[发明专利]一种三电平电压源型变换器模型预测控制方法

权利要求书

1.一种三电平电压源型变换器模型预测控制方法，包括下列几个方面：

(1)建立三电平电压源型变换器交流侧电流与开关函数的关系模型，如下

iα(k+2)=(1-RTsL)iα(k+1)+TsL·[(eα(k+1)-uα(k+1)]iβ(k+2)=(1-RTsL)iβ(k+1)+TsL·[(eβ(k+1)-uβ(k+1)]]]>

式中，L和R分别为交流侧电抗器电感和线路等效电阻；

T_s是系统采样周期；

i_α(k+2)和i_β(k+2)为t_k+2时刻两相静止坐标系下的交流侧电流预测值；

i_α(k+1)和i_β(k+1)为t_k+1时刻两相静止坐标系下的交流侧电流预测值；

e_α(k+1)和e_β(k+1)是t_k+1时刻电网电压的α轴和β轴分量；

u_α(k+1)和u_β(k+1)是t_k+1时刻两相静止坐标系下变换器交流侧电压的计算值，且计算式如下

uα(k+1)=Udc(k+1)6(2Sa(k+1)-Sb(k+1)-Sc(k+1))uβ(k+1)=3Udc(k+1)6(Sb(k+1)-Sc(k+1))]]>

式中，U_dc(k+1)是t_k+1时刻的直流侧电压预测值；

S_a(k+1)、S_b(k+1)和S_c(k+1)是在第k+1周期内可能采用的三相开关状态；

(2)建立直流侧电容电压偏移量与开关函数的关系模型，如下

ΔUdc(k+2)=TsC[Sa2(k+1)Sb2(k+1)Sc2(k+1)]ia(k+1)ib(k+1)ic(k+1)+ΔUdc(k+1)]]>

式中，ΔU_dc(k+2)是t_k+2时刻直流侧上下电容电压的差值；

ΔU_dc(k+1)是t_k+1时刻直流侧上下电容电压的差值；

C是直流侧电容值；

i_a(k+1)，i_b(k+1)和i_c(k+1)分别是t_k+1时刻的三相交流侧电流；

(3)电流给定值和由电压外环获得，其中t_k+2时刻的电流给定值可由前几时刻的电流值计算获得，计算式如下

iα*(k+2)=3iα*(k+1)-3iα*(k)+iα*(k-1)iβ*(k+2)=3iβ*(k+1)-3iβ*(k)+iβ*(k-1)]]>

式中，和是t_k+1时刻电流给定值；

和是t_k时刻电流给定值；

和是t_k-1时刻电流给定值；

(4)设定三电平电压源型变换器模型预测控制算法的价值函数，如下

g=|iα*(k+2)-iα(k+2)|+|iβ*(k+2)-iβ(k+2)|+λdc(Udc2(k+2)-Udc1(k+2))]]>

式中，λ_dc为直流侧上下电容电压差值的权重因子；

和是t_k+2时刻输入电流的指令值；

和是t_k时刻输入电流的指令值；

和是t_k-1时刻输入电流的指令值。

(5)计算开关状态子集

S(k+1)=(S_min(k)+M)∪(S_min(k)-M)

式中，S_min(k)是第k采样周期采用的开关状态；

M是两电平电路开关状态组，M=[001,010,011,100,101,110,111]；

S(k+1)是计算所得开关状态子集；

∪是并集运算符；

由该式计算得出的三相开关状态还要考虑是否满足限制条件，即每相状态只能限制在-1到1之间，不满足条件的则舍掉；

(6)在进行实时预测控制时，采用下面的步骤：

（a）检测当前时刻即k时刻的三相电网电压e_a(k)、e_b(k)、e_c(k)和网侧三相输入电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，分别经abc-αβ坐标变换模块得到两相静止αβ坐标系下的网侧电网电压e_α(k)、e_β(k)和输入电流i_α(k)、i_β(k)；检测三电平变换器直流侧上下电容的电压U_dc1(k)和U_dc2(k)，计算直流侧电压U_dc(k)及上下电容电压的差值△U_dc(k)；

（b）给定直流侧电压参考值计算其与直流侧电压U_dc(k)的差值，经过比例积分PI控制器调节得到电流指令值和并根据（3）推算t_k+2时刻电流给定值和iβ*(k+2);]]>

（c）对于（5）中所确定的开关状态子集所包含的所有开关状态，代入（1）和（2）中给出的交流侧电流、直流侧电容电压偏移量这两者与开关函数的关系模型,计算得到t_k+2时刻电流值i_α(k+2)和i_β(k+2)、中点电位偏移值ΔU_dc(k+2)。将计算所得电流预测值和直流侧电容电压偏移量的预测值代入电流预测值，计算开关状态对应的价值函数值；

（d）将（b）中计算所得电流给定值和（c）中计算所得电流预测值和直流侧电容电压偏移量的预测值，代入（4）中的价值函数中进行运算；

（e）对（d）中计算所得价值函数值进行比较，选取最小的价值函数值所对应的开关状态作为输出，用于控制三电平电压源型变换器中开关管的通断。