGE011
=-1时的状态，p、o、n中任取三个形成的任意一种组合均对应一个基本电压矢量；共模电压幅值为0的基本电压矢量为ooo、pon、opn、npo、nop、onp、pno；共模电压幅值为
Figure 72906DEST_PATH_IMAGE026
的基本电压矢量为poo、opo、oop、oon、noo、ono、pnn、npn、nnp、ppn、npp、pnp；共模电压幅值为
Figure 118223DEST_PATH_IMAGE003
的基本电压矢量为onn、non、nno、ppo、opp、pop；共模电压幅值为
Figure DEST_PATH_IMAGE027
的基本电压矢量为ppp、nnn。
4.根据权利要求1所述的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其特征在于，所述S4中系统预测模型公式为：
Figure 575749DEST_PATH_IMAGE029
其中
Figure 124542DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 22703DEST_PATH_IMAGE031
为k+1时刻输出电流，
Figure 289736DEST_PATH_IMAGE032
、
Figure 223057DEST_PATH_IMAGE033
为k时刻采样的输出电流，R为输出电阻，L为输出电感，
Figure 954253DEST_PATH_IMAGE034
为输出电流的采样周期，
Figure 213196DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 701946DEST_PATH_IMAGE036
为k+1时刻输出电压；将所述19个基本电压矢量的
Figure 517586DEST_PATH_IMAGE037
、
Figure 40972DEST_PATH_IMAGE038
坐标分量作为
Figure 205237DEST_PATH_IMAGE035
、
Figure 509179DEST_PATH_IMAGE036
代入，得到19个k+1时刻输出电流
Figure 49882DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 427774DEST_PATH_IMAGE031
。
5.根据权利要求1所述的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其特征在于，所述S5中不含中点电位平衡控制权重项的评价函数定义为：
Figure 841569DEST_PATH_IMAGE039
其中J为评价函数，
Figure 304911DEST_PATH_IMAGE005
、
Figure 649305DEST_PATH_IMAGE006
为目标输出电流，
Figure 209599DEST_PATH_IMAGE030
、
Figure 715667DEST_PATH_IMAGE031
为k+1时刻输出电流；所述评价函数的每一个值对应一个基本电压矢量，选取出使得评价函数值最小的基本电压矢量作为最优基本电压矢量，最优基本电压矢量对应的冗余虚拟电压矢量称之为最优虚拟电压矢量。
6.根据权利要求1所述的一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其特征在于，所述S6中中点电位预测模型计算公式为：
Figure 931884DEST_PATH_IMAGE040
其中
Figure 627439DEST_PATH_IMAGE041
为k+1时刻中点电位，
Figure 979923DEST_PATH_IMAGE042
为k时刻x相输出电流，
Figure 656892DEST_PATH_IMAGE043
为k时刻开关状态取值，C为直流母线电容容值，
Figure 94827DEST_PATH_IMAGE034
为输出电流的采样周期；将k时刻最优基本电压矢量、最优虚拟电压矢量代入，选取出
Figure 843340DEST_PATH_IMAGE041
最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量输出到调制模块，并按照设计的脉冲序列作用于开关器件。
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Waware et al. Multilevel inverter based active power filter using space vector modulation

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