CN114710055B - 基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，该方法采用集中式控制，实现了对两并联功率变流器总体性能精准化控制；以并联电流和三相环流为控制目标建立预测模型和评估函数，实现了输出电流品质和三相环流的综合控制；提出动态权重系数及调整原则，提高了系统控制性能；构建包含所有备选矢量组合重要特性信息的有限集输出信号矩阵，在控制变量预测环节通过备选矢量的归类避免重复计算，有效降低了实际运行中的计算时长。本发明解决了现有模型预测控制方法均对子变流器进行独立控制，无法精准调控两并联功率变流器总体运行性能的问题。

Description

基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法
技术领域
本发明属于两并联功率变流器预测控制领域，尤其涉及一种基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法。
背景技术
随着现代电力电子技术的发展，基于PWM调制的变流器在微电网、电动汽车、风力发电以及可再生能源中得到了广泛的运用。然而，由于单个电力电子器件受开关频率以及容量限制，单台变流器难以满足大功率应用场合的需求。由两台共用直流端的两电平变流器组成的两并联功率变流器是一种优秀的电流扩容拓扑，其倍增了系统容量，且避免了隔离所会造成的额外体积与成本，被广泛应用于大功率电机驱动、并网发电及不间断电源等场合。随着技术发展和应用场合需求提高，大功率变流器的高性能运行是重要研究方向，两并联功率变流器的控制算法需要保证并联输出电流的控制性能与电流品质。然而，缺乏有效电气隔离的两台变流器之间存在环流，影响系统的安全、高效运行。因此，并联型变流器的高性能、高可靠运行需要同时注重对并联电流品质和环流的综合优化。
有限集模型预测控制适用于多控制目标的非线性系统，可在有限的控制选项中选出使得控制目标在单位控制周期后最接近参考值的选项直接控制功率开关管的开关，具有原理简单、动态响应快速、开关频率低等优点，近年来在电力电子变流器控制领域受到了广泛关注。然而，目前对两并联功率变流器模型预测控制方法的研究较少，且现有的模型预测控制方法均对两台子变流器进行独立控制，间接实现总体控制，该模式忽视了两台子变流器的耦合作用，无法实现对两并联功率变流器总体运行性能的精准离散周期调控，使并联电流中存在较大的高频纹波。相较而言，采用集中式控制可以直接建立总体性能指标关于桥臂开关函数的数学模型，在考虑两台子变流器耦合作用下精准的实现对两并联功率变流器总体性能指标的离散化控制。在集中式控制模式下，由于部分矢量组合对零序环流的影响具有等价性，若仿照现有模型预测控制方法仅针对零序环流进行控制，可能多个矢量组合同为最优，无法精准定位出唯一最优解。由于无法进一步识别，算法将惯性地选择在列表中排列靠前或靠后的矢量组合进行输出，在此情况下，虽然零序环流可以得到优秀的控制效果，但是两台变流器同相桥臂之间的单相环流将不受控，造成单相环流抑制效果不佳甚至失稳的情况。因此，研究一种能够实现兼顾并联电流和三相环流高性能控制的两并联功率变流器模型预测控制方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，实现了输出电流品质和所有单相环流的综合控制，提高了综合控制性能并有效降低了实际运行中的计算时长。
实现本发明目的的技术解决方案为，一种基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，包括的步骤如下：
步骤(1)：分别建立两并联功率变流器并联电流和三相环流的数学模型，并进行离散化得到离散预测模型。
步骤(2)：建立两并联功率变流器等效输出电压和相桥臂电压差关于桥臂开关状态的关系式，据此得到两并联功率变流器的64个不同的矢量组合，建立涵盖开关状态、等效输出电压和相桥臂电压差等重要特性信息的有限集输出信号矩阵，该矩阵为64行×12列。
