CN117650710A - 优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法及系统，包括：测量三相电流，基于测量的三相电流得到零序环流的值；判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择第一、三、五组开关作为候选开关状态；若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。

Description

优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法及系统

技术领域

本发明属于并联三电平变流器零序环流抑制控制技术领域，尤其涉及。

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。

本发明针对可再生能源发电并网、微电网、储能等系统尤其是大功率海上风力发电中的并联三电平变流器设备。三电平变流器因其电平数多，耐受高压等优点，在大功率场合受到广泛应用。为了进一步的提高系统容量，三电平变流器通常并联运行，但并联运行的三电平变流器之间因参数不一致、开关器件死区时间不一致、载波相位不一致等原因会产生较大的零序环流，影响系统的效率、器件寿命，甚至会导致系统不能稳定运行。

模型预测控制因其动态性能好、易于控制多目标等优势，在大功率变流器控制下具有较大优势。传统抑制并联三电平变流器零序环流的模型预测电流控制只使用具有零共模电压的开关状态以抑制零序环流，虽然能够有效的抑制零序环流，但没有充分利用三电平开关状态多的优势，且降低了直流母线电压利用率，容易出现过调制，控制性能降低等问题。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制，能够有效的降低并联三电平系统的零序环流，并保持优异的控制性能。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制，包括：

测量三相电流，基于测量的三相电流得到零序环流的值；

判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择第一、三、五组开关作为候选开关状态；

若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。

作为进一步的技术方案，通过系统电路参数预测对应未来电流值以及中性点电压偏差预测值；

遍历候选开关状态，选择令代价函数，最小的开关状态作为下一时刻的开关状态。

作为进一步的技术方案，所述环流基准值为根据系统稳定三相电流计算得到三相电流为i_a，i_b及i_c。

作为进一步的技术方案，在三电平变流器中，每相开关有3种开关状态P，O，N，输出27种电压矢量，计算每个开关矢量对应的共模电压值，利用各开关矢量的共模电压值对其进行分组，共分为7组。

作为进一步的技术方案，7组共模电压值分别为：Vdc/2，-Vdc/2，Vdc/3，-Vdc/3，Vdc/6，-Vdc/6，0，其中，Vdc为直流母线电压。

第二方面，公开了优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制的控制系统，包括：

零序环流计算模块，被配置为：基于测量的三相电流得到零序环流的值；

开关筛选模块，被配置为：判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择第一、三、五组开关作为候选开关状态；

若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。

作为进一步的技术方案，通过系统电路参数预测对应未来电流值以及中性点电压偏差预测值；

遍历候选开关状态，选择令代价函数，最小的开关状态作为下一时刻的开关状态。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明技术方案通过分析三电平变流器各开关状态对环流的影响，将变流器的开关状态进行分组，并依据当前零序环流的大小，投入不同组的开关状态，实现了零序环流的抑制，同时保持了较为优良的控制性能，且全部的开关状态都会被投入使用，所以不影响直流母线电压的利用率。

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为并联NPC型三电平变流器示意图；

图2为变流器经典模型预测控制流程图；

图3为三电平变流器27种开关状态示意图；

图4为本发明实施例优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制策略示意图。

具体实施方式

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。

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。

实施例一

本发明的核心点是针对并联运行的三电平的电力变流器系统提出了一种优先考虑零序环流的模型预测电流控制方法，保障并联运行的变流器在复杂工况下保持高性能运行。下面将以NPC(neutral point clamped)型三电平变流器为例，分别介绍并联三电平NPC变流器模型、并联零序环流产生机理以及本发明提出的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法。

