CN114256874A - 一种t型逆变器快速有限集模型预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及并网逆变器技术领域，提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法。本申请首先通过建立T型三电平逆变器数学模型，将采样数据变换坐标系，获得逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值；然后计算参考电压矢量；再确定参考电压矢量角度：即计算参考电压矢量与α轴的角度，并根据参考电压矢量角度确定参考电压矢量所在扇区，以及将参考电压矢量所在扇区的全部开关状态作为待选开关状态；最后采用FCS‑MPC方法，从待选开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中控制通断。本申请能够降低计算量，减少延时和谐波，有利于提高并网电流质量。
Description
技术领域
本申请涉及并网逆变器技术领域，尤其涉及一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法。
背景技术
随着工业化的发展，化石能源消耗量逐渐增加，其储量也日益降低，提高可再生能源利用率相应地对遏制能源衰竭起着重要作用。在可再生能源中，太阳能发电和风能发电是极其重要的一类。并网逆变器作为将太阳能发电设备的直流发电转变为交流电并入电网中的重要设备，对交流电的质量起着决定性作用，其运行性能直接影响到电网的稳定性。传统的并网逆变器主要采用两电平结构，其优点在于结构简单，且控制措施不复杂，但两电平并网逆变器无法广泛适用于高电压、大功率场合。
而T型三电平结构主要应用于中高压、大功率场合，相对于传统的两电平结构，其输出波形更近似于正弦波，电流电压谐波分量低；加之，T型三电平结构采用开关器件较少，器件电压等级降低，开关损耗小，且逆变效率高，故而能在很大程度上改善并网电能质量，提高并网效果。因此，T型三电平并网逆变器已成为当前三电平逆变器的主流研究对象。
随着数字处理器计算能力的提高，模型预测控制技术以其原理简单、鲁棒性高、电流跟踪效果好且适用于多变量非线性系统等优点，逐步被应用到并网逆变器控制策略中。其中，有限控制集模型预测控制(finite control set-model predictive control，FCS-MPC)方法能灵活利用逆变器的离散特性，并通过选取使目标函数最小值实现对逆变器的控制，且无需调制器，因而使用频率越来越高。但是，传统的有限集模型预测控制方法存在延时、计算量大的问题，进而对T型三电平并网逆变器的并网电压质量产生不良影响。
发明内容
为了克服现有技术的不足，解决传统有限集模型预测控制方法存在延时、计算量大的问题，进而影响到T型三电平并网逆变器的并网电压质量，本申请旨在提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，以降低计算量，减少延时和谐波，提高并网电压质量。
为了实现上述目的，本申请提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，通过首先建立常规T型三电平逆变器数学模型，然后确定待选开关状态；再采用常规FCS-MPC方法，从待选开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中，以控制开关器件通断。所述确定待选开关状态的过程具体包括以下步骤：
步骤S11：根据所述常规T型三电平逆变器数学模型的需求，获取k时刻的采样数据，并将所述采样数据从三相ABC坐标系转换到αβ坐标系，获得k时刻的逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值。
步骤S12：根据所述逆变器侧电感电流采样值、所述电网侧电感电流采样值、所述电容两端电压采样值和所述电网侧电压采样值，获得参考电压矢量。
步骤S13：根据所述参考电压矢量，确定参考电压矢量角度。
步骤S14：根据所述参考电压矢量角度，确定参考电压矢量所在扇区，并将所述参考电压矢量所在扇区内的开关状态作为待选开关状态。
进一步的，根据下式，计算获得所述参考电压矢量：
式中，
和
为k+1时刻参考电压矢量在αβ坐标系下的坐标值，
和
为k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值，i1α(k+1)和i1β(k+1)为k+1时刻逆变器输出电流，uCα(k+1)和uCβ(k+1)为k+1时刻电容两端电压值，L1为逆变器侧电感，Ts为采样周期，R1为逆变器侧内阻。
进一步的，根据所述参考电压矢量，采用下述公式确定参考电压矢量角度：
式中，θu为参考电压矢量与α轴的角度。
进一步的，采用相角补偿法获得所述k+1时刻参考电压矢量在αβ坐标系下的坐标值，以及获得所述k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值。
进一步的，按照下述公式计算所述k+1时刻及k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值：
进一步的，所述常规FCS-MPC方法的具体步骤为：
步骤S21：初始化目标函数的设定值为无穷大。
步骤S22：对于每个待选开关状态，计算k+1时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值。
