降低三电平VIENNA整流器系统共模电压的预测控制系统及方法与流程

本发明涉及一种降低三电平vienna整流器系统共模电压的预测控制系统及方法。

背景技术

传统非可再生能源日益减少，能源危机形势严峻；同时传统能源造成越来越多的环境污染问题，越来越受到了全世界人民的广泛关注。而可再生能源如光伏发电、风力发电、生物质发电等由于其清洁可再生得到了广泛应用。其中，风力发电因其储量丰富、分布广泛等优势使其具有巨大的发展潜力。根据iea模型预测，到2020年，全球风力发电将达到1.569twh，到2050年，将达到7.541twh。作为风力发电机与电网或者负载的接口电路，ac/dc变换器为保持系统安全、稳定、可靠运行的重要部分。

在高压大功率场合，二极管箝位三电平整流器由于其耐压等级高、输出电压电平数多、交流电流谐波少、开关器件的电压应力低等优势得到了广泛应用。但是与两电平ac/dc变换器相比，这种拓扑开关器件多，控制及调制复杂。结合两电平变换器与二极管箝位三电平变换器的优点，德国学者johannwkolar发明了三电平vienna整流器系统。该拓扑功率密度高，具有两电平拓扑的开关器件少、控制及调制简单和三电平拓扑的开关器件电压应力低、输出电压与电流波形质量优的优势，在风力发电场合得到了广泛应用。

但是由于vienna变换器拓扑本身结构的特点，使其存在过零点畸变、直流侧中点点位不平衡本身固有问题。更重要的是，vienna整流器的高共模电压不仅会引起整流器的开关器件电压应力增大、电流谐波增大、共模电流增大还会引起风力发电机的轴电压增大、轴电流增大、绕组绝缘能力降低。这些问题影响风力发电系统的安全、稳定、高效、可靠运行，大大增加系统损耗。

目前，有许多学者对vienna整流器的过零点畸变和直流侧中点平衡问题进行了大量研究。针对过零点畸变问题：(1)通过注入零序分量法消除某些小矢量因与电流矢量极性不同引起的交流侧电流过零点畸变问题；(2)通过注入无功的方法，保证桥臂输出电压也交流电流的极性相同来解决交流侧电流过零点畸变的问题，但是系统的功率因数会降低，降低vienna整流器的能量转换效率。针对直流侧中点电压不平衡的问题，通常采用零序分量注入法调节正负小矢量作用时间实现直流侧中点电压的平衡控制。通过零序分量注入法解决交流侧电流过零点畸变问题时会影响直流侧中点平衡，电流过零点畸变和直流侧中点平衡的控制是互相耦合，零序分量注入法不能避免这个问题。同时以上所提的算法不容易理解、计算量大、控制复杂。更重要的是目前针对风力发电系统中vienna整流器高共模电压的问题，并没有很好的解决方案。

综上，针对风力发电系统中三电平vienna整流器系统存在的高共模电压的、交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡问题，研究一种简单有效的控制算法具有重大意义。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种降低三电平vienna整流器系统共模电压的预测控制系统及方法，本发明能够同时降低系统共模电压、解决交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡的问题以及交流侧电流过零点畸变和直流侧中点电压不平衡的控制耦合问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种降低三电平vienna整流器系统共模电压的预测控制系统，应用于基于三电平vienna整流器系统为ac/dc接口变换器的风力发电系统，包括依次相连的永磁同步风力发电机、三电平vienna整流器系统、并网逆变器和公用电网，其中：

所述三电平vienna整流器系统的开关管的驱动信号不设置死区时间；

所述并网逆变器的直流侧采用三电平vienna整流器系统的输出作为输入电源，交流侧电压外环的输出为电流内环有功电流的给定，根据三电平vienna整流器系统的拓扑结构，得到三电平vienna整流器系统在αβ静止坐标系下的数学模型，确定输出电压的参考值，根据目标函数从有限集空间电压矢量中选择一个空间电压矢量，以控制下一个开关周期中各个开关管状态，实现共模电压、交流侧电流和直流侧中点电压的控制。

进一步的，所述三电平vienna整流器系统的电路拓扑包括三相电网，与三相电网串联的l滤波器，连接l滤波器的开关管全桥电路，与开关管全桥电路各中点连接的串联的二极管组，连在在二极管组中点与开关管全桥电路之间的直流侧滤波电容，每一相中开关管组具有串联的正接和反接的二极管，具有相通的开关驱动信号。

