一种NPC三电平整流器优化有限控制集模型预测方法

一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子和电力传动领域，尤其涉及一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法。


背景技术：

2.随着电力电子器件和控制算法的发展，pwm整流器技术已日趋成熟，由于pwm整流器可以实现网侧电流正弦化，可以于单位功率因数下运行，甚至能量可以实现双向传输，真正实现绿色电能变换，在有源滤波、电力传动和新能源并网发电领域得到了广泛应用，占有非常重要的地位。
3.相较于两电平整流器，三电平pwm整流器可选择的开关矢量更多，因此网侧电流谐波进一步降低，直流侧电压纹波更小，并且单个开关管承受电压为两电平的一半，可以提升整流器的容量。主流方案采用电压电流双闭环pi控制，结构简单，但是存在pi参数整定过程复杂，内外环路交叉耦合等问题。目前模型预测控制是新兴的控制策略，广泛应用在多种电力电子控制领域。该方法原理简单，控制方便，动态响应速度快，适用于多种非线性约束。但是，传统的fcs-mpc的开关频率不固定，开关频率高，并且存在权值系数设计困难，计算量大等问题。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，本方法可以有效提高整流器系统的动稳态性能，输出直流电压纹波小，在满足并网侧电流畸变率条件下，能够有效降低系统的开关频率，减少开关损耗，更适于大功率系统。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，具体包括：
6.步骤1：建立三电平pwm整流器离散预测模型并初始化，采集k时刻i
abc
、e
abc
和中点电位误差δuk的数据，并根据坐标变换矩阵将上述变量变换到αβ坐标系；
7.步骤2：根据整流器交流侧预测模型，采用前向欧拉公式进行离散化计算k+1时刻网侧电流预测值i
αβ
(k+1)；
8.步骤3：开关函数的取值优先选择k-1时刻选出的最优开关矢量对应值，根据k-1时刻的开关状态计算k+1时刻的电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)；
9.步骤4：判断k+1时刻的电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)是否满足参考偏差，当电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)都满足参考偏差时，将开关矢量更新为k时刻最优开关矢量并输出；当不满足时，根据简化mpc算法，利用k+1时刻整流器交流侧的参考电流得出k时刻的参考电压先对三电平空间矢量大六边形进行扇区划分、判断，确定k时刻的参考电压的最优子集，然后在最优子集内遍历开关
矢量，计算出最优开关矢量并记录，输出开关状态。
10.进一步地，所述步骤1的具体步骤为：
11.步骤1.1：根据拓扑结构建立三电平pwm整流器数学模型，并利用开关函数表示整流器交流侧电压；
12.步骤1.2：将整流器数学模型变换到两相静止αβ坐标系。
13.进一步地，所述步骤4中当k+1时刻的电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)不满足参考偏差时，计算k时刻的参考电压所在扇区，确定最优子集，并计算最优子集内开关状态的价值函数j进行循环判断，选出最优开关矢量，输出开关状态。
14.进一步地，所述计算最优子集内开关状态的价值函数j进行循环判断的方法如下：设置最优值j
opt
，并初始赋值为inf，自变量j，初始赋值为0，计算开关状态的价值函数j(j)，判断j(j)与j
opt
的大小，将较小值赋给j
opt
，j自加1，循环计算、判断、赋值，直到j等于10时结束循环，选出的j
opt
即为最小值。记录j
opt
对应的开关状态为最优开关矢量。
15.进一步地，步骤4中所述的参考偏差为给定的电流误差范围和中点电位误差范围。
16.与现有技术相比，本发明通过设置参考偏差，放松一定电流跟踪能力，有效降低系统的开关频率，大幅减少开关损耗。当k+1时刻的电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)不满足参考偏差时使用分区遍历而不是传统遍历的算法，计算量大大降低，缓解计算压力，提高了系统运行速度，具有良好的动稳态性能。
附图说明
17.图1是本发明的二极管箝位型三电平pwm整流器拓扑结构图；
18.图2是本发明的二极管箝位型三电平pwm整流器空间电压矢量图；
19.图3是本发明的控制流程图；
20.图4是本发明的中点电位仿真图。
具体实施方式
21.以下结合附图和具体实施步骤对本发明提出的一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法作进一步详细说明。
22.一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法,图1给出npc三电平整流器电路拓扑结构图。如图所示，npc型拓扑结构分为三个桥臂，每个桥臂由4个开关器件、4个续流二极管以及2个钳位二极管组成，并且在直流侧并联两个电容器c1和c2，l和r分别为网侧滤波电感和等效电阻。