步骤(3)：采集当前k时刻的直流母线电压VDC(k)，负载电压ea(k)、eb(k)和ec(k)，第一台变流器三相电流ia1(k)、ib1(k)和ic1(k)和第二台变流器三相电流ia2(k)、ib2(k)和ic2(k)；根据两台变流器的三相电流得到并联电流ia(k)、ib(k)和ic(k)以及三相环流icira(k)、icirb(k)和icirc(k)；计算k+2时刻并联电流的指令值ira(k+2)、irb(k+2)和irc(k+2)，三相环流的指令值设为0。
步骤(4)：为了消除系统延时对控制效果的影响，模型预测控制方法中加入延时补偿，采用两周期预测，并在变量预测时对64个备选矢量组合进行分类，避免重复计算。先将k时刻得到的负载电压、并联电流、三相环流采样值，以及k-1时刻预测控制算法所选矢量的输出电压和桥臂电压差代入步骤(1)所得离散预测模型计算k+1时刻并联电流和三相环流预测值；再依据步骤(2)建立的输出信号矩阵将64个备选矢量组合进行分类，按类别将信号矩阵中的等效输出电压和相桥臂电压差代入离散预测模型，计算所有备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值。
步骤(5)：建立以并联电流和三相环流为控制变量的评估函数，分析三相环流和并联电流纹波的波动幅值与系统参数的关系，进而设置动态权重系数，将各备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值分别代入求得评估函数数值，通过大小比较得到使评估函数最小的最优矢量组合。
步骤(6)：将最优矢量组合的开关状态通过比较器生成第一变流器CNV1和第二变流器CNV2对应桥臂的开关控制信号，进而对这些开关控制信号进行驱动放大，然后分别对第一变流器CNV1和CNV2的功率开关器件进行控制。由于控制延时存在，这些控制信号将在k+1时刻生效。
进一步地，所述步骤(1)的各项模型具体如下：
所述并联电流的数学模型为：
Figure BDA0003615497180000031
式中Le和Re分别表示等效电感及等效寄生电阻，满足Le＝L+L1/2和Re＝R+R1/2，其中L和R分别表示交流侧电感及其寄生电阻，L1和R1分别表示变流器桥侧输出电感及其寄生电阻。对其离散化得到并联电流离散预测模型：
Figure BDA0003615497180000032
其中，ia(k)、ib(k)和ic(k)为k时刻计算的并联电流，ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)为预测的k+1时刻并联电流，ua(k)、ub(k)和uc(k)为k时刻的等效输出电压；
所述三相环流的数学模型为：
Figure BDA0003615497180000033
式中ua1o、ub1o、uc1o、ua2o、ub2o、uc2o分别为第一变流器CNV1和第二变流器CNV2各桥臂中点对母线中点的电压，Δua、Δub、Δuc分别表示三相桥臂输出电压差。对其离散化得到三相环流离散预测模型：
Figure BDA0003615497180000041
其中，icira(k)、icirb(k)和icirc(k)为k时刻计算的三相环流，icira(k+1)、icirb(k+1)和icirc(k+1)为预测的k+1时刻三相环流，Δua(k)、Δub(k)、Δuc(k)分别表示k时刻的三相桥臂输出电压差。
进一步地，所述步骤(2)具体如下：
步骤(2)中所述的两并联功率变流器等效输出电压关于桥臂开关状态的关系式为：
Figure BDA0003615497180000042
式中，sa1、sb1、sc1表示第一变流器CNV1三相桥臂开关管的开关状态，sa2、sb2、sc2表示第二变流器CNV2三相桥臂开关管的开关状态。所有开关状态仅可取1或0，取1时表示对应桥臂上管导通、下管关断，取0时表示对应桥臂上管关断、下管导通。
步骤(2)中所述的两并联功率变流器相桥臂电压差关于桥臂开关状态的关系式为：
Figure BDA0003615497180000043
步骤(2)中所述的两并联功率变流器输出信号矩阵，其特征在于：每一行涵盖一个备选矢量组合的所有重要特征信息，包含开关状态、等效输出电压和相桥臂电压差，可表示为[sa1 sb1 sc1 sa2 sb2 sc2 ua ub uc Δua Δub Δuc]。