关于并联NPC型三电平变流器模型：

并联NPC型三电平变流器拓扑如图1所示，该变流系统包括一个三相电压源(v_ga,v_gb,v_gc)、网侧滤波电感(L_n)、网侧等效电阻(R_n)、直流母线电容(C_n1,C_n2)(n＝1,2,…)。V_dcn1和V_dcn2分别为并联中第n个变流器直流母线上下电容电压，i_an,i_bn,i_cn为变流器n的负载电流。v_anN,v_bnN,v_cnN为变流器n三相输出电压，i_z为并联变流器之前流通的零序环流。通过控制IGBT导通状态，三电平变流器可输出三种电平：高电平(P)、零电平(O)以及低电平(N)，对应电压值分别为

三电平变流器经典预测控制算法：

模型预测控制的优势在于其能够基于测量与估算数据结合系统模型预测系统在未来n个时刻的状态变化，并按照代价函数最小化原则决断出此刻的最佳操作。以三相并网变流器控制为例，由直流母线电压控制环得出参考电流和/>通过系统电路参数预测对应未来电流值/>以及中性点电压偏差预测值/>

控制器遍历27种独立开关状态，选择令代价函数

最小的开关状态作为下一时刻的开关状态。其中T_s为采样周期，为变流器的开关状态为(1，0，-1)，λ_dc为权重系数，用来决定控制的重要程度。经典控制框图如图2所示

并联三电平变流器零序环流产生机理

下面将介绍并联运行的三电平变流器零序环流产生的机理。图1为两并联三电平变流器拓扑。零序环流的定义为：

在三电平变流器中，因为每相开关有3种开关状态P，O，N，所以三相开关总共有3³＝27种组合，输出27种电压矢量，如图3所示。每个开关矢量对应的共模电压值可以通过计算得出。对每个开关对应的共模电压进行计算后，利用其值u_cmv对其进行分组，可分为7组，即，

第一组：PPP。

第二组：NNN。

第三组：ONN,NON,NNO。

第四组：PPO,POP,OPP。

第五组：PPN,PNP,NPP,POO,OPO,OOP。

第六组：NNP,NPN,PNN,NOO,ONO,OON。

第七组：OOO,PON,OPN,NPO,NOP,ONP,PNO，对应的共模电压值分别为：Vdc/2，-Vdc/2，Vdc/3，-Vdc/3，Vdc/6，-Vdc/6，0。

对图1并联拓扑列写KVL方程：

式中V_dcx2,V_dc,V_ox分别为变流器x直流侧下端电容电压，直流母线电压，中性点电压。

根据上述公式整理可得：

即零序环流是由于两三电平变流器开关矢量的共模电压差，及中性点电压差产生的，中性点电压偏差可以通过连接中线消除。

计及环流抑制的变流器高效模型预测控制算法，参见附图4所示：

本发明所提出的优先考虑零序环流抑制的变流器模型预测控制算法的优势在于优先考虑并联变流器间环流的抑制，先对27种开关状态进行筛选，保证低环流情况下，再进行电流跟踪控制，并且在每个开关周期仅使用一个原生的开关矢量，不影响直流母线的利用率。

所提优先考虑环流抑制的变流器高效预测控制算法的流程如图4所示：

步骤一：由直流母线电压控制环得出参考电流和/>用于代价函数值的计算。

步骤二：测量并联三电平变流器并入电网的三相电流，通过公式得到零序环流的值。

步骤三：按照每个开关对应的共模电压其进行分组，可分为7组，即，第一组：PPP。第二组：NNN。第三组：ONN,NON,NNO。第四组：PPO,POP,OPP。第五组：PPN,PNP,NPP,POO,OPO,OOP。第六组：NNP,NPN,PNN,NOO,ONO,OON。第七组：OOO,PON,OPN,NPO,NOP,ONP,PNO，对应的共模电压值分别为：Vdc/2，-Vdc/2，Vdc/3，-Vdc/3，Vdc/6，-Vdc/6，0。

判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值i_z0，根据系统稳定三相电流计算得到若环流的绝对值大于基准值，则仅选择第一、三、五组作为候选开关状态；若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。即图4中先判断环流，对27个开关状态进行选择，再将经过筛选后的开关状态送入后面的代价函数计算环节。

