两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法，用于并网逆变器的控制，包括如下步骤：采集直流母线电压、网侧三相电流以及网侧三相电压的步骤S1；获取电网相位角的步骤S2；获得网侧电流d轴与q轴给定值，计算电压矢量给定值的步骤S3；确定最优电压矢量与次优电压矢量的步骤S4；计算最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量占空比并获得各相桥臂开关管控制信号的S5。利用该方法，可以在一个采样周期内作用多个矢量，即两个有源矢量与两个零矢量，从而大大提高电流控制精度并实现开关频率固定，克服了传统模型预测控制稳态性能不足、开关频率不固定的缺陷。开关频率不固定的缺陷。开关频率不固定的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子应用领域，具体涉及一种两电平并网逆变器模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]随着能源危机和环境危机的日益加重，新能源发电及其相关研究受到了前所未有的重视。特别对于并网型新能源发电系统，两电平并网逆变器已得到广泛应用，具有高效，高可靠性等优点。为控制逆变器输出电流相位、频率满足并网要求，国内外学者提出了多种控制方案，如滞环电流控制、矢量控制与模型预测控制。其中，模型预测控制具有控制思想简单、动态响应快、易于实现多目标控制等优势。
[0003]近年来，国内外学者针对有限控制集模型预测控制进行了大量研究，研究重点包括如何提高稳态性能，如何解决权重系数整定难题，如何降低计算量等。特别对于如何提高稳态性能方面，现有有限控制集模型预测控制算法核心思想主要是在一个控制周期中应用两个或多个矢量，如零矢量+非零矢量、非零矢量+非零矢量、多个非零矢量等，然而，计算两个(或多个)矢量的占空比将为控制器带来极大的计算负担。此外，很少有研究关注有限控制集模型预测控制算法开关频率不固定的问题。

