用于兩電平三相并網(wǎng)逆變器的電流預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力領(lǐng)域，尤其涉及一種用于兩電平三相并網(wǎng)逆變器的電流預(yù)測(cè)控制 方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著不可再生能源的日益緊缺和環(huán)境污染的不斷加重，太陽(yáng)能、風(fēng)能，生物能等可 再生能源發(fā)展迅速并扮演者越來(lái)越重要的角色，是人類能源的未來(lái)。逆變技術(shù)是電力電子 學(xué)基本變換技術(shù)之一，并網(wǎng)逆變器是可再生能源發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)之間的接口，作用不可或 缺，其性能將直接影響到電網(wǎng)的電能質(zhì)量，因此并網(wǎng)逆變器電流跟蹤速度和準(zhǔn)確度都顯得 尤為重要，并網(wǎng)逆變器的研究工作具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 并網(wǎng)逆變器的電流跟蹤控制是逆變過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，主要控制方法有：PI 控制，滯環(huán)控制，滑?？刂?，模糊控制，預(yù)測(cè)控制等，其中，PI控制器的參數(shù)需要反復(fù)湊試，滯 環(huán)控制需要很高的采樣頻率并且濾波電感的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，滑模控制和模糊控制的控制器 設(shè)計(jì)比較繁瑣。預(yù)測(cè)控制具有方法簡(jiǎn)單、開關(guān)頻率較低、動(dòng)態(tài)性能良好和易于編程的優(yōu)點(diǎn)， 因此得到了廣泛的應(yīng)用。模型預(yù)測(cè)控制（MPC)是一種新型的控制策略，受到了廣泛關(guān)注，模 型預(yù)測(cè)控制是根據(jù)采樣值及開關(guān)狀態(tài)推出下一時(shí)刻的電流輸出值，進(jìn)而和給定值比較選出 下一周期內(nèi)最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)。
[0004] 模型預(yù)測(cè)控制屬于先進(jìn)控制的范疇，具有魯棒性高，動(dòng)態(tài)性能好的優(yōu)點(diǎn)，而且不需 要去設(shè)計(jì)控制參數(shù)，減少了對(duì)研究人員經(jīng)驗(yàn)的要求。并網(wǎng)逆變器中常用的預(yù)測(cè)控制有限集 模型預(yù)測(cè)控制算法，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)預(yù)測(cè)在8個(gè)開關(guān)狀態(tài)中選擇最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)投入到 下一個(gè)周期的使用，為此需要建立系統(tǒng)的模型，然后將模型進(jìn)行離散化處理，根據(jù)當(dāng)前被控 量檢測(cè)值、被控量期望值、開關(guān)狀態(tài)有限集以及系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)。為了選擇最佳 開關(guān)狀態(tài)，通常還需要設(shè)計(jì)價(jià)值函數(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)價(jià)值函數(shù)指標(biāo)將8個(gè)開關(guān)狀態(tài)投入計(jì)算并 進(jìn)行比較，最終選出最佳的一個(gè)。
[0005] 然而傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制存在一定的缺點(diǎn)。首先，電流控制的精度不高，上述預(yù)測(cè)控制 通過(guò)模型計(jì)算選擇出最優(yōu)的開關(guān)狀態(tài)，但是該開關(guān)狀態(tài)必須在整周期內(nèi)都投入使用，這使 得電壓矢量跟蹤不準(zhǔn)確，從而降低了電流的控制精度，當(dāng)采樣時(shí)間增大時(shí)，上述問(wèn)題尤為嚴(yán) 重；再者，開關(guān)狀態(tài)選擇不規(guī)律，電壓矢量只是根據(jù)代價(jià)函數(shù)來(lái)選擇，沒(méi)有統(tǒng)一的調(diào)制方法， 因此開關(guān)狀態(tài)并非均勻變化，經(jīng)常出現(xiàn)多個(gè)橋臂同時(shí)動(dòng)作的情況，當(dāng)需要使用零矢量時(shí)，也 不能自動(dòng)選擇使開關(guān)狀態(tài)變化較小的一個(gè)。要解決上述問(wèn)題，需要在價(jià)值函數(shù)里增加額外 的變量并且記錄之前一個(gè)或幾個(gè)周期的開關(guān)狀態(tài)，這無(wú)疑會(huì)增加處理器計(jì)算的負(fù)擔(dān)。