步骤S23：根据所述k+1时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值，获得k+2时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值。
步骤S24：根据所述k+2时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值，获得当前开关状态下的目标函数值。
步骤S25：将所述当前开关状态下的目标函数值与所述目标函数的设定值进行比较，如果所述当前开关状态下的目标函数值小于所述目标函数的设定值，则更新所述目标函数的设定值为所述当前开关状态下的目标函数值。
步骤S26：重复执行步骤S22～S25，遍历所有待选开关状态，将所述当前开关状态下的目标函数值中最小值对应的开关状态作为最优开关状态。
进一步的，按照下述公式计算k+1时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值：
式中，L2为电网侧电感，R2为电网侧内阻；uα(k)和uβ(k)分别为k时刻逆变器三相输出电压在αβ坐标系下的电压值；C1和C2分别为电网侧电容C1和电容C2的电容值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k时刻的电流值。
进一步的，按照下述公式计算k+2时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值：
式中：uα(k+1)和uβ(k+1)分别为逆变器三相输出电压在αβ坐标系下k+1时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k+1时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k+1时刻的电流值。
进一步的，采用下述公式计算当前开关状态下的目标函数值：
式中，g为目标函数，λ1为电流预测权重因子，λ2为电压预测权重因子。
本申请提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，首先通过建立T型三电平逆变器数学模型，将采样数据变换坐标系，获得逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值；然后计算参考电压矢量；再确定参考电压矢量角度：即计算参考电压矢量与α轴的角度，并根据参考电压矢量角度确定参考电压矢量所在扇区，以及将参考电压矢量所在扇区的全部开关状态作为待选开关状态；最后采用FCS-MPC方法，从待选开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中控制通断。本申请能够降低计算量，减少延时和谐波，有利于提高并网电流质量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，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，对于本领域普通技术人员而言，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T型三电平并网逆变器拓扑结构示意图；
图2为逆变器产生的电压空间矢量示意图；
图3为传统FCS-MPC方法流程示意图；
图4为本申请实施例提供的参考矢量扇区选择示意图；
图5为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法流程示意图；
图6为传统FCS-MPC方法下的A相并网电流波形示意图；
图7为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的A相并网电流波形示意图；
图8为传统FCS-MPC方法下的并网电流功率因数示意图；
图9为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的并网电流功率因数示意图；
图10为传统FCS-MPC方法下的三相并网电流波形示意图；
图11为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的三相并网电流波形示意图；
图12为传统FCS-MPC方法下的B相并网电流波形示意图；
图13为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的B相并网电流波形示意图；
图14为传统FCS-MPC方法下的A相并网电流谐波畸变率示意图；
图15为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的A相并网电流谐波畸变率示意图；
图16为传统FCS-MPC方法下的直流母线电容电压波形示意图；
图17为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的直流母线电容电压波形示意图；
图18为传统FCS-MPC方法下的有功功率骤降并网电流波形示意图；