进一步地，所述步骤(3)中并联电流ia(k)、ib(k)和ic(k)以及三相环流icira(k)、icirb(k)和icirc(k)的计算方法具体为：
Figure BDA0003615497180000044
Figure BDA0003615497180000051
其中，ia1(k)、ib1(k)和ic1(k)、ia2(k)、ib2(k)和ic2(k)分别为当前k时刻两台变流器的三相电流，icira(k)、icirb(k)和icirc(k)为当前k时刻计算的三相环流，ia(k)、ib(k)和ic(k)为当前k时刻计算的并联电流。
所述k+2时刻并联电流的指令值ira(k+2)、irb(k+2)和irc(k+2)为：
Figure BDA0003615497180000052
进一步地，所述步骤(4)中通过对备选矢量组合进行分类从而避免重复计算的方法具体为：
在两并联功率变流器的64个备选矢量组合中，将具有相同的等效输出电压/相桥臂电压差的不同矢量组合分为一组，同一组的矢量组合仅进行一次预测变量计算，从而减小计算量。如矢量组合(100,000)和(110,101)具有相同的ua，因此它们对ia(k+2)的预测计算结果相同，可仅做一次计算从而降低运算量；矢量组合(100,000)和(110,010)具有相同的Δua，因此它们对icira(k+2)的预测计算结果相同，可仅做一次计算从而降低运算量。经计算，两并联功率变流器的64个备选矢量组合共形成5种不同的ua，分别为2VDC/3、VDC/3、0、-VDC/3和-2VDC/3，因此可根据ua的不同将64个备选矢量组合分为5组，仅做5次ia(k+2)的预测计算，相比于全部64次运算可大大降低运算量；对ib(k+2)和ic(k+2)的预测过程可进行同样的简化。同理，两并联功率变流器的64个备选矢量组合共形成3种不同的Δua，分别为VDC、0和-VDC，因此可根据Δua的不同将64个备选矢量组合分为3组，仅做3次icira(k+2)的预测计算，相比于全部64次运算可大大降低运算量，对icirb(k+2)和icirc(k+2)的预测过程可进行同样的简化；
基于离散预测模型，k+2时刻的预测值具体为：
Figure BDA0003615497180000053
Figure BDA0003615497180000061
进一步地，所述步骤(5)中的评估函数和动态权重系数具体为：
Figure BDA0003615497180000062
式中，λ为基于三相环流和并联电流纹波的波动幅值分析所确定的分配系数，设置
Figure BDA0003615497180000063
M为调制度，满足M＝2Um/VDC；Um为参考电压幅值；γ∈[0,1]为进一步调节权重系数的参数变量(动态权重系数)，在γ＝0.5，即由λ确定两个控制目标的权重系数时，三相环流和并联电流纹波有均衡的控制效果。若实际应用场合需侧重并联电流品质性能，可在此基础上增大γ；若实际应用场合需侧重环流性能，可在此基础上减小γ。
通过对64个备选矢量组合评估函数数值大小的计算与比较，选择评估函数数值最小的最优矢量组合对应的开关状态作为控制器输出，传递给比较器及功率放大环节，进而产生k+1时刻第一变流器CNV1和CNV2所有桥臂开关管的控制信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用集中式控制，将两并联功率变流器作为一个整体，通过模型直接对两并联功率变流器的性能进行精确控制，而非通过独立控制两台子变流器间接影响整体性能；并非仅控制零序环流，而是以三相桥臂环流作为控制目标之一，避免无法精准定位唯一最优解以及单相环流抑制效果不佳的问题，实现了输出电流品质的优化和对所有单相环流的控制；
(2)本发明分析评估函数中的三相环流和并联电流纹波的权重系数与系统参数的关系，得到了相应的权重系数调整原则，提出了动态权重系数，提高了总体系统的综合控制性能；
(3)本发明构建了包含所有备选矢量组合重要特性信息的有限集输出信号矩阵，据此在控制变量预测环节将备选矢量进行归类，简化了检索范围和计算量，以有效降低实际运行中的计算时长，并考虑了延时补偿，提高了系统的控制效果。