[0006] 預(yù)測(cè)控制也可以基于空間矢量PWM的方式，S卩SVPWM，能夠改善上述缺點(diǎn)，但該方 法存在兩個(gè)較大的缺點(diǎn)，一是計(jì)算量很大，對(duì)控制器的計(jì)算能力要求較高，也限制了采樣頻 率；二是SVPWM方式將使得開關(guān)頻率將數(shù)倍于有限集模型預(yù)測(cè)控制算法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種用于兩電平三相并網(wǎng)逆變器的電流預(yù) 測(cè)控制方法。該電流預(yù)測(cè)控制方法是基于開關(guān)狀態(tài)選擇和矢量作用時(shí)間兩個(gè)維度的預(yù)測(cè)控 制技術(shù)，能夠改善電流跟蹤效果，減小畸變率，且開關(guān)變化更加有規(guī)律。
[0008] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] 一種用于兩電平三相并網(wǎng)逆變器的電流預(yù)測(cè)控制方法，包括：
[0010] 步驟（1):實(shí)時(shí)采集三相電網(wǎng)的電壓以及并網(wǎng)電流信號(hào)；
[0011] 步驟⑵：采用實(shí)時(shí)采集三相電網(wǎng)的電壓以及并網(wǎng)電流信號(hào)和三相靜止坐標(biāo)下的 兩電平三相并網(wǎng)逆變器模型進(jìn)行兩相靜止a0坐標(biāo)變換，求取兩電平三相并網(wǎng)逆變器需 要的輸出電壓矢量；
[0012] 步驟⑶：根據(jù)步驟⑵求取的兩電平三相并網(wǎng)逆變器需要的輸出電壓矢量，選擇 兩電平三相并網(wǎng)逆變器的最優(yōu)有效電壓矢量，并求取最優(yōu)有效電壓矢量的最佳作用時(shí)間；
[0013] 步驟（4):利用有效電壓矢量的最佳作用時(shí)間進(jìn)行求取的逆變器開關(guān)元件的開通 和關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電流的控制。
[0014] 所述步驟（2)中兩電平三相并網(wǎng)逆變器模型在三相靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0015]
[0016] 其中，ea、eb、ec分別是abc三相電網(wǎng)的電壓，1^、11詘、1^是兩電平三相并網(wǎng)逆變器 輸出電壓，1、^、1。是并網(wǎng)電流，11_是直流電壓負(fù)端和電網(wǎng)公共端之間的電壓山是濾波電 感；R為與濾波電感串聯(lián)的電阻。
[0017] 所述步驟⑵中求取兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量的過(guò)程，包括：
[0018] 步驟（2. 1):將實(shí)時(shí)采集三相電網(wǎng)的電壓以及并網(wǎng)電流信號(hào)進(jìn)行變換，得到兩相 靜止a0坐標(biāo)系下的三相電網(wǎng)的電壓以及并網(wǎng)電流信號(hào)；
[0019] 步驟（2. 2):根據(jù)步驟（2. 1)中獲取的兩相靜止a0坐標(biāo)系下的三相電網(wǎng)的電壓 以及并網(wǎng)電流信號(hào)，將三相靜止坐標(biāo)下的兩電平三相并網(wǎng)逆變器模型轉(zhuǎn)化為兩相靜止a0 坐標(biāo)系下的兩電平三相并網(wǎng)逆變器模型，進(jìn)而獲取兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量。
[0020] 所述步驟（2.2)中兩相靜止a0坐標(biāo)系下的兩電平三相并網(wǎng)逆變器模型的數(shù)學(xué) 表達(dá)式為：
[0021]
[0022] 上式中，*代表給定值，八代表估計(jì)值，ia (k)、ip (k)為k時(shí)刻兩電平三相 并網(wǎng)電流的采樣值，4(k+1)、4:(k+O是k+1時(shí)刻兩電平三相并網(wǎng)電壓的估計(jì)值， <(k+l)、心(k+1)為下一時(shí)刻可能的逆變器輸出電壓，匕(k+1)、f〗(k+l)是給定兩電平三 相并網(wǎng)電流在k+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值。
[0023] 所述步驟（3)中選擇最優(yōu)有效電壓矢量的過(guò)程為：
[0024] 步驟（3. 1):利用0軸及其與共交點(diǎn)的兩條直線，將復(fù)平面平均分成六個(gè)區(qū)域；