图19为本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法下的有功功率骤降并网电流波形示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行完整、清楚的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为便于理解本申请实施例的技术方案，以下首先对本申请实施例所涉及到的T型三电平并网逆变器的拓扑结构进行简单介绍，然后阐述本申请对有限控制集模型预测控制进行的改进设计，最后通过Matlab/Simulink仿真验证对比有限控制集模型预测控制及改进后控制策略的仿真效果。
参考图1，为T型三电平并网逆变器拓扑结构示意图。由图上可知，T型三电平并网逆变器主要由直流电压源、直流电容、开关器件、LCL滤波器和电网组成。其中，Udc为直流电压源，ic1为C1电容电流，ic2为C2电容电流，i1x为逆变器侧电感电流，i2x为电网侧电感电流，L1、L2、C组成LCL滤波器，R1、R2为滤波器内阻，Rd为无源阻尼，ux为逆变器侧相电压，ucx为滤波电容C的电压，ex为电网相电压，且x＝a,b,c。
定义开关函数Sx(x＝a,b,c)为：
设O点为电压中性点，不同的开关组合可以使逆变器输出不同的电平状态，在abc坐标系下，可得到三种电平状态。以A相为例，当Sa1、Sa2同时导通，Sa3、Sa4同时关断时，ua＝Udc/2；当Sa2、Sa3同时开通，Sa1、Sa4关断时，ua＝0；当Sa3、Sa4同时开通，Sa1、Sa2关断，ua＝－Udc/2。同样可得B、C两相电平状态。
根据以上分析得出，每相有3种不同的电压矢量，则ABC三相共有33＝27种电压矢量，除去一些开关状态的冗余，可以得到19种不同的电压矢量，具体如图2所示。在图2中，P指开关状态为1，Sx1导通时；N指开关状态为-1，Sx4导通时；O指开关状态为0，Sx2，Sx3导通时。例如图2中，NPO状态则为当Sa桥臂开关状态为-1，Sb桥臂开关状态为1，Sc桥臂开关状态为0时所产生的电压矢量。
将abc坐标中的三相输出电压ua，ub，uc进行坐标转换，则可用开关函数Sx与直流电压Udc将逆变器三相输出电压在αβ坐标系下表示为：
将LCL滤波器两个电感电流i1x、i2x以及电容两端的电压值uCx选取为状态变量。为了简化计算，建模过程中将Rd忽略，以该电网中的中点n作为电压零点的参考点，对应得出的在静止αβ坐标系下的状态方程表达如下，其中j＝α，β：
利用前向差分公式离散化式(3)，得到在αβ坐标系下T型三电平并网逆变器离散状态下预测模型：
式中，
分别为逆变器侧电感L1、电网侧电感L2在k+1时刻的电流预测值；i1α,β(k)、i2α,β(k)分别为逆变器侧电感L1、电网侧电感L2在k时刻的电流采样值；uCα,β(k)为电容两端在k时刻的电压采样值，uα,β(k)为k时刻逆变器输出电压，可由式(2)计算得到；eα,β(k)为k时刻电网侧的电压实际测量值；Ts为采样周期。
通过在目标函数中增加中点电位算子实现中点电位平衡，运用基尔霍夫电压、电流定律得出直流侧电容电压和电流的状态方程。
对式(6)采用前向差分，得到下式：
为减少计算量，将
化简为：
合并式(4)、式(5)和式(8)，可以得出：
为了实现电流预测无延时，提高控制器性能，必须进行延时补偿。假定被选择的电压矢量在第k+1时刻被应用于控制器，必须预测第k+2时刻的电流。所以将式(9)再向前推算一步，则第k+2时刻的电流为：
同样的，可得到直流电容在k+2时刻的电压预测值：
近似认为因采样频率远大于电网电压基波频率，使eα,β(k+1)＝eα,β(k)。
最后设定目标函数计算式为：
式中，λ1和λ2分别为电流预测和电压预测的权重因子，它们决定了目标函数输出结果对于逆变器控制的权重。权重因子取值大会导致相对应的控制目标对逆变器控制结果的影响更大。
为k+2时刻逆变器输出α轴和β轴电流给定值，预测电流值通过与给定值做差来判断预测电流偏移给定值的程度。
式(10)和式(12)中需要用到uα,β(k+1)，i1α，β(k+1)，i2α，β(k+1)，
其中，uα,β(k+1)，i1α，β(k+1)，i2α，β(k+1)可通过测量uα,β(k)，i1α，β(k)，i2α，β(k)值后，再采用相角补偿法求得，
可通过算出
后通过相角补偿法求出：
同理可得：
通过以上分析，可得出常规FCS-MPC方法流程，具体参考图3。从图3可以看出，常规FCS-MPC方法在27个开关状态中选取能使目标函数g值最小的最优开关状态，并赋入开关器件中，控制通断，达到逆变输出的目的。此种控制方法简单易实现，无需调制器，无需相关参数整定。但缺点是需要在控制过程中实时计算参考电流值、参考电压值和27个目标函数值，计算量较大，在实际控制过程中会出现延时、计算量大的问题，造成输出电压产生谐波，为此可以采用延时补偿解决延时问题，但是计算量仍然较大。
为减少目标函数计算次数，本申请实施例对采用常规FCS-MPC方法前的步骤进行了改进，提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，通过预先进行参考电压矢量扇区判断，然后快速选择靠近参考电压矢量扇区内的电压矢量参与目标函数计算，从而大幅减少目标函数计算次数。
具体的，本申请实施例将式(4)改写为：
因延时问题和计算量减少，假定精确控制后有
则式(15)可写为：
由于采用两步预测，需要得到
由式(16)可得：
通过式(17)得到
后，可以看作在实现无差拍控制的情况下，k+1时刻采用的开关函数计算出的电压uα,β(k+1)与参考电压矢量
重合。对