附图说明
图1为两并联功率变流器拓扑图。
图2为本发明提供的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制流程图。
图3为两并联功率变流器空间矢量平面图。
图4(a)为第一扇区内不同区域对应的最大误差矢量图。
图4(b)为第一扇区内最大误差相电压标幺值的绝对值分布图。
图5为本发明提供的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制算法的运行时长示意图。
图6(a)为γ＝0.2时并联电流的实验结果图。
图6(b)为γ＝0.2时三相环流的实验结果图。
图7(a)为γ＝0.5时并联电流的实验结果图。
图7(b)为γ＝0.5时三相环流的实验结果图。
图8(a)为γ＝0.8时并联电流的实验结果图。
图8(b)为γ＝0.8时三相环流的实验结果图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细介绍。
如图1所示为两并联功率变流器拓扑，两台两电平变流器(CNV1和CNV2)共用同一直流母线端，两台变流器的桥臂中点经过桥侧输出电感并联后连接至交流侧，ia1、ib1和ic1表示第一台变流器三相电流，ia2、ib2和ic2表示第二台变流器三相电流，ia、ib和ic表示并联三相电流，icira、icirb和icirc表示三相环流，ea、eb和ec表示交流侧电源/负载电压，VDC表示直流母线电压，L和R分别表示交流侧电感及其寄生电阻，L1和R1分别表示变流器桥侧输出电感及其寄生电阻，S11～S26表示两台变流器所有的功率开关器件。依据基尔霍夫电流定律，各电流量之间满足关系式：
Figure BDA0003615497180000071
如图2所示，本发明提供的基于有限集单矢量的两并联功率变流器多目标模型预测控制具体实施步骤如下：
步骤(1)：分别建立两并联功率变流器并联电流和三相环流的数学模型，并进行离散化得到离散预测模型。
依据基尔霍夫电压定律和电流定律列写电路方程，进行推到整合得到并联电流数学模型为：
Figure BDA0003615497180000081
式中Le和Re分别表示等效电感及等效寄生电阻，满足Le＝L+L1/2和Re＝R+R1/2。利用差分公式对式(2)离散化得到并联电流离散预测模型：
Figure BDA0003615497180000082
推导后得到三相环流的数学模型为：
Figure BDA0003615497180000083
式中ua1o、ub1o、uc1o、ua2o、ub2o、uc2o分别为第一变流器CNV1和第二变流器CNV2各桥臂中点对母线中点的电压，Δua、Δub、Δuc分别表示三相桥臂输出电压差。利用差分公式对式(4)离散化得到并联电流离散预测模型：
Figure BDA0003615497180000084
步骤(2)：建立两并联功率变流器等效输出电压和相桥臂电压差关于桥臂开关状态的关系式，据此得到两并联功率变流器的64个不同的矢量组合，建立涵盖开关状态、等效输出电压和相桥臂电压差等重要特性信息的有限集输出信号矩阵，该矩阵为64行×12列。
依据电路方程推导建立两并联功率变流器等效输出电压关于桥臂开关状态的关系式为：
Figure BDA0003615497180000091
式中，sa1、sb1、sc1表示第一变流器CNV1三相桥臂开关管的开关状态，sa2、sb2、sc2表示第二变流器CNV2三相桥臂开关管的开关状态。所有开关状态仅可取1或0，取1时表示对应桥臂上管导通、下管关断，取0时表示对应桥臂上管关断、下管导通。
依据电路方程推导建立两并联功率变流器相桥臂电压差关于桥臂开关状态的关系式为：
Figure BDA0003615497180000092
依据式(6)和式(7)建立两并联功率变流器输出信号矩阵，该矩阵每一行由一个备选矢量组合的开关状态、等效输出电压和相桥臂电压差组成，可表示为[sa1 sb1 sc1 sa2 sb2sc2 ua ub uc Δua Δub Δuc]，由于6个开关状态共有26＝64种组合，因此该矩阵为64行×12列。后续变量预测过程将从该输出信号矩阵中读取相应的特征信息。