技术实现思路

[0004]技术问题：针对上述现有技术，提出一种两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法，能够提高系统稳态性能并实现开关频率固定。
[0005]技术方案：两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法，包括如下步骤：
[0006]步骤S1：采集直流母线电压、网侧三相电流以及网侧三相电压；
[0007]步骤S2：根据所述网侧三相电压，利用锁相环得到电网相位角θ；
[0008]步骤S3：获得网侧电流d轴与q轴给定值计算电压矢量给定值；
[0009]步骤S4：确定最优电压矢量与次优电压矢量；
[0010]步骤S5：计算最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量占空比，并获得各相桥臂开关管控制信号。
[0011]进一步的，步骤S3包括如下具体步骤：
[0012]步骤S31：根据并网功率给定值计算网侧电流d轴给定值；
[0013]步骤S32：给定网侧电流q轴给定值；
[0014]步骤S33：根据逆变器模型计算电压矢量给定值，具体包括：
[0015]逆变器在dq坐标系下的数学模型为：
[0016][0017]式中，L为网侧滤波电感值，R为网侧滤波电感内阻，ω为电网电压角频率，i
d
与i
q
分别为网侧电流d轴与q轴值，e
d
与e
q
分别为网侧电压d轴与q轴值，u
d
与u
q
分别为输入电压矢量d轴与q轴值；
[0018]式(1)所示数学模型的离散化形式为：
[0019][0020]式中，T
s
为采样频率，i
d
(k)与i
q
(k)分别为k时刻网侧电流d轴与q轴值的采样值，i
d
(k+1)与i
q
(k+1)分别为(k+1)时刻网侧电流d轴与q轴值的预测值；根据无差拍控制思想，若下一周期电流值达到给定，则输入电压矢量为电压矢量给定值，即有：
[0021][0022]式中，分别为输入电压矢量d轴与q轴值给定值；
[0023]电压矢量给定值的α轴与β轴分量为：
[0024][0025]式中，为电压矢量给定值的α轴与β轴分量。
[0026]进一步的，步骤S4包括如下具体步骤：
[0027]步骤S41：根据所述电压矢量给定值确定两个相邻非零电压矢量，具体包括：
[0028]利用式(6)计算电压矢量给定值的角度δ：
[0029][0030]根据两电平逆变器空间矢量分布，当0≤δ<π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u1与u2，对应开关状态为[100]与[110]；当π/3≤δ<2π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u2与u3，对应开关状态为[110]与[010]；当2π/3≤δ<π时，所述两个相邻非零电压矢量为u3与u4，对应开关状态为[010]与[011]；当π≤δ<4π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u4与u5，对应开关状态为[011]与[001]；当4π/3≤δ<5π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u5与u6，对应开关状态为[001]与[101]；当5π/3≤δ<2π时，所述两个相邻非零电压矢量为u6与u1，对应开关状态为[101]与[100]；
[0031]步骤S42：分别计算所述两个相邻非零电压矢量对应的价值函数值；其中，所述价值函数为：
[0032]g＝[u
*
‑
u(k)]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0033]式中，为电压矢量给定值的矢量表达形式；u(k)为k时刻作用的电压矢量；
[0034]步骤S43：比较所述两个相邻非零电压矢量对应的价值函数值，对应价值函数值较小的电压矢量为最优电压矢量u
opt
，另一个为次优电压矢量u
sub
。
[0035]进一步的，步骤S5包括如下具体步骤：
[0036]步骤S51：计算零矢量对应价值函数值g(u0)；
[0037]步骤S52：根据最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量的价值函数值，利用拉格朗日乘数法计算最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量占空比，具体包括：
[0038]若在一个周期中作用电压矢量u
opt
、u
sub
、零矢量，三者的占空比分别为d
opt
、d
sub
与d0，则价值函数表达为：
[0039][0040]所述占空比d
opt
、d
sub
与d0满足以下约束：
[0041][0042]应用拉格朗日乘数法求解式(9)约束下式(8)的极值，得到最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量占空比的最优解为：
[0043][0044]步骤S53：根据最优电压矢量、次优电压矢量以及所述最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量占空比确定各相桥臂开关管控制信号，具体包括：
[0045]记三相桥臂的占空比分别为d
a
、d
b
与d
c
：
[0046]若最优电压矢量为u1，次优电压矢量为u2，则
[0047][0048]若最优电压矢量为u2，次优电压矢量为u1，则
[0049][0050]若最优电压矢量为u2，次优电压矢量为u3，则
[0051][0052]若最优电压矢量为u3，次优电压矢量为u2，则
[0053][0054]若最优电压矢量为u3，次优电压矢量为u4，则
[0055][0056]若最优电压矢量为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：采集直流母线电压、网侧三相电流以及网侧三相电压；步骤S2：根据所述网侧三相电压，利用锁相环得到电网相位角θ；步骤S3：获得网侧电流d轴与q轴给定值计算电压矢量给定值；步骤S4：确定最优电压矢量与次优电压矢量；步骤S5：计算最优电压矢量、次优电压矢量与零矢量占空比，并获得各相桥臂开关管控制信号。2.根据权利要求1所述的两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法，其特征在于，步骤S3包括如下具体步骤：步骤S31：根据并网功率给定值计算网侧电流d轴给定值；步骤S32：给定网侧电流q轴给定值；步骤S33：根据逆变器模型计算电压矢量给定值，具体包括：逆变器在dq坐标系下的数学模型为：式中，L为网侧滤波电感值，R为网侧滤波电感内阻，ω为电网电压角频率，i
d
与i
q
分别为网侧电流d轴与q轴值，e
d
与e
q
分别为网侧电压d轴与q轴值，u
d
与u
q
分别为输入电压矢量d轴与q轴值；式(1)所示数学模型的离散化形式为：式中，T
s
为采样频率，i
d
(k)与i
q
(k)分别为k时刻网侧电流d轴与q轴值的采样值，i
d
(k+1)与i
q
(k+1)分别为(k+1)时刻网侧电流d轴与q轴值的预测值；根据无差拍控制思想，若下一周期电流值达到给定，则输入电压矢量为电压矢量给定值，即有：式中，分别为输入电压矢量d轴与q轴值给定值；电压矢量给定值的α轴与β轴分量为：式中，为电压矢量给定值的α轴与β轴分量。3.根据权利要求1所述的两电平并网逆变器多矢量有限控制集模型预测控制方法，其特征在于，步骤S4包括如下具体步骤：步骤S41：根据所述电压矢量给定值确定两个相邻非零电压矢量，具体包括：
利用式(6)计算电压矢量给定值的角度δ：根据两电平逆变器空间矢量分布，当0≤δ<π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u1与u2，对应开关状态为[100]与[110]；当π/3≤δ<2π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u2与u3，对应开关状态为[110]与[010]；当2π/3≤δ<π时，所述两个相邻非零电压矢量为u3与u4，对应开关状态为[010]与[011]；当π≤δ<4π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u4与u5，对应开关状态为[011]与[001]；当4π/3≤δ<5π/3时，所述两个相邻非零电压矢量为u5与u6，对应开关状态为[001...

【专利技术属性】
技术研发人员：於锋，刘兴，葛天天，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：