所在扇区进行判断，选取扇区内的少量电压矢量参与目标函数计算，则可在保证目标函数取值最小的情况下计算量大幅减少。因为参考电压矢量是通过参考电流求得的，所以在以逆变器输出电流为控制目标的情况下可以确定开关状态计算出的电压矢量在空间矢量图的位置。可以为此，需要通过计算参考电压矢量与α轴的角度θu判断参考电压矢量角度，以确定其所在扇区。
理论上，选择离参考电压矢量最近的电压矢量所对应的开关状态代入目标函数进行计算可以最大程度的减少目标函数计算次数，但为保证结果正确性，将参考电压矢量所在扇区的全部开关状态代入目标函数。参考图4，为本申请实施例提供的参考矢量扇区选择示意图。由图上可知，当π/12<θu<3π/12，将V0，V1，V2，V7，V8，V9，V14，V15，V21，V22这10个电压矢量所对应的开关状态代入目标函数进行计算，而当3π/12≤θu<5π/12时候，将V0，V1，V2，V8，V9，V15，V16，V22这8个电压矢量所对应的开关状态代入目标函数计算，根据此方法，可将电压空间矢量划分为12个扇区，具体如图4所示。
由此可见，只将参考电压矢量所在扇区的电压矢量开关状态代入目标函数中在线计算，可以将目标函数计算次数由27次减少为8次或10次，计算量大幅度减少。具体的，应用快速有限集模型预测控制方法参与在线计算的电压矢量如表1所示。
表1参与在线计算的电压矢量表
基于上述理论，本申请实施例提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，通过首先建立常规T型三电平逆变器数学模型；然后确定待选开关状态；再采用常规FCS-MPC方法，从多个开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中，以控制开关器件通断。参考图5，该快速有限集模型预测控制方法具体包括以下步骤：
步骤S101：根据常规T型三电平逆变器数学模型的需求，获取k时刻的采样数据，并将采样数据从三相ABC坐标系转换到αβ坐标系，获得k时刻的逆变器侧电感电流采样值i1α,β(k)、电网侧电感电流采样值i2α,β(k)、电容两端电压采样值uCα,β(k)和电网侧电压采样值eα,β(k)。
步骤S102：根据逆变器侧电感电流采样值i1α,β(k)、电网侧电感电流采样值i2α,β(k)、电容两端电压采样值uCα,β(k)和电网侧电压采样值eα,β(k)，根据下式，计算出参考电压矢量
式中，
和
为k+1时刻参考电压矢量在αβ坐标系下的坐标值，
和
为k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值，i1α(k+1)和i1β(k+1)为k+1时刻逆变器输出电流，uCα(k+1)和uCβ(k+1)为k+1时刻电容两端电压值，L1为逆变器侧电感，Ts为采样周期，R1为逆变器侧内阻。
本申请实施例中，采用相角补偿法获得所述k+1时刻参考电压矢量在αβ坐标系下的坐标值，以及获得所述k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值。其中，根据下述公式，计算k+1时刻及k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值：
步骤S103：根据参考电压矢量
采用下述公式确定参考电压矢量角度：
式中，θu为参考电压矢量与α轴的角度。
步骤S104：根据参考电压矢量角度，确定参考电压矢量所在扇区，并将所述参考电压矢量所在扇区内的开关状态作为待选开关状态。
步骤S105：初始化目标函数的设定值gopt为无穷大。
步骤S106：对于每个待选开关状态，按照下述公式计算k+1时刻的
和
式中，L2为电网侧电感，R2为电网侧内阻；uα(k)和uβ(k)分别为k时刻逆变器三相输出电压在αβ坐标系下的电压值；C1和C2分别为电网侧电容C1和电容C2的电容值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k时刻的电流值。
步骤S107：按照下述公式，计算k+2时刻的
式中：uα(k+1)和uβ(k+1)分别为逆变器三相输出电压在αβ坐标系下k+1时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k+1时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k+1时刻的电流值。
步骤S108：采用下述公式，计算当前开关状态下的目标函数值g。
式中，g为目标函数，λ1为电流预测权重因子，λ2为电压预测权重因子。
步骤S109：将当前开关状态下的目标函数值g与目标函数的设定值gopt进行比较，若g<gopt，则更新目标函数的设定值gopt＝g。
步骤S110：重复执行步骤S106～S109，遍历所有待选开关状态，将所述当前开关状态下的目标函数值中最小值对应的开关状态作为最优开关状态。
本申请实施例提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，首先通过建立常规T型三电平逆变器数学模型，将采样数据变换坐标系，获得逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值；然后计算参考电压矢量；再确定参考电压矢量角度：即计算参考电压矢量与α轴的角度，并根据参考电压矢量角度确定参考电压矢量所在扇区，以及将参考电压矢量所在扇区的全部开关状态作为待选开关状态；最后采用FCS-MPC方法，从多个开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中控制通断。本申请能够降低计算量，减少延时和谐波，有利于提高并网电流质量。