步骤(3)：采集当前k时刻的直流母线电压VDC(k)，负载电压ea(k)、eb(k)和ec(k)，第一台变流器三相电流ia1(k)、ib1(k)和ic1(k)和第二台变流器三相电流ia2(k)、ib2(k)和ic2(k)；根据两台变流器的三相电流得到并联电流ia(k)、ib(k)和ic(k)以及三相环流icira(k)、icirb(k)和icirc(k)；计算k+2时刻并联电流的指令值ira(k+2)、irb(k+2)和irc(k+2)，三相环流的指令值设为0。
依据式(1)，并联电流和三相环流的采样值可由下式求得：
Figure BDA0003615497180000093
步骤(4)：为了消除系统延时对控制效果的影响，模型预测控制方法中加入延时补偿，采用两周期预测，并在变量预测时对64个备选矢量组合进行分类，避免重复计算。先将k时刻得到的负载电压、并联电流、三相环流采样值，以及k-1时刻预测控制算法所选矢量的输出电压和桥臂电压差代入步骤(1)所得离散预测模型计算k+1时刻并联电流和三相环流预测值；再依据步骤(2)建立的输出信号矩阵将64个备选矢量组合进行分类，按类别将信号矩阵中的等效输出电压和相桥臂电压差代入离散预测模型，计算所有备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值。
由于在微处理器中存在系统延时，第k时刻控制器选出的矢量组合输送至比较器和功率放大环节后，所有功率开关管在第k+1时刻才会产生相应动作，因此需采用两周期预测来消除系统延时造成的影响。首先，先提取第k-1时刻控制器选出的矢量组合的相应电压信息，代入式(3)和式(5)，计算k时刻结束时并联电流的预测值ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)以及三相环流的预测值icira(k+1)、icirb(k+1)和icirc(k+1)；然后，再将64个备选矢量组合对应的电压信息带入式(3)和式(5)，依次计算64个备选矢量组合作用下k+2时刻并联电流的预测值ia(k+2)、ib(k+2)和ic(k+2)以及三相环流的预测值icira(k+2)、icirb(k+2)和icirc(k+2)。
Figure BDA0003615497180000101
Figure BDA0003615497180000102
基于系统时钟限制的考虑，预测控制算法的总运算量应尽可能地缩减，以避免控制算法执行时长超出控制周期。由于在两并联功率变流器的64个备选矢量组合中，许多矢量组合的某一电压量数值相同，因此对备选矢量进行归类，将具有相同的等效输出电压/相桥臂电压差的不同矢量组合分为一组，同一组的矢量组合仅进行一次预测变量计算，可以减小计算量。如矢量组合(100,000)和(110,101)具有相同的ua，因此它们对ia(k+2)的预测计算结果相同，可仅做一次计算从而降低运算量；矢量组合(100,000)和(110,010)具有相同的Δua，因此它们对icira(k+2)的预测计算结果相同，可仅做一次计算从而降低运算量。经计算，两并联功率变流器的64个备选矢量组合共形成5种不同的ua，分别为2VDC/3、VDC/3、0、-VDC/3和-2VDC/3，因此可根据ua的不同将64个备选矢量组合分为5组，仅做5次ia(k+2)的预测计算，相比于全部64次运算可大大降低运算量；对ib(k+2)和ic(k+2)的预测过程可进行同样的简化。同理，两并联功率变流器的64个备选矢量组合共形成3种不同的Δua，分别为VDC、0和-VDC，因此可根据Δua的不同将64个备选矢量组合分为3组，仅做3次icira(k+2)的预测计算，相比于全部64次运算可大大降低运算量；对icirb(k+2)和icirc(k+2)的预测过程可进行同样的简化。
步骤(5)：建立以并联电流和三相环流为控制变量的评估函数，分析三相环流和并联电流纹波的波动幅值与系统参数的关系，进而设置动态权重系数，将各备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值分别代入求得评估函数数值，通过大小比较得到使评估函数最小的最优矢量组合。
