一种逆变器模型预测控制方法与流程

1.本发明涉及自动控制技术领域，具体涉及一种逆变器模型预测控制方法。


背景技术：

2.模型预测控制对于复杂的系统具有良好的适用性，针对非线性系统，通过有限个开关状态与系统的动态模型相结合的方式，使非线性系统不必采用平均值的方法求解。在设计控制算法时，无需推导系统的传递函数，只需获得系统的预测模型，便足以实现对系统地控制。模型预测控制可以根据优化目标，设计包含多个约束条件的代价函数，实现多维度地控制。模型预测控制凭借着对复杂系统具备适应性和解决电力电子非线性问题等优点，逐渐被其运用在工业电力电子领域，但是随着控制精度的提高，该控制算法对控制芯片的要求也越来越高。
3.三相逆变器模型预测控制有限个开关状态对应的电压矢量如图4所示，共8种开关状态，7个不同的电压矢量，其中v0＝v7。传统模型预测控制采用遍历法在一个周期内计算所有开关状态对应的代价函数，并选择出使代价函数为最小值时的开关状态作用于逆变器，达到控制的目的。
4.随着电力电子设备逐渐趋向高频化，采样周期被压缩到更短的时间里，低廉的芯片由于计算能力有限，难以满足要求；高性能芯片，虽然可以解决这一问题，但与此同时带来成本的增加等问题。传统的模型预测控制需要计算所有开关矢量对应的代价函数，芯片计算负担较大，使得变换器的工作频率难以进一步的提升，甚至因为产生时延，影响控制效果。
5.现有技术公开了cn112383237a一种并网逆变器的模型预测控制方法，其能够根据具体工作需求，实施分配代价函数的各权重因子，使开关状态组合更加合理，但并从实质上未解决代价函数计算量过高的问题。