下面将通过具体实施例，使用Matlab/Simulink搭建仿真模型对本申请实施例提供的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法(后面简称：快速FCS-MPC方法)进行验证。
本申请具体实施例采用s-function函数对算法进行编程，相关参数设置如表2所示。
表2系统仿真参数
将权重因子λ1、λ2分别设为0.7、0.3。
参见图6和图7，分别为常规FCS-MPC方法下和快速FCS-MPC方法下A相并网电流波形示意图，而图8和图9分别为常规FCS-MPC方法下和快速FCS-MPC方法下并网电流功率因数示意图。由图6-图8可以看出，采用快速FCS-MPC方法时，并网电流功率因数波动相较于采用常规FCS-MPC方法时更小，并网电流对电网电压的追踪效果更好。
进一步的，图10和图11分别为常规FCS-MPC方法下和快速FCS-MPC方法下三相并网电流波形示意图，由图上对比可以看出，采用常规FCS-MPC方法时，启动电流相对于采用快速FCS-MPC方法时增大约4A；且采用快速FCS-MPC方法时，并网电流达到稳定时间仅需1/4周期，比采用常规FCS-MPC方法快半个周期。由此可见，本申请实施例提供的快速FCS-MPC方法可以更快将最优开关状态赋予开关器件。
进一步的，如图12和图13所示，分别为采用常规FCS-MPC方法和采用快速FCS-MPC方法下B相并网电流波形示意图。由图12和图13可以看出，当采用FCS-MPC方法时，B相并网电流畸变更大。但两者控制效果都较为理想。
进一步的，下面分析两种控制方法下的并网电流谐波畸变率，具体参考图14和图15，分别为采用常规FCS-MPC方法和采用快速FCS-MPC方法下A相并网电流谐波畸变率。由图上对比可以看出，当采用FCS-MPC方法时，并网电流谐波畸变率为1.36％；而采用快速FCS-MPC方法时，谐波畸变率为0.82％。由此可知，采用快速FCS-MPC方法使并网电流谐波得到了有效抑制，对并网电流质量的提升效果明显。
进一步的，参考图16和图17，分别为采用常规FCS-MPC方法和采用快速FCS-MPC方法下直流母线电容电压波形示意图。从图中对比可以看出，当采用FCS-MPC方法时，中点电位有幅值不大的周期性波动；而采用快速FCS-MPC方法时，因为大幅减少计算量，减少计算延时，从而使中点电位基本保持一致，进而使直流电容损耗更小。
进一步的，参考图18和图19，分别采用常规FCS-MPC方法和采用快速FCS-MPC方法下有功功率骤降并网电流波形示意图。在0.05s时，将有功功率由10kW骤降为8kW，得到图18和19所示的并网电流波形示意图，由图上对比可知，采用FCS-MPC方法时，并网电流畸变较大，持续0.01s后达到稳态；而采用快速FCS-MPC方法时，可将暂态过程大幅降低为0.005s，且畸变较小。
从上述对比分析可以得出，采用快速FCS-MPC方法，在缩短暂态过程以及提高并网电流质量方面具有更大的优势。
综上所述，本申请实施例提出的应用于T型三电平并网逆变器的快速有限控制集模型预测控制方法，在经过延时补偿消除延时问题后，通过快速选择参考电压矢量扇区，减少目标函数计算次数。通过对常规FCS-MPC方法和快速FCS-MPC方法进行稳态和动态仿真对比分析，根据仿真结果可知，采用快速FCS-MPC方法的逆变器，稳态时并网电流功率因数波动小，谐波畸变率小，中点电位更加平衡；在暂态时，并网电流波动时间较短，幅值较低。
本申请提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，通过首先建立常规T型三电平逆变器数学模型，然后确定待选开关状态；再采用常规FCS-MPC方法，从多个开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中，以控制开关器件通断。其中，确定待选开关状态的过程具体包括以下步骤：
根据所述常规T型三电平逆变器数学模型的需求，获取k时刻的采样数据，并将所述采样数据从三相ABC坐标系转换到αβ坐标系，获得k时刻的逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值。
根据所述逆变器侧电感电流采样值、所述电网侧电感电流采样值、所述电容两端电压采样值和所述电网侧电压采样值，获得参考电压矢量。
根据所述参考电压矢量，确定参考电压矢量角度。
根据所述参考电压矢量角度，确定参考电压矢量所在扇区，并将所述参考电压矢量所在扇区内的开关状态作为待选开关状态。
由以上技术方案可知，本申请提供一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，首先通过建立常规T型三电平逆变器数学模型，将采样数据变换坐标系，获得逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值；然后计算参考电压矢量；再确定参考电压矢量角度：即计算参考电压矢量与α轴的角度，并根据参考电压矢量角度确定参考电压矢量所在扇区，以及将参考电压矢量所在扇区的全部开关状态作为待选开关状态；最后采用FCS-MPC方法，从待选开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中控制通断。本申请能够降低计算量，减少延时和谐波，有利于提高并网电流质量。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，使本领域技术人员能够理解或实现本申请，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，所述快速有限集模型预测控制方法通过先建立常规T型三电平逆变器数学模型，再采用常规FCS-MPC方法，从多个开关状态中选取最优开关状态赋入开关器件中，以控制开关器件通断，其特征在于，在所述采用常规FCS-MPC方法之前，需确定待选开关状态，所述确定待选开关状态的过程包括：