在步骤三中优先考虑变流器的环流抑制，先对27个开关状态进行筛选，假设第五组共6个开关状态满足条件，则选取其为候选开关状态，在步骤五中根据代价函数遍历候选开关状态，从6个候选开关中选一个作为最优。所以本发明是在先确保低环流的情况下进行电流跟踪。最后选择的开关状态属于27个开关状态中的一个，没有做出修改，所以是原生开关矢量。

步骤四：只选用经过第三步筛选后的开关状态，通过系统电路参数预测对应未来电流值以及中性点电压偏差预测值/>即图四中利用预测模型得到预测值。

步骤五：控制器遍历经过第三步筛选后的候选开关状态，选择令代价函数

最小的开关状态作为下一时刻的开关状态。其中T_s为采样周期，为变流器的开关状态为(1，0，-1)。即图四中最小化代价函数，后将最小的开关状态对应的变流器门级开关信号/>作用于开关器件。

通过本发明所提出的优先考虑零序环流的高效预测控制策略，可以在不增加权系数的情况下，有效抑制零序环流，且因在环流控制环节对候选开关状态进行了筛选，所以减小了每一控制周期内的计算量。

在本实施例子中，本发明使用变流器的所有开关状态，并根据其对环流的影响进行分组，最后根据环流的方向及大小选择对应的候选开关状态。与传统仅使用0共模电压的零序环流抑制预测控制相比，本发明使用27种开关状态而不是7种，对直流母线电压的利用率没有影响且提升了电流跟踪的精度。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算机装置,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，所述处理器执行所述程序时实现上述方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供了基于模型预测电流控制的零序环流抑制控制系统，包括：

零序环流计算模块，被配置为：基于测量的三相电流得到零序环流的值；

开关筛选模块，被配置为：判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择第一、三、五组开关作为候选开关状态；

若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本发明中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本发明不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

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.优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法，其特征是，包括：

测量三相电流，基于测量的三相电流得到零序环流的值；

判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择第一、三、五组开关作为候选开关状态；

若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。

2.如权利要求1所述的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法，其特征是，通过系统电路参数预测对应未来电流值以及中性点电压偏差预测值；

遍历候选开关状态，选择令代价函数，最小的开关状态作为下一时刻的开关状态。

3.如权利要求1所述的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法，其特征是，所述环流基准值为根据系统稳定三相电流计算得到三相电流为i_a，i_b及i_c。

4.如权利要求1所述的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法，其特征是，在三电平变流器中，每相开关有3种开关状态P，O，N，输出27种电压矢量，计算每个开关矢量对应的共模电压值，利用各开关矢量的共模电压值对其进行分组，共分为7组。

5.如权利要求1所述的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制方法，其特征是，7组共模电压值分别为：Vdc/2，-Vdc/2，Vdc/3，-Vdc/3，Vdc/6，-Vdc/6，0，其中，Vdc为直流母线电压。

6.优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制系统，其特征是，包括：

零序环流计算模块，被配置为：基于测量的三相电流得到零序环流的值；

开关筛选模块，被配置为：判断零序环流的方向，若零序环流大于0，则选择第一、三、五，七组开关作为候选开关状态，且设定环流基准值，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择第一、三、五组开关作为候选开关状态；

若零序环流小于0，则选择第二、四、六，七组开关作为候选开关状态，若环流的绝对值大于环流基准值，则仅选择二、四、六组开关作为候选开关状态。

7.如权利要求6所述的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制系统，其特征是，还包括：预测模块，被配置为：通过系统电路参数预测对应未来电流值以及中性点电压偏差预测值；

遍历候选开关状态，选择令代价函数，最小的开关状态作为下一时刻的开关状态。

8.如权利要求6所述的优先考虑零序环流抑制的模型预测电流控制系统，其特征是，开关筛选模块中：

所述环流基准值为根据系统稳定三相电流计算得到三相电流为i_a，i_b及i_c。

9.一种计算机装置,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，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-5任一所述的方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-5任一所述的方法的步骤。