技术实现要素：

6.为了解决上述传统模型预测控制存在的问题，本发明提出一种逆变器模型预测控制方法，目的是解决传统模型预测控制采用遍历法寻优的方式带来的影响，降低代价函数计算量，降低输出电流谐波含量，提高逆变器输出波形质量，降低逆变器开关损耗，具体技术方案如下：
7.一种逆变器模型预测控制方法，所述逆变器模型预测控制方法为基于并网逆变器的减小代价函数计算量的模型预测控制，具体步骤如下：
8.s1、通过差分的方法建立并网逆变器电流的离散模型，将所述离散模型转换为静止坐标系下的模型；
9.s2、在k时刻采样获得网侧电流i
com
(k)和网侧电压u
com
(k)，并将其代入所述静止坐标系下的模型中，同时检测网侧电压u
com
(k)相位，并与参考电流幅值相结合，根据电压环构建一个与网侧电压u
com
(k)同相位的参考电流i
ref
(k)；
10.s3、判断k-1时刻最优开关状态对应的电压矢量v
comn
(k-1)是否为零电压矢量并计算k-1时刻对应电压矢量的预测电流值
11.s4、根据开关损耗项和特定阶次输出电流误差项设计代价函数，根据k+1时刻的预测电流值与参考电流i
ref
(k+1)计算得到代价函数gn，通过比较各代价函数得到最小的代价函数g
min
，进而获得使代价函数最小的最优开关函数si，根据最优开关函数si控制逆变器开关管的通断，使得k+1时刻网测电流与参考电流误差最小。
12.进一步的，所述s1的具体步骤如下：
13.通过差分的方法建立并网逆变器电流的离散模型：
[0014][0015]
式中ua、ub、uc为网侧电压，ia、ib、ic为三相电流，la、lb、lc为逆变器与电网相连接的滤波电感，rg为线路等效电阻，u
dc
为直流侧电压；
[0016]
为了表达逆变器各个桥臂的开关状态引入开关函数si：
[0017][0018]
利用欧拉公式对所述开关函数si进行离散化，得到并网逆变器的离散模型：
[0019][0020]
式中va、vb、vc为逆变器每一相桥臂输出电压，va＝sa*u
dc
，vb＝sb*u
dc
，vc＝sc*u
dc
，ts为采样周期，因la＝lb＝lc，故统一用l代替；
[0021]
将所述离散模型转换为静止坐标系下的模型：
[0022][0023]
式中为预测电流的电流矢量，i
com
(k)为网侧矢量电流，u
com
(k)为网侧电压矢量，v
comj
(k)为逆变器桥臂输出电压矢量。
[0024]
进一步的，所述s3的具体步骤如下：
[0025]
若v
comn
(k-1)为非零电压矢量，则计算该电压矢量和靠近这一电压矢量的两个电压矢量v
comx
(k)、v
comy
(k)、v
comz
(k)以及零电压矢量v
com7
(k)(v
com0
(k))对应k+1时刻的预测电流值和
[0026]
若v
comn
(k-1)为零电压矢量v
com7
(k-1)(v
com0
(k-1))，则计算所有电压矢量对应的k+1时刻的预测电流值
[0027]
进一步的，所述s4的具体步骤如下：
[0028]
第k时刻的m阶次输出电流含量为：
[0029][0030]
第k+1时刻的m阶次输出电流含量为：
[0031][0032]
式中，im为m次谐波幅值，n为一个采样周期的采样个数，为旋转因子，
[0033]
第k时刻与第k+1时刻的m阶次输出电流含量作差可得：
[0034][0035]
将与参考电流i
ref
(k+1)作差可得误差电流：
[0036][0037]
式中，i
errα
(k+1)和i
errβ
(k+1)分别为误差电流的实部和虚部，i
refα
(k+1)和i
refβ
(k+1)分别为参考电流的实部和虚部，和分别为预测电流的实部和虚部；
[0038]
计算误差电流特定次谐波含量，当m为1时，可得基波幅值分量数学表达式：
[0039][0040]
当m为特定次谐波阶次时，可得谐波幅值分量数学表达式：
[0041][0042]
将基波和谐波幅值分量作为代价函数的一个约束条件，再将开关器件动作次数q作为另一个约束条件可得代价函数：
[0043][0044]
式中，第一项为基波电流误差的迭代离散傅里叶变换，第二项为加权谐波电流误差迭代离散傅里叶变换的和，m为特定谐波阶次，λm为各阶次谐波的权重系数，所述权重系数λm随着频率的升高而升高，第三项为开关器件动作次数，λ为权重系数，q为三路桥臂总的开关动作数。
[0045]
进一步的，所述零电压矢量对应的开关状态的开关动作数为1，与所述零电压矢量对应的非零电压矢量的开关状态的开关动作数为0或者1。
[0046]
优选的，所述零电压矢量对应的开关状态包括000和111两种开关状态。
[0047]
优选的，所述开关状态包括8种状态，可以取8个电压矢量，即v
comj
(k)，其中j＝0,1,2,...,7。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0049]
本发明采用降低代价函数计算量的模型预测控制降低了控制器的计算时间，根据开关损耗和特定阶次输出电流含量设计代价函数，与传统模型预测控制相比较，本发明使得并网逆变器具有更快的响应速度，更高的工作效率及输出波形谐波含量更少等特点。
附图说明
[0050]
图1为本发明实施例的预测方法流程图。
[0051]
图2为本发明实施例并网逆变器的结构及控制框图。
[0052]
图3为本发明实施例应用于并网逆变器的流程图。
[0053]
图4为本发明在复平面下并网逆变器各个开关状态对应的电压矢量图。
[0054]
图5为本发明实施例并网逆变器参考电流与网侧电流在复平面的矢量图。
具体实施方式
[0055]
以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。
[0056]
参阅图1至图5，本发明提供的一种实施例如下:
[0057]
如图2所示为并网逆变器的拓扑结构及控制框图。图2中，u
dc
为直流源电压，la、lb、lc为交流侧滤波电感，rg为线路等效电阻，is为网侧电流，其中ia、ib、ic为三相电流，ua、ub、uc为网侧电压，ωs、θs为电网电压角频率和相位角，i
ref
为参考电流，n(k+1)为上一时刻最优开关状态对应的序号，v
com0
(k)～v
com7
(k)为8个电压矢量，v
comx
(k)、v
comy
(k)、v
comz
(k)为三个连续的电压矢量，sa、sb、sc为逆变器桥臂开关函数。
[0058]
