一种模块化多电平逆变器的预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种模块化多电平逆变器的预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着国家对新能源的重视程度不断增加，光伏产业近几年发展非常迅速，提高电 能质量、减少谐波污染、提高发电系统的效率及功率是目前各种逆变器的重要参数。近几年 高压输电技术越来越普及，高压输电成为一种大势所趋。传统提高系统耐压的方法是选择 耐高压的器件作为变换器的开关管，该样虽然能提高系统耐压，但提升空间有限，而且容易 造成系统的不稳定，因此选择其他方法增加系统耐压异常重要。
[0003] 模块化多电平变换器采用多个模块级联的方法，通过此方法有效的解决了开关器 件耐压的问题，通过将每个模块的电压级联并用正确的控制方法即可实现大范围的电压和 功率应用问题。此种变换器由于高度的模块化，因此可W实现系统的可伸缩性。目前高压 输电分为高压直流和高压交流输电，而该种变换器不仅能够应用于高压直流而且同样能够 应用于高压交流输电中，而且此变换器能够通过改变调制策略使同一台设备分为处于整流 或者逆变的不同模式，无论是高压直流还是高压交流输电，该种变换器都能在输电系统两 端处于整流或者逆变的工作状态，所W该种变换器在国内外已经普遍投入使用。
[0004] 模块化多电平变换器传统的控制策略是反馈信号通过PI调节或其他调节方式调 节后送入SPWM产生驱动信号或者其他控制策略实现整流或者逆变功能，传统的调制策略 在逆变器工作过程中需要经过大量的运算才能满足输出要求，所W系统需要很长的时间经 过复杂的计算才能输出满足要求的电流和电压波形，因此传统的调制方法的动、静态性能 不好。而预测控制能够实现根据当前情况估计下一时刻系统需要投入的开关状态，从而实 现电压和电流的精确控制。由于预测控制能精确的选择下一时刻系统所需要的开关状态， 预测控制通过预测获得k+1时刻负载电流或者电压的参考值，通过选择开关状态令k+1时 刻负载电流或电压准确跟踪上参考电流或电压，即W下一时刻跟踪误差为最小为前提，通 过建立的系统线性模型预测出下一时刻的输出状态来实现逆变器的控制。基于该个假设， 对任意的参考波形，该种控制方法都可W经过一个采样周期就完全跟踪上参考波形。因此 预测控制能够提高系统的性能，并且实现电流和电压的高动态输出。
[0005] 预测控制具有跟踪速度快，谐波小，开关频率固定等优点，被广泛应用到逆变器、 整流器、有源滤波器、不间断电源的控制中。因此，研究一种适用于模块化多电平变换器的 预测控制策略非常重要。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，该 方法能够很好的解决系统的动、静态性能。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[000引一种模块化多电平逆变器，包括输入电源，输入电源连接=相桥臂，每相桥臂包括 上、下桥臂，且上下桥臂结构对称，均包括n个串联的子模块管和靠近中性点的电感，其中 每个模块内包括两个串联的IGBT和一个与之并联的电容，每相桥臂的中性点经滤波器与 电阻连接后并网。
[0009] 所述滤波器为LC滤波电路，且其中的电容公共端接地。
[0010] 所述中性点按照相分别标记为a、b和C。
[0011] 所述输出电源分别为UA、Ue和Uc。
[0012] 一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，包括W下步骤：
[0013] (1)对模块化多电平逆变器进行拓扑结构进行分析，建立拓扑模型；
[0014] (2)利用拉格朗日二次插值预测电流信号；
[001引 做考虑电阻的影响，利用后向差分，改写S相电压及电流变换到aP坐标系下；
[0016] (4)进行二维向S维坐标的变换，将S相投入不同子模块的输出电压和与不同状 态下ABCS相输出电压相比较，选择每相投入子模块数量；
[0017] (5)应用半桥臂子模块电容电压均衡原理，根据电流处于给子模块电容充电还是 放电模式，选择相应的子模块投入系统。
[00化]所述步骤（1)中，
【主权项】
1. 一种模块化多电平逆变器，其特征是：包括输入电源，输入电源连接三相桥臂，每相 桥臂包括上、下桥臂，且上下桥臂结构对称，均包括N个串联的子模块管和靠近中性点的电 感，其中每个模块内包括两个串联的IGBT和一个与之并联的电容，每相桥臂的中性点经滤 波器与电阻连接后并网。
2. 如权利要求1所述的一种模块化多电平逆变器，其特征是：所述滤波器为LC滤波电 路，且其中的电容公共端接地。
3. -种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：包括以下步骤： (1) 对模块化多电平逆变器进行拓扑结构分析，建立拓扑模型； (2) 利用拉格朗日二次插值预测电流信号； (3) 考虑电阻的影响，利用后向差分，改写三相电压及电流变换到a0坐标系下； (4) 进行二维向三维坐标的变换，将三相投入不同子模块的输出电压和与不同状态下 ABC三相输出电压相比较，选择每相投入子模块数量； (5) 应用半桥臂子模块电容电压均衡原理，根据电流处于充电还是放电模式，选择相应 的子模块投入系统。
4. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：所述步 骤（1)中
：其中i=a、b、c，I=AjXhLiSLCR滤波器的电感大小， R为电阻大小。
5. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：所述步 骤⑴中，由于三相中每相上、下桥臂都有一个电感La"所以，
其中，i=a、b、c，Ui为变换器输出未滤波电压，I=A、B、C，Ul为电网电压，"为三相电 流大小，1^为LCR滤波器的电感大小，La"为各相上下各桥臂中电感的大小，R为电阻大小； 通过将三相电压及电流经过3-2变换到a0坐标系下，可
;中《. 为在a0坐标系下逆变器输出未滤波电压大 小，ua、up为在a0坐标系下电网电压大小，ia、ip为在a0坐标系下电流大小，1^为LCR滤波器的电感大小，La"为各相上下各桥臂中电感的大小，R为电阻大小。
6. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：所述步 骤⑵中，由于i(k+1)不能通过测量得到，因此需要经过预测来得到其下一步该取的值，在 此利用拉格朗日二次插值定理求得：i(k+1) = 3i(k)-3i(k-l)+i(k-2)。
7. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：
所述步骤（3)中，采用后向差分法，S[ ?将上式中的$ ^分别用 di、df
代替，其他参数不变，因此，可得到以下等式：
， 此处，为了得到(々+ 1)和"/r(/v+ 1)的大小所以上式中的k时刻替换成k+1时刻，应 变成：
而此处，为了使电流为最终目标电流所以上式中的ia(k+l)、ip(k+l)应变成i'a (k+1)、i'p (k+1)，由此可得：
其中i，a (k+1) = 3i，a (k)-3i，a (k-l)+i，^ (k-2)、i，p (k+1) = 3i，p (k)-3i，p (k-l)+i'p (k_2); i'a (k+l)、i'e (k+1)分别为a0坐标系下对目标电流的预测值，i'a (k)、i'e (k)分别 为k时刻在a 坐标系下目标电流的大小，< (々+ 1) <卜+ 1)分别为a 0坐标系下k+1 、 时刻的变换器输出未滤波的电压，ua(k+l)、up(k+l)分别为a0坐标系下k+1时刻电网电 压，1。〇〇、％〇〇分别为（10坐标系下1^时刻的电流值乂1为1〇?滤波器的电感大小，1^" 为各相上下各桥臂中电感的大小，R为电阻大小。
8. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：所述步 骤⑷中，通过得到的^ 0 + ])和~ (> + 1)的大小，将0 + ])和~+ 1)经过二维至三 维坐标变换后即可得到在ABC域下的",,（々+〇、弋（々 + !)、",,（/<+1)的大小，由于ABC三 相投入不同子模块数量的情况下输出电压不同，因此可将上面三个值与不同状态下ABC三 相输出电压相比较，其中最接近以上三个值的投入子模块数量为系统最终选择。
9. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：所述步 骤（5)中，在任一桥臂，桥臂电流的方向控制被投入子模块电容是充电状态还是放电状态； 检测每个桥臂子模块电容电压的值，然后根据桥臂电流方向决定投入哪个子模块。
10. 如权利要求3所述的一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，其特征是：所述步 骤（5)中，当电流方向为对投入子模块充电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电 压从低到高的设定个数的子模块投入到系统中，就会使这些模块的电容充电；当电流方向 为对投入子模块放电时，检测桥臂中各模块的电容电压，选择相应电压从高到低的设定个 数的子模块投入到系统中，就会使这些模块的电容放电。
【专利摘要】本发明公开了一种模块化多电平逆变器的预测控制方法，该控制方法在传统各子模块电容电压排序原理的基础上采用预测控制，预测控制具有跟踪速度快，谐波小，开关频率固定等优点。传统的调制方法需要将采样电流变换到dq坐标系下经过PI环节产生调制波，调制波经过与三角波比较形成SPWM调制波，完成这一过程需要大量的运算。而本发明提出的预测控制，运算量相对较小，而且具有跟踪快、谐波小、开关频率固定等优点。
【IPC分类】H02M7-483, H02M7-5387
【公开号】CN104811069
【申请号】CN201510243021
【发明人】杜春水, 张桐盛, 张承慧, 邢相洋
【申请人】山东大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月13日