进一步的，所述三电平vienna整流器系统的每相桥臂有三种输出状态p、o、n，三相桥臂共有27个空间电压矢量，其中p状态为桥臂输出电压为二分之一直流侧电压值，o状态为桥臂输出电压为零，n状态为桥臂输出电压为负的二分之一直流侧电压值。

进一步的，所述并网逆变器的无功电流的给定值设置为零。

进一步的，所述并网逆变器的直流侧采用pi控制器作为外环电压控制器。

一种降低三电平vienna整流器系统共模电压的预测控制方法，包括以下几个部分：

三电平vienna整流器系统的开关管的驱动信号不设置死区时间；

直流侧采用三电平vienna整流器系统的输出作为输入电源，并进行pi控制；

交流侧电压外环的输出为电流内环有功电流的给定，根据三电平vienna整流器系统的拓扑结构，得到三电平vienna整流器系统在αβ静止坐标系下的数学模型，确定输出电压的参考值，根据目标函数从有限集空间电压矢量中选择一空间电压矢量，以控制下一个开关周期中三电平vienna整流器系统各个开关管状态，实现共模电压、交流侧电流和直流侧中点电压的控制。

进一步的，交流侧的无功电流的给定值设置为零。

进一步的，所述三电平vienna整流器系统的桥臂输出电压的极性与交流侧电流的极性相同，根据交流侧电流方向，将三电平vienna空间电压矢量划分为六个扇区，每个扇区有8个可用的空间电压矢量。

更进一步的，将每个扇区中8个矢量中引起共模电压增大的小矢量去除，剩余7个小矢量。

更进一步的，根据交流侧电流的极性得到中矢量和小矢量对中点电位的影响，将7个小矢量分为两组；当检测到上侧电容电压小于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压增大的第一组空间电压矢量；当检测到上侧电容电压大于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压减小的第二组空间电压矢量。

进一步的，选择空间电压矢量的具体过程为选择最接近三电平vienna整流器系统的桥臂输出电压的参考值的空间电压矢量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、采用三电平vienna整流器系统，使输出波形具有二极管箝位三电平整流器高波形的特点，输出电平数多，输出波形质量高。同时开关器件少，这节约了系统的意见成本、提高了功率密度。由于开关器件少，降低了控制和调制的复杂度。

2、每相中的两个开关管具有相同的调制信号，不需要设置死区时间，使控制更精确。

3、降低了系统的共模电压，不仅减小了风力发电机组轴电压、轴电流，而且降低了三电平vienna整流器系统中开关管的电压应力和交流侧电流谐波和共模电流。

4、同时解决了交流侧电流过零点畸变和直流侧电压不平衡的问题，实现了交流侧电流过零点畸变和直流侧中点电流不平衡控制的耦合问题。

5、不需要电流内环控制模块，避免了电流内环控制器的设计和内环控制器中复杂参数的设计及调节。

6、不需要调制模块，不需要单独的pwm调制模块，这避免了pwm调制算法中许多复杂的三角函数的计算，大大减小了计算量和计算时间。

7、通过交流侧电流的极性和空间电压矢量对直流侧中点电位的影响以及空间电压矢量与共模电压的关系，将空间电压矢量进行分类。将模型预测空间电压矢量从25个减小到4个或者5个。这大大减少了有限集空间电压矢量中的空间电压矢量个数，这使得根据价值函数寻找最优的空间电压矢量的循环计算次数大大降低，节约了计算时间，减小了控制误差。

8、根据空间电压矢量对中点电位的影响选择比较适合的空间电压矢量，避免了采用零序分量注入法解决交流侧电流畸变时引起的直流侧中点电压不平衡的问题，即实现了交流侧电流畸变和直流侧中点电压不平衡控制的解耦。

9、通过中矢量和小矢量控制直流侧中点电压的平衡，比只用小矢量控制更精确、直流侧电压偏差更小。

10、基于三电平vienna整流器系统的数学模型提出的，具有控制简单、明了、易理解，无复杂参数的调节。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为基于三电平vienna整流器系统为ac/dc接口变换器的风力发电系统；

图2为三电平vienna空间矢量图；

图3为单位功率因数时三电平vienna不同空间矢量对直流侧中点电压的影响；

图4为本实施例的预测控制框图；

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

本发明提出了一种改进的模型预测控制策略，同时降低系统共模电压、解决交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡的问题以及交流侧电流过零点畸变和直流侧中点电压不平衡的控制耦合问题。降低了高共模电压引起的器件和风力发电机的电压应和系统损耗，提高了系统输出电流波形质量。增强了风力发电系统的安全性、稳定性、可靠性、高效性。更进一步的，该发明提出的改进的模型预测控制不需要内环控制器的设计和控制器参数的调节、不需要调制模块，具有简单、易懂、计算量小的优势，使其有很高的实用价值。

