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

本发明专利技术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。本发明专利技术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。变流器总体运行性能的问题。变流器总体运行性能的问题。

Model predictive control method of two parallel power converters based on finite set single vector

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]本专利技术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。
[0005]实现本专利技术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：
[0006]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。
[0007]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。
[0008]步骤(3)：采集当前k时刻的直流母线电压V
DC
(k)，负载电压e
a
(k)、e
b
(k)和e
c
(k)，第一台变流器三相电流i
a1
(k)、i
b1
(k)和i
c1
(k)和第二台变流器三相电流i
a2
(k)、i
b2
(k)和i
c2
(k)；根据两台变流器的三相电流得到并联电流i
a
(k)、i
b
(k)和i
c
(k)以及三相环流i
cira
(k)、i
cirb
(k)和i
circ
(k)；计算k+2时刻并联电流的指令值i
ra
(k+2)、i
rb
(k+2)和i
rc
(k+2)，三相环流的指令值设为0。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]进一步地，所述步骤(1)的各项模型具体如下：
[0013]所述并联电流的数学模型为：
[0014][0015]式中L
e
和R
e
分别表示等效电感及等效寄生电阻，满足L
e
＝L+L1/2和R
e
＝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：
[0016][0017]其中，i
a
(k)、i
b
(k)和i
c
(k)为k时刻计算的并联电流，i
a
(k+1)、i
b
(k+1)和i
c
(k+1)为预测的k+1时刻并联电流，u
a
(k)、u
b
(k)和u
c
(k)为k时刻的等效输出电压；
[0018]所述三相环流的数学模型为：
[0019][0020]式中u
a1o
、u
b1o
、u
c1o
、u
a2o
、u
b2o
、u
c2o
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，Δu...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：其中，T
s
为采集周期，L
e
和R
e
分别表示等效电感及等效寄生电阻，满足L
e
＝L+L1/2和R
e
＝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，i
a
(k)、i
b
(k)和i
c
(k)为k时刻计算的并联电流，i
a
(k+1)、i
b
(k+1)和i
c
(k+1)为预测的k+1时刻并联电流，u
a
(k)、u
b
(k)和u
c
(k)为k时刻的等效输出电压；所述三相环流的离散预测模型：其中，i
cira
(k)、i
cirb
(k)和i
circ
(k)为k时刻计算的三相环流，i
cira
(k+1)、i
cirb
(k+1)和
i
circ
(k+1)为预测的k+1时刻三相环流，Δu
a
(k)、Δu
b
(k)、Δu
c
(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：其中，s
a1
、s
b1
、s
c1
表示一变流器三相桥臂开关管的开关状态，s
a2
、s
b2
、s
c2
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，V
DC
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：所述有限集输出信号矩阵为64行
×
12列，其行表示为[s
a1 s
b1 s
c1 s
a2 s
b2 s
c2 u
a
u
b u
c Δu
a Δu
b Δu
...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾志勇，杨力，张迪鸣，李磊，金晓亮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：