图3给出了两并联功率变流器的空间矢量平面，64个不同的矢量组合分布在空间里27个不同位置，形成了27个等效矢量，包括1个零矢量(V0)，6个长矢量(V1～V6)，6个中矢量(V7～V12)和6个短矢量(V13～V18)。在传统的PI控制器+矢量调制环节控制结构下，环流最优的调制方式是采用两台变流器完全同步调制，此时系统仅采用零矢量和长矢量这两类完全不会引起环流变化的矢量，在时钟同步和无扰动的理想情况下可以实现环流的消除，但是该方法的并联电流纹波较大，电流品质较差。因此，现有的两并联功率变流器调制方法多采用交错载波，使得其他矢量也会被用到，但如此便引入了环流，故平衡好并联电流纹波大小和环流大小是传统控制结构下调制环节优化的重点。为提高综合运行性能，本发明所提的模型预测控制方法也需要兼顾环流性能和纹波性能，在避免使用完全同步调制的同时，避免重复使用增加单相环流的矢量。首先，为了保证预测控制对单相环流的调节能力，应允许两台变流器开关管的开关状态不同。因此，其允许的单相环流的最大值Icirmax满足：
Figure BDA0003615497180000111
两并联功率变流器三相电流纹波的调节主要误差电压矢量决定：
Figure BDA0003615497180000121
允许的电流纹波最大值Iripmax满足：
Figure BDA0003615497180000122
采用交错载波矢量调制时，其所允许的误差电压矢量根据调制度的不同而不同。以第一扇区(0～60°)为例，图4(a)表示不同区域内的最大误差矢量，图4(b)表示最大误差相电压的绝对值分布，M为调制度，满足M＝2Um/VDC，Um为参考电压幅值。误差电压最大值的大小关于矢量V0和V7终点所在的直线对称，当调制度小于2/3时，误差电压最大值随调制度增大逐渐减小；当调制度大于2/3时，误差电压最大值随调制度增大逐渐增大。
根据图4可得，并联电流纹波的最大值满足：
Figure BDA0003615497180000123
取
Figure BDA0003615497180000124
式(14)可以化简为：
Figure BDA0003615497180000125
基于式(11)和式(15)，考虑三相环流和并联电流纹波在预测控制中具有相同的重要性，故定义评估函数为：
Figure BDA0003615497180000126
式中，λ根据系统调制度而变化的特性使得三相环流和并联电流之间具有动态变化的权重系数，将可在不同运行调制度下调节两个控制目标在评估函数中的比重，提高系统的控制性能。
为可进一步根据不同应用场合需求调节三相环流和并联电流的权重系数，设定评估函数为：
Figure BDA0003615497180000131
式中，γ∈[0,1]为进一步调节权重系数的参数变量。在γ＝0.5，即由λ确定两个控制目标的权重系数时，三相环流和并联电流纹波有均衡的控制效果。若实际应用场合需侧重并联电流品质性能，可在此基础上增大γ；若实际应用场合需侧重环流性能，可在此基础上减小γ。
通过对64个备选矢量组合评估函数数值大小的计算与比较，选择评估函数数值最小的最优矢量组合对应的开关状态作为控制器输出。
步骤(6)：将最优矢量组合的开关状态通过比较器生成第一变流器CNV1和第二变流器CNV2对应桥臂的开关控制信号，进而对这些开关控制信号进行驱动放大，然后分别对第一变流器CNV1和CNV2的功率开关器件进行控制。由于控制延时存在，这些控制信号将在k+1时刻生效。
下面给出具体案例实验结果，在本实施例中，直流侧电压为200V，交流侧为阻值9Ω的纯电阻负载；桥侧输出电感为14.4mH，寄生电阻值忽略；控制频率为10kHz；基波频率为50Hz；调制度为0.8。图5表明本发明提供的基于有限集单矢量的两并联功率变流器多目标模型预测控制算法的运行时长小于0.1ms，系统开关频率可运行在10kHz。
图6(a)和图6(b)分别为γ＝0.2时并联电流和三相环流的实验结果，图7(a)和图7(b)分别为γ＝0.5时并联电流和三相环流的实验结果，图8(a)和图8(b)分别为γ＝0.8时并联电流和三相环流的实验结果。从图中可见，基于本发明的控制算法流程，三种实验工况均实现了对并联电流和三相环流的稳定控制，不存在单相环流失稳情况。此外，可以看出γ＝0.5时并联电流品质和环流性均有较好的控制效果；而γ＝0.8时并联电流品质更好但环流变差，侧重并联电流品质性能；γ＝0.2时环流性能更好但并联变流品质变差，侧重环流性能。