本发明的研究对象为风力发电系统中三电平vienna整流器系统。为了使风力发电机提供尽量多的功率，无特殊说明，本发明中vienna整流器运行在单位功率因数。本发明的研究系统包括：

永磁同步风力发电机、三电平vienna整流器系统、并网逆变器、公用电网。这里主要研究三电平vienna整流器系统部分，为了减小对风力发电机侧注入的无功，本发明中三电平vienna整流器系统运行在单位功率因数。针对三电平vienna整流器系统提出一种改进的模型预测控制，解决共摸电压高、交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡的问题。

三电平vienna整流器系统的主电路拓扑；滤波器l1；滤波器中的等效电阻r1；6个开关管sap，san，sbp，sbn，scp，scn；6个快恢复二极管dap，dan，dbp，dbn，dcp，dcn；直流侧滤波电容cp，cn。

开关管的驱动：每一相中两个开关管(sjp，sjn)具有相通的开关驱动信号，另外该拓扑的驱动信号不需要设置死区时间，提高了开关信号的控制精度。

控制算法：本发明提出了一种改进的模型预测控制，直流侧输出电压的稳定、实现低共模电压、交流侧电流过零点畸变的消除、直流侧中点电压的平衡。

直流母线电压的控制：三电平vienna整流器系统作为并网逆变器的输入电源，其直流侧输出电压必须维持稳定同时具有一定的抗扰性能。本发明中直流侧采用pi控制器，维持直流母线电压的稳定性和抗扰性。

交流侧的控制：交流侧的主要控制对象是系统的共模电压、交流侧电流、直流侧中点电压。控制目标为：

(1)共模电压：降低系统低的共模电压，解决高共模电压带给系统带来的损害。

(2)交流侧电流：实现交流侧电流实际值跟踪给定值；消除交流侧电流过零点畸变问题；

(3)直流侧中点电压：维持直流侧中点电压的平衡，解决交流侧电流过零点畸变和直流侧中点平衡的控制耦合问题；

交流侧采用改进的模型预测控制，具体过程如下：

(1)电压外环的输出为电流内环有功电流的给定id^*，为保证vienna整流器以单位功率因数运行，无功电流的给定值iq^*设置为零。通过dq/αβ坐标变换得到αβ静止坐标系下的电流参考值。

(2)根据三电平vienna整流器系统的拓扑结构特点，得到三电平vienna整流器系统在αβ静止坐标系下的数学模型。进而根据参考电流得到vienna整流器桥臂输出电压的参考值。

(3)根据目标函数从有限集空间电压矢量中选择一个最优的空间电压矢量，这个最优的空间电压矢量用于控制下一个开关周期中6个开关管状态，实现共模电压、交流侧电流和直流侧中点电压的控制。

为了实现本发明提出的改进的模型预测控制，对于vienna整流器的25个空间电压矢量需要进一步分类。

首先，由于vienna整流器本身结构的限制，桥臂输出电压的极性必须与交流侧电流的极性相同，所以根据交流侧电流方向，将三电平vienna空间电压矢量划分为六个扇区，每个扇区有8个可用的空间电压矢量。

其次，共模空间电压矢量与共模电压的关系，发现某些小矢量会引起共模电压的增大，将每个扇区中8个矢量中引起共模电压增大的小矢量去除，剩余7个小矢量。此时共模电压就可以控制在很小的范围内。

最后，根据交流侧电流的极性得到中矢量和小矢量对中点电位的影响，将7个小矢量分为两组(第一组和第二组)。当检测到上侧电容电压小于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压增大的第一组空间电压矢量；当检测到上侧电容电压大于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压减小的第二组空间电压矢量。

通过研究发现，引起共模电压增大的空间电压矢量也是引起交流侧电流过零点畸变的原因。通过去除这些矢量不仅解决了共模电压高的问题，还避免了小矢量引起的交流侧电流过零点畸变问题。

针对风力发电系统中的三电平vienna整流器系统，提出改进的模型预测控制策略，同时解决系统共摸电压高、交流侧电流过零点畸变、直流侧中点不平衡的问题，以及交流侧电流过零点畸变和直流侧中点电压不平衡的控制耦合问题。

