具有固定开关频率的T型逆变器低计算量预测控制方法

本发明涉及电力设备，尤其是涉及具有固定开关频率的t型逆变器低计算量预测控制方法。

背景技术：

1、并网逆变器作为能源接口，在风力发电系统中起着关键作用。由于在实际应用中，输出会产生谐波，为了降低输出中的谐波，一般使用三电平逆变器作为并网逆变器。

2、经典的三电平逆变器包括二极管中性点钳位三电平逆变器、有源中性点钳位三电平逆变器和t型三电平逆变器。由于t型三电平逆变器具有功率器件间传导损耗较低、损耗分布相等的优点，因此控制方式以t型三电平逆变器为例。

3、从控制的角度来看，并网逆变器采用两种控制方案：一种方案是由外部电压回路和内部电流控制回路构成的电压导向控制方案，另一种方案是由瞬时有功和无功功率控制回路组成的直接功率控制方案。

4、在传统的直接功率控制中，开关状态从由每个采样周期内的有功和无功功率的参考值之间的瞬时误差决定的开关表中选择，这使得开关频率一定范围上变化。采用与空间矢量调制相结合的直接功率控制方法可以实现固定频率控制。脉冲宽度调制模块基于从参考功率产生的命令电压而产生具有固定频率的栅极信号。然而，pwm调制器和每个矢量的计算时间增加了控制算法的复杂度，特别是对于t型三电平逆变器。

5、三电平逆变器很容易出现直流侧电容中性点电位不平衡的问题，这是实际应用的时候需要考虑的。为了平衡中性点电压，采用低寄生封装的3.3kv sic mosfet功率模块作为开关，直流母线电容电压可通过周期性充、放电过程与一个小去耦电容实现自平衡。可以使用一种基于倍压器单元的新型单级三电平降压-升压逆变器。但是这些方式的成本过高或者增大了拓扑的体积，不利于工业化。

6、模型预测控制具有出色的鲁棒性和更简单的控制，在处理非线性系统和多控制目标时有明显优势，已广泛应用于工业控制系统。

7、许多模型预测控制变体已经被提出来实现直接功率控制，并改进了并网逆变器的动态响应。模型预测控制方案基于代价函数，选择最优切换序列或向量来跟踪参考功率。此外，对控制的成本函数进行了修改，实现了多目标优化，如平衡三电平逆变器的中性点电压，降低共模电压，最小化开关频率，以减少开关损耗。然而，模型预测控制的两个主要缺点限制了其在工业上的应用：计算量大和可变的开关频率。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有固定开关频率的t型逆变器低计算量预测控制方法，可以大大减少计算量，减轻处理器的计算负担，同时还可以平衡直流侧中性点电位，具有参数设计简单、系统动态响应快、输出电流畸变率低的特点。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种具有固定开关频率的t型逆变器低计算量预测控制方法，包括以下步骤：

3、s1、进行模型的建立；

4、s2、进行大扇区的判断；

5、s3、进行直流侧电容电压的平衡；

6、s4、进行小扇区的判断；

7、s5、对矢量作用的时间进行分配。

8、优选的，步骤s1中，在d-q坐标中，由基尔霍夫定律得到逆变器的外部状态方程：

9、

10、其中，ud和id分别为逆变器输出电压和电流在dq旋转坐标系下的d轴分量；uq和iq为逆变器输出电压和电流在dq旋转坐标系下的q轴分量；ed为电网电压dq旋转坐标系下的d轴分量；eq为电网电压dq旋转坐标系下的q轴分量；

11、三相逆变器输出的有功功率和无功功率为：

12、

13、由于电网输出电压在q轴的分量为0，即e＝ed，eq＝0，因此

14、

15、t型三电平逆变器的有功功率和无功功率的瞬时变化率表示为：

16、

17、由于处理器的采样频率远高于电网电压的输出频率，近似认为电网电压在一个采样周期内电压变化率为0，因此ed＝0，进而得到：

18、

19、令

20、

21、其中，ts为采样周期；k时刻的有功功率为p(k)和无功功率q(k)，得到k+1时刻的有功功率p(k+1)和无功功率q(k+1)为：

22、

23、优选的，步骤s1中，将27个矢量分组，通过判断参考电压矢量在空间的位置，判断出参考电压矢量所在的大扇区，初步筛选出要滚动优化的候选矢量组。

24、优选的，步骤s2中，首先先将输出电压的空间矢量分成6个大扇区，将电压矢量以扇区为单位分成6组；然后以电网电压作为参考电压矢量，计算出三相电网电压在α和β轴上的分量eα和eβ，并判断参考电压矢量所在的扇区；最后根据扇区选择要遍历的候选矢量组。

25、优选的，步骤s3中，通过根据矢量对直流侧电容电压的影响，将矢量分为p型矢量和n型矢量，通过比较电容电压的大小进一步减少候选的矢量。

26、优选的，对中点电流影响为正的小矢量称为n型向量；对中点电流影响为负的小矢量称为p型向量，当时，选用p型向量；当时，选用n型向量。

27、优选的，步骤s4中，先将每个大扇区分为4个小扇区，将矢量以小扇区为单位再次分组，根据目标函数对候选矢量评估和排序，并且分配候选矢量的作用时间，无功功率q的参考值设为0，有功功率p设为外部给定，假定在任意两个采样周期内，电网电压不变，则有功功率和无功功率线性变化；在控制器中计算出有功功率和无功功率k+1时刻的预测值，将预测值和参考值对比，根据参考矢量和小扇区中心的距离选择出最佳的矢量组。

28、优选的，通过计算参考电压vref和4个小三角形的中点的距离来判断最优的小扇区，参考电压vref和三角形中点的距离可以表示为：

29、

30、其中，

31、

32、vα为小扇区三角形中点在α轴的分量，vαi，vα(i+1)，vα(i+2)为小三角形顶点上的三个矢量在α轴的分量；vβ为小扇区三角形中点在β轴的分量，vβi，vβ(i+1)，vβ(i+2)为小三角形顶点上的三个矢量在β轴的分量，e为电网电压；

33、模型预测控制的成本函数为：

34、g＝[pref-p(k+1)]2+[qref-q(k+1)]2

35、通过上式对一个大扇区内向量进行滚动，选取出成本函数值最低的小扇区。

36、优选的，步骤s5中，给所选的矢量组分配作用时间，输出pwm驱动信号去驱动逆变器功率开关管形成闭环控制，分配的作用时间如下所示：

37、

38、其中，t1，t2，t3分别为所选中矢量的作用时间。

39、优选的，该方法中选用的并网逆变器为conergy公司的t型三电平逆变器。

40、因此，本发明采用上述的一种具有固定开关频率的t型逆变器低计算量预测控制方法，与现有技术相比的有益效果为：

41、(1)本发明提出了具有固定开关频率的算法，这种算法使稳态性能更加可靠。

42、(2)本发明采用矢量分组的方式和新的成本函数，不仅减轻了处理器的计算负担，同时还平衡了直流侧中性点电位。

43、(3)本发明具有参数设计简单、系统动态响应快、输出电流畸变率低的特点。

44、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。