总体而言，本发明的方法采用集中式控制，实现了对两并联功率变流器总体性能精准化控制；以并联电流和三相环流作为控制目标建立预测模型和评估函数，实现了输出电流品质和所有单相环流的综合控制；本发明提出动态权重系数及调整原则，提高了总体系统的综合控制性能；本发明构建包含所有备选矢量组合重要特性信息的有限集输出信号矩阵，在控制变量预测环节通过备选矢量的归类避免重复计算，有效降低了实际运行中的计算时长。
上述对实施例的描述是本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制。在本发明的思想原理与技术方案基础上，本领域的技术人员不需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之内。

Claims (10)

1.一种基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别建立两并联功率变流器并联电流和三相环流的数学模型，并进行离散化得到离散预测模型；
建立两并联功率变流器等效输出电压和相桥臂电压差关于桥臂开关状态的关系式，据此得到两并联功率变流器的64个不同的备选矢量组合，建立涵盖开关状态、等效输出电压和相桥臂电压差三个特性信息的有限集输出信号矩阵；
采集当前k时刻的直流母线电压、三相负载电压和两台变流器的三相电流；根据两台变流器的三相电流确定并联电流以及三相环流，并计算k+2时刻并联电流的指令值，三相环流的指令值设为0；
加入延时补偿，采用两周期预测，并在变量预测时对两并联功率变流器的64个备选矢量组合进行分类，按类别将有限集输出信号矩阵中的等效输出电压和相桥臂电压差代入离散预测模型，获取所有备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值；
建立以并联电流和三相环流为控制变量的评估函数，将k+2时刻并联电流的指令值、各备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值分别代入求得评估函数数值，通过大小比较得到使评估函数最小的最优矢量组合；
将最优矢量组合的开关状态通过比较器生成两变流器对应桥臂的开关控制信号，对这些开关控制信号进行驱动放大，然后分别对两变流器的功率开关器件进行控制。
2.根据权利要求1所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述并联电流的离散预测模型为：
Figure FDA0003849676300000011
其中，Ts为采集周期，Le和Re分别表示等效电感及等效寄生电阻，满足Le＝L+L1/2和Re＝R+R1/2，其中L和R分别表示交流侧电感及其寄生电阻，L1和R1分别表示变流器桥侧输出电感及其寄生电阻，ia(k)、ib(k)和ic(k)为k时刻计算的并联电流，ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)为预测的k+1时刻并联电流，ua(k)、ub(k)和uc(k)为k时刻的等效输出电压；ea(k)、eb(k)和ec(k)为k时刻的电网电压；
所述三相环流的离散预测模型：
Figure FDA0003849676300000021
其中，icira(k)、icirb(k)和icirc(k)为k时刻计算的三相环流，icira(k+1)、icirb(k+1)和icirc(k+1)为预测的k+1时刻三相环流，Δua(k)、Δub(k)、Δuc(k)分别表示k时刻的三相桥臂输出电压差。
3.根据权利要求1所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述两并联功率变流器等效输出电压关于桥臂开关状态的关系式为：
Figure FDA0003849676300000022