[0025] 以a軸正半軸所在的區(qū)域?yàn)榈谝粎^(qū)域，然后逆時(shí)針?lè)较蛞来卧O(shè)為第二區(qū)域、第三 區(qū)域、第四區(qū)域、第五區(qū)域和第六區(qū)域；
[0026] 步驟（3.2):判斷求取的兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量所在區(qū)域，若兩 電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量在第i區(qū)域，則最優(yōu)有效電壓矢量選擇珥，其中，i= 1, 2, 3, 4, 5, 6〇
[0027] 所述最優(yōu)有效電壓矢量運(yùn)的表達(dá)式為：
[0028]
[0029] 其中a=e4TuaN、ubN、ujv別是兩電平三相并網(wǎng)逆變器A、B、C相的輸出電壓。
[0030] 所述步驟⑶中求取最優(yōu)有效電壓矢量的最佳作用時(shí)間的過(guò)程為：
[0031] 當(dāng)兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量落在第i區(qū)域時(shí)，選擇爲(wèi)作為最優(yōu)有效電 壓矢量，由兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量的作用端點(diǎn)向見(jiàn)做垂線，構(gòu)建出一個(gè)直角 三角形，根據(jù)三角關(guān)系求解最優(yōu)有效電壓矢量的最佳作用時(shí)間。
[0032] 兩電平三相并網(wǎng)逆變器中開關(guān)元件的一個(gè)開關(guān)周期，包括最優(yōu)有效電壓矢量的最 佳作用時(shí)間和零電壓矢量作用時(shí)間。
[0033] 所述零電壓矢量為兩電平三相并網(wǎng)逆變器的三個(gè)上橋臂處于均導(dǎo)通或三個(gè)下橋 臂處于均導(dǎo)通時(shí)的兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量。
[0034] 當(dāng)兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量落在第m區(qū)域時(shí)，選擇零電壓矢量私作用 于一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效電壓矢量的最佳作用時(shí)間的剩余時(shí)間，其中，m= 1，3, 5 ;
[0035] 當(dāng)兩電平三相并網(wǎng)逆變器輸出電壓矢量落在第n區(qū)域時(shí)，選擇零電壓矢量馬作用 于一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有效電壓矢量的最佳作用時(shí)間的剩余時(shí)間，其中，n= 2, 4, 6 ;
[0036] 屺為兩電平三相并網(wǎng)逆變器的三個(gè)上橋臂處于均導(dǎo)通狀態(tài)的零電壓矢量，巧為 兩電平三相并網(wǎng)逆變器的三個(gè)下橋臂處于均導(dǎo)通狀態(tài)的零電壓矢量為。
[0037] 本發(fā)明的有益效果為：
[0038] (1)在本發(fā)明的預(yù)測(cè)控制方法中，只選擇有效矢量，根據(jù)伏秒平衡原理選擇作用效 果最接近的矢量作為最優(yōu)有效矢量，是通過(guò)矢量區(qū)域來(lái)選擇；
[0039] (2)本發(fā)明的預(yù)測(cè)控制方法計(jì)算出最優(yōu)有效矢量的最佳作用時(shí)間，逆變器一個(gè)開 關(guān)周期內(nèi)的剩余時(shí)間用零矢量代替，這樣既能保證電流控制準(zhǔn)確，又能保證開關(guān)狀態(tài)變化 規(guī)律，而且每次僅有一個(gè)橋臂動(dòng)作；
[0040] (3)本發(fā)明的預(yù)測(cè)控制方法能夠改善電流跟蹤效果，減小畸變率，使開關(guān)變化規(guī)律 性更強(qiáng)。
【附圖說(shuō)明】
[0041] 圖1為并網(wǎng)逆變器常用拓?fù)鋱D；
[0042] 圖2為近似等效法方法和拉格朗日二次插值定理效果對(duì)比圖；
[0043] 圖3為八種電壓矢量圖；
[0044] 圖4為采用價(jià)值函數(shù)實(shí)現(xiàn)電流跟蹤原理圖；
[0045] 圖5為傳統(tǒng)有限集模型預(yù)測(cè)控制缺點(diǎn)描述圖；
[0046] 圖6為區(qū)域和有效矢量選擇對(duì)應(yīng)圖；
[0047] 圖7為最佳作用時(shí)間計(jì)算圖；
[0048] 圖8 (a)為區(qū)域I開關(guān)狀態(tài)圖；
[0049] 圖8(b)為區(qū)域II開關(guān)狀態(tài)圖；
[0050] 圖9(a)為傳統(tǒng)方式電流跟蹤效果圖；
[0051] 圖9(b)為本發(fā)明的預(yù)測(cè)控制方法的電