根据所述常规T型三电平逆变器数学模型的需求，获取k时刻的采样数据，并将所述采样数据从三相ABC坐标系转换到αβ坐标系，获得k时刻的逆变器侧电感电流采样值、电网侧电感电流采样值、电容两端电压采样值和电网侧电压采样值；
根据所述逆变器侧电感电流采样值、所述电网侧电感电流采样值、所述电容两端电压采样值和所述电网侧电压采样值，获得参考电压矢量；
根据所述参考电压矢量，确定参考电压矢量角度；
根据所述参考电压矢量角度，确定参考电压矢量所在扇区，并将所述参考电压矢量所在扇区内的开关状态作为待选开关状态。
2.根据权利要求1所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，根据下式，计算所述参考电压矢量：
式中，
和
为k+1时刻参考电压矢量在αβ坐标系下的坐标值，
和
为k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值，i1α(k+1)和i1β(k+1)为k+1时刻逆变器输出电流，uCα(k+1)和uCβ(k+1)为k+1时刻电容两端电压值，L1为逆变器侧电感，Ts为采样周期，R1为逆变器侧内阻。
3.根据权利要求2所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，根据所述参考电压矢量，采用下述公式确定参考电压矢量角度：
式中，θu为参考电压矢量与α轴的角度。
4.根据权利要求2或3所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，采用相角补偿法获得所述k+1时刻参考电压矢量在αβ坐标系下的坐标值，以及获得所述k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值。
5.根据权利要求4所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，按照下述公式计算所述k+1时刻及k+2时刻逆变器输出电流在α轴和β轴的给定值：
6.根据权利要求1所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，所述常规FCS-MPC方法的具体步骤为：
步骤S61：初始化目标函数的设定值为无穷大；
步骤S62：对于每个待选开关状态，计算k+1时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值；
步骤S63：根据所述k+1时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值，获得k+2时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值；
步骤S64：根据所述k+2时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值，获得当前开关状态下的目标函数值；
步骤S65：将所述当前开关状态下的目标函数值与所述目标函数的设定值进行比较，如果所述当前开关状态下的目标函数值小于所述目标函数的设定值，则更新所述目标函数的设定值为所述当前开关状态下的目标函数值；
步骤S66：重复执行步骤S62～S65，遍历所有待选开关状态，将所述当前开关状态下的目标函数值中最小值对应的开关状态作为最优开关状态。
7.根据权利要求6所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，按照下述公式计算k+1时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值：
式中，L2为电网侧电感，R2为电网侧内阻；uα(k)和uβ(k)分别为k时刻逆变器三相输出电压在αβ坐标系下的电压值；C1和C2分别为电网侧电容C1和电容C2的电容值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k时刻的电流值。
8.根据权利要求7所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，按照下述公式计算k+2时刻的逆变器侧电感电流预测值和直流侧电容电压预测值：
式中：uα(k+1)和uβ(k+1)分别为逆变器三相输出电压在αβ坐标系下k+1时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k+1时刻的电压值；
和
分别为电网侧电容C1和电容C2在k+1时刻的电流值。
9.根据权利要求8所述的一种T型逆变器快速有限集模型预测控制方法，其特征在于，采用下述公式计算当前开关状态下的目标函数值：
式中，g为目标函数，λ1为电流预测权重因子，λ2为电压预测权重因子。
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