其中，sa1、sb1、sc1表示一变流器三相桥臂开关管的开关状态，sa2、sb2、sc2表示另一变流器三相桥臂开关管的开关状态；所有开关状态仅可取1或0，取1时表示对应桥臂上管导通、下管关断，取0时表示对应桥臂上管关断、下管导通，VDC为直流母线电压；
所述两并联功率变流器相桥臂电压差关于桥臂开关状态的关系式为：
Figure FDA0003849676300000023
所述有限集输出信号矩阵为64行×12列，其行表示为[sa1 sb1 sc1 sa2 sb2 sc2 uaub ucΔua Δub Δuc]。
4.根据权利要求1所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述根据两台变流器的三相电流确定并联电流以及三相环流具体为：
Figure FDA0003849676300000031
Figure FDA0003849676300000032
其中，ia1(k)、ib1(k)和ic1(k)、ia2(k)、ib2(k)和ic2(k)分别为当前k时刻两台变流器的三相电流，icira(k)、icirb(k)和icirc(k)为当前k时刻计算的三相环流，ia(k)、ib(k)和ic(k)为当前k时刻计算的并联电流。
5.根据权利要求1所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述k+2时刻并联电流的指令值为：
Figure FDA0003849676300000033
其中，ira(k+2)、irb(k+2)和irc(k+2)为k+2时刻并联电流的指令值。
6.根据权利要求1所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述加入延时补偿，采用两周期预测，并在变量预测时对两并联功率变流器的64个备选矢量组合进行分类具体为：先将k时刻的负载电压、并联电流、三相环流采样值，以及k-1时刻所选矢量的输出电压和桥臂电压差代入离散预测模型获取k+1时刻并联电流和三相环流预测值；再将64个备选矢量组合进行分类：将具有相同的等效输出电压/相桥臂电压差的不同矢量组合分为一组，同一组的矢量组合仅进行一次预测变量计算，根据a相等效输出电压ua的不同将64个备选矢量组合分为5组，5种不同的ua分别为2VDC/3、VDC/3、0、-VDC/3和-2VDC/3；根据两并联功率变流器a相桥臂电压差Δua的不同将64个备选矢量组合分为3组，3种不同的Δua分别为VDC、0和-VDC，VDC为直流母线电压；基于分类获取所有备选矢量对应的k+2时刻并联电流和三相环流的预测值。
7.根据权利要求1所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述评估函数为：
Figure FDA0003849676300000034
其中，λ为基于三相环流和并联电流纹波的波动幅值分析所确定的分配系数；VDC为直流母线电压；icirx(k+2)为k+2时刻的x相环流，ix(k+2)为k+2时刻的x相并联电流；irx(k+2)为k+2时刻的x相参考电流；Le表示等效电感；L1表示变流器桥侧输出电感；γ∈[0,1]为动态权重系数；在γ＝0.5，即由λ确定两个控制目标的权重系数时，三相环流和并联电流纹波有均衡的控制效果，若应用场合需侧重并联电流品质性能，在此基础上增大γ；若应用场合需侧重环流性能，在此基础上减小γ。
8.根据权利要求7所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述分配系数
Figure FDA0003849676300000041
其中M为调制度，满足M＝2Um/VDC；Um为参考电压幅值。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-8中任一所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的基于有限集单矢量的两并联功率变流器模型预测控制方法。
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