如图1所示，本发明的控制系统为基于三电平vienna整流器系统为ac/dc接口变换器的风力发电系统。主要包括永磁同步风力发电机、三电平vienna整流器系统、并网逆变器、公用电网四部分。这里主要研究三电平vienna整流器系统部分，针对三电平vienna整流器系统提出一种改进的模型预测控制算法，同时解决共摸电压高、交流侧电流过零点畸变、直流侧中点电压不平衡的问题及消除过零点畸变和直流侧中点电压不平衡的控制耦合问题。

三电平vienna整流器系统的主电路拓扑；l1滤波器；滤波器中的等效电阻r1；6个开关管sap，san，sbp，sbn，scp，scn；6个快恢复二极管dap，dan，dbp，dbn，dcp，dcn；直流侧滤波电容cp，cn。

由图1可得vienna整流器的kvl电压方程为：

将公式(1)经过3s/2s坐标变换，得到三电平vienna整流器系统在αβ坐标系下的数学模型为：

将公式(2)离散化，并考虑采样和控制的延时同时为了进一步简化计算量，离散化模型为：

vienna整流器作为并网逆变器的电源，其直流侧输出电压必须维持稳定，这里采用pi控制器作为外环电压控制器。直流母线电压的给定值与实际值得差值经过pi控制器，实现直流母线电压的无静差调节。pi调节器的输出为有功电流的给定值id^*，为保证vienna整流器以单位功率因数运行，无功电流的给定值iq^*设置为零。dq坐标系下的参考电流通过dq/αβ坐标变换，得到αβ坐标系下的电流的参考值为简化计算，令带入到公式(3)得到vienna整流器桥臂输出电压的参考值

通过价值函数选出与最接近的空间电压矢量vαβ(k+1)，用于控制第(k+1)周期中开关管的状态，实现系统的控制目标。

为了简化计算和权重系数的调节，定义的价值函数为：

表i桥臂输出电压与开关状态的关系

图1中，每一相中两个开关管(sjp，sjn)具有相同的开关驱动信号，另外该拓扑的驱动信号不需要设置死区时间。开关状态、交流侧电流和桥臂输出电压的关系如表i：

定义桥臂输出电压与输出状态关系如下：

三电平vienna整流器系统每相桥臂有三种输出状态p、o、n，所以三相桥臂共有27个空间电压矢量。由于vienna整流器本身结构的限制，桥臂输出电压的极性必须与电流的极性相同，所以三空间电压矢量中(ppp)与(nnn)状态不能使用，即相三电平vienna整流器系统可用的空间电压矢量有25个。三相三电平vienna整流器系统的空间电压矢量如图2所示。根据交流侧电流的极性，图2空间电压矢量被分为六个扇区。每个扇区中含有八个空间电压矢量如表ii所示，根据空间电压矢量的幅值不同，25个空间电压矢量分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量。

表ii不同扇区中所含的八个电压矢量

定义共模电压为：

根据公式(6)、(7)及表ii得到空间电压矢量与空间矢量的关系如表iii所示：

表iii空间电压矢量与共模电压的关系

通过表iii可以看出有六个小矢量(opp，ppo，pop，onn，nno，non)会带来系统共模电压的增大，为了降低系统的共模电压，将以上共模电压大的六个小矢量去除。所以剩余19个空间电压矢量，根据电流划分的每个扇区中含有7个空间电压矢量。

图3为单位功率因数时，三电平vienna整流器系统不同空间电压矢量对直流侧中点电压影响。从图中可以看出大矢量、零矢量对中点电位没有影响；中矢量对中点电位的影响与连接中点的电流方向有关；正小矢量增加上侧电容电压，使中点电位增高，负小矢量增加下侧电容电压，使中点电位降低。在每个扇区中，根据电流的方向，7个不同电压矢量对中点电位的影响是确定的。根据对中点电位的影响，将7个空间电压矢量分为两组，如表iv所示：

表iv不同扇区中不同空间电压矢量对中点电位的影响

当检测到上侧电容电压小于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压增大的第一组空间电压矢量；当检测到上侧电容电压大于下侧电容电压时，采用使上侧电容电压减小的第二组空间电压矢量。

通过空间电压矢量分扇区的方法及再根据中点电压分组的方法，再利用价值函数(5)选择最优的空间电压矢量时，循环次数从25次减小到4次或者5次。这使计算量大大减小。通过公式(5)选出的最优的空间电压矢量用于(k+1)周期的开关状态的控制，实现系统的控制目标。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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。