23.首先建立三电平pwm整流器离散数学模型，假设功率器件为理想开关器件，忽略其导通压降和死区延时。通过控制桥臂的开关状态改变交流侧输出电位，从而实现控制网侧电流。每相4个功率器件的开关状态与输入点电位的关系如表1所示。
24.表1开关状态与其输入点电位的对应关系
[0025][0026]
t
1-4
为每相的功率器件，1代表导通，0代表关断。
[0027]
由电路拓扑可知每相桥臂可以输出0、三种电平，分别对应工作模式“p”、“o”、“n”，因此可以定义每相桥臂对应的开关函数为s
x
：
[0028][0029]
根据开关函数的取值，三电平整流器共有27种开关状态。
[0030]
因此，根据abc三相不同开关状态的可以得到27种基本电压矢量，其中：零矢量分别为ppp、ooo、nnn；大矢量分别为pnn、ppn、npn、npp、nnp、pnp；中矢量分别为pon、opn、npo、nop、onp、pno；小矢量分别为poo、ppo、opo、opp、oop、pop、onn、oon、non、noo、nno、ono。图2给出npc三电平整流器空间电压矢量图。
[0031]
本发明提供一种npc三电平整流器优化有限控制集模型预测方法，如图3所示为npc三电平整流器优化有限控制集模型预测控制方法流程图，包括如下步骤：
[0032]
步骤1：建立三电平pwm整流器离散预测模型并初始化，采集k时刻i
abc
、e
abc
和中点电位误差δuk，并根据坐标变换矩阵将上述变量变换到αβ坐标系，具体步骤为：
[0033]
步骤1.1：根据拓扑结构得到三电平pwm整流器数学模型定义为：
[0034][0035]
式中，e
abc
为网侧三相电压，i
abc
为网侧三相电流，u
an
为整流器交流侧电压，l为网侧电感，r为网侧等效电阻。为了方便理解开关管导通状态对电路的影响，利用开关函数表示整流器交流侧电压如下：
[0036][0037]
式中，s
abc
为三相对应开关函数，其中上桥臂导通为1，中点导通为0，下桥臂导通为-1，u
dc
为直流母线电压。
[0038]
步骤1.2：将以上整流器数学模型变换到两相静止αβ坐标系可得：
[0039][0040][0041]
步骤2：根据整流器交流侧预测模型，采用前向欧拉公式进行离散化计算k+1时刻网侧电流预测值i
αβ
(k+1)：
[0042][0043]
式中i
αβ
(k+1)是网侧电流k+1时刻的预测值，i
αβ
(k)是网侧电流k时刻的采样值，e
αβ
(k)是网侧电压k时刻的采样值，u
αβ
(k)是直流侧电压k时刻的值，由开关函数计算得出。
[0044]
步骤3：开关函数的取值优先选择k-1时刻选出的最优开关矢量对应值，根据k-1时刻的开关状态计算k+1时刻的电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)：
[0045][0046][0047]
式中c为直流侧电容值，为k+1时刻的参考电流由电压外环得出，需要先设置目标整流电压和iq，为实现单位功率运行在整流状态设置iq＝0，外环pi得到的idiq再经park反变换到αβ坐标系即可。
[0048]
步骤4：判断k+1时刻的电流误差δig(k+1)和中点电位误差δu(k+1)是否满足参考偏差(参考偏差为给定的电流误差范围和中点电位误差范围)，当电流误差δig(k+1)和
中点电位误差δu(k+1)都满足参考偏差时，将开关矢量更新为k时刻最优开关矢量并输出；当不满足时，根据简化mpc算法，利用k+1时刻整流器交流侧的参考电流得出k时刻的参考电压先对三电平空间矢量大六边形进行扇区划分、判断，确定k时刻的参考电压所在扇区的最优子集，然后在最优子集小扇区内遍历开关矢量，计算出最优开关矢量并记录，输出开关状态。
[0049]
空间参考矢量的计算公式表示为：
[0050][0051]
式中为k时刻参考电压利用k+1时刻逆变器侧的参考电流得出，在αβ坐标系下，利用分割线即可将27个矢量划分到6个扇区中，每个扇区10个矢量，为滚动优化减少计算量。确定k时刻参考电压所在扇区，计算所在扇区的最优子集内开关状态的价值函数j，并进行循环判断，选出最优开关矢量，输出开关状态。
[0052]
价值函数表达式如下：
[0053][0054]
式中λ为权值系数，相较于传统mpc使用的多权值，减少了权值试凑的难度。
[0055]
设置最优值j
opt
，并初始赋值为inf，自变量j，初始赋值为0，计算开关状态的价值函数j(j)，判断j(j)与j
opt
的大小，将较小值赋给j
opt
，j自加1，循环计算、判断、赋值，直到j等于10时结束循环，选出的j
opt
即为最小值。记录j
opt
对应的开关状态为最优开关矢量。
[0056]
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于本专业的技术人士能够了解本发明的内容并据以实施修改，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。