该系统主要包括并网逆变器拓扑结构图、开关状态选择单元和建模单元及代价函数寻优单元。在开关状态选择单元中，由上一时刻逆变器的开关状态值推断这一时刻最佳开关状态；在模型预测控制建模单元及代价函数寻优单元中，检测网侧电流与电压，建立逆变器预测模型，并计算从开关状态选择单元中得到的几种开关状态对应的代价函数，选择出使代价函数为最小值时的开关状态并作用于逆变器，使逆变器输出电流较好地跟踪参考电流。
[0059]
如图5所示，本发明实施例并网逆变器参考电流与网侧电流在复平面的矢量图。图(a)是图(b)局部放大图，一般情况下，变换器工作频率较高，在前后两个采样周期内参考电流可以认为不变。从图5可以看出在几个采样周期内变换器最佳开关状态主要出现在几个开关状态内，且通过计算一个时刻内各个开关状态对应的代价函数，可以发现当最优开关状态对应的电压矢量为非零矢量，对应的代价函数值最小，且越靠近这一电压矢量(与最优电压矢量的夹角越小)的电压矢量对应的代价函数均小于其余代价函数，越远离(与最优电
压矢量的夹角越大)最优电压矢量的电压矢量对应的代价函数越大。根据这一特点，每一时刻只计算上一时刻靠近最佳开关状态的几个代价函数与零矢量对应的代价函数，其余的开关状态对应的开关矢量与上一时刻最优电压矢量夹角较大，则不计算这几个电压矢量对应的代价函数，这将大幅减少计算量。
[0060]
如图1所示，本发明提供的基于并网逆变器的减小代价函数计算量的模型预测控制具体实施步骤如下：
[0061]
s1，通过差分的方法建立并网逆变器电流的离散模型。离散模型电流表达式如下:
[0062][0063]
式中ua、ub、uc为网侧电压，ia、ib、ic为三相电流，la、lb、lc为逆变器与电网相连接的滤波电感，rg为线路等效电阻，u
dc
为直流侧电压。为了表达变换器各个桥臂的开关状态，引入开关函数si定义为
[0064][0065]
利用欧拉公式对公式(1)进行离散化，得出并网逆变器的离散模型为：
[0066][0067]
式中va、vb、vc为逆变器每一相桥臂输出电压，va＝sa*u
dc
，vb＝sb*u
dc
，vc＝sc*u
dc
，ts为采样周期，因la＝lb＝lc，故统一用l代替，由于开关函数非线性的特点，为简化模型，上述离散模型转换为静止坐标系下的模型为：
[0068][0069]
式中为预测电流的电流矢量，i
com
(k)为网侧矢量电流，u
com
(k)为网侧电压矢量，v
comj
(k)为逆变器桥臂输出电压矢量。
[0070]
如图4所示，逆变器桥臂有8种不同的开关状态，v
comj
(k)可以取8个电压矢量，其中j＝0,1,2,...,7。
[0071]
s2，在k时刻采样获得网侧电流i
com
(k)和网侧电压u
com
(k)，并将其代入式(4)中；并检测网侧电压相位，通过电压环构建一个与网侧电压同相位的参考电流i
ref
(k)。
[0072]
s3，判断k-1时刻最优开关状态对应的电压矢量v
comn
(k-1)是否为零电压矢量。若为非零电压矢量，则计算该电压矢量和靠近这一电压矢量的两个电压矢量v
comx
(k)、v
comy
(k)、v
comz
(k)以及零电压矢量v
com7
(k)(v
com0
(k))对应k+1时刻的预测电流值和当k-1时刻最优开关状态对应的电压矢量为v
com3
(k-1)，则计算电压矢量v
com2
(k)，v
com3
(k)，v
com4
(k)和v
com7
(k)对应的预测电流值和当k-1时刻最优开关状态对应的电压矢量为v
com6
(k-1)，则计算电压矢量为v
com5
(k)，v
com6
(k)，v
com1
(k)和v
com7
(k)时对应的预测电流值和若v
comn
(k-1)为零电压矢量v
com7
(k-1)(v
com0
(k-1))，则计算所有电压矢量对应的k+1时刻的预测电流值
[0073]
步骤4，由于前后两个时刻内参考电流i
ref
(k)和i
ref
(k+1)近似相同，因此可以认为i
ref
(k+1)＝i
ref
(k)。根据开关损耗和特定阶次输出电流含量设计代价函数，特定阶次输出电流含量通过迭代离散傅里叶计算求得，具体方法如下：第k时刻的m阶次输出电流含量为：
[0074][0075]
第k+1时刻的m阶次输出电流含量为：
[0076][0077]
式中，im为m次谐波幅值，n为一个采样周期的采样个数，为旋转因子，
[0078]
式(5)和式(6)做差可得，
[0079][0080]
式(7)为迭代离散傅里叶变换表达式，通过较少的计算过程，获得特定次输出电流的幅值分量。将与参考电流i
ref
(k+1)作差可得误差电流：
[0081][0082]
式中，i
errα
(k+1)和i
errβ
(k+1)分别为误差电流的实部和虚部，i
refα
(k+1)和i
refβ
(k+1)分别为参考电流的实部和虚部，和分别为预测电流的实部和虚部。计算误差电流特定次谐波含量，当m为1时，可得基波幅值分量数学表达式为：
[0083][0084]
当m为特定次谐波阶次时，可得谐波幅值分量数学表达式为：
[0085]
[0086]
式(9)、式(10)为基波和谐波幅值分量数学表达式，将其作为代价函数的一个约束条件，将开关器件动作次数q作为另一个约束条件可得：
[0087][0088]
式中，第一项为基波电流误差的迭代离散傅里叶变换，第二项为加权谐波电流误差迭代离散傅里叶变换的和，m为特定谐波阶次，λm为各阶次谐波的权重系数，所述权重系数λm随着频率的升高而升高，第三项为开关器件动作次数，λ为权重系数，q为三路桥臂总的开关动作数。根据k+1时刻的预测电流值与参考电流i
ref
(k+1)计算得到代价函数gn，通过比较各代价函数得到最小的代价函数g
min
，详细比较过程见图3：当n为2、3、4和5时，计算并比较g
n-1
、gn、g
n+1
和g0；当n为7时，计算并比较剩余的四个代价函数；当n为1时，计算并比较g6、g1、g2和g0；当n为6时，计算g5、g6、g1和g0，从而获得输出最小电压矢量对应的代价函数g
min
，进而获得使代价函数最小的最优开关函数si，根据最优开关函数si控制逆变器开关管的通断，使得k+1时刻网测电流与参考电流误差最小。
[0089]
本发明根据每一时刻中各个代价函数的分布情况，以及相邻两时刻输出电压的特点，设计了一种降低代价函数计算量的方法，并根据开关损耗和特定阶次输出电流含量设计代价函数，在降低代价函数计算量的同时，保证输出电流的准确性，这对提高变换器工作频率和降低芯片计算量具有较大的应用意义。
[0090]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。