[发明专利]一种三相三电平八开关整流器的改进模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种改进的模型预测控制方法，首先在αβ静止坐标系下利用电压及其延时90^o的信号，通过三相三电平八开关NPC整流器的数学模型，得到整流器桥臂电压参考值；然后将三相三电平八开关NPC整流器的九个空间电压矢量减小到七个电压矢量，去除引起共模电压大的电压矢量；再根据目标函数，选出与使目标函数最优的一个最优空间电压矢量；最后，将得到的最优电压矢量作为下一个控制周期的开关函数，控制开关管的状态，控制电路的运行状态，实现风力发电系统中三相三电平八开关在交流输入电压不平衡条件下的控制目标。本发明算法简单、直观、明了，控制不仅简单而且准确，具有很高的实用价值。

技术领域

本发明涉及电力电子变换器控制领域，尤其涉及一种三相交流电压不平衡时三相三电平八开关整流器的模型预测控制方法。

背景技术

传统的二极管不控整流电路和晶闸管相控整流电路功率因数低、谐波含量高，给交流侧电流中注入了大量的谐波和无功功率。对风力发电机的安全、稳定、高效运行带来了严峻的挑战。

近年来，多电平变换器因其在抑制谐波、提高功率因数、减小电压应力等方面的优点，正越来越多地受到人们的关注，并且已经广泛地应用于工业中。目前常见的多电平变换器的种类有：级联式H-桥多电平变换器、飞跨电容多电平变换器和中性点箝位多电平变换器。1981年A.Nabae等人提出二级管箝位(neutral point-clamped,NPC)三电平变换器，NPC三电平整流器在交流电机传动领域得到广泛应用。与传统两电平逆变器相比，NPC型三电平整流器具有较小的功率管承受电压应力和电磁干扰、较低的电压总谐波畸变率和开关损耗等特点。在风力发电场合得到了广泛应用。在风力发电系统中，交流风力发电机的交流输出侧接三相三电平整流器NPC以得到稳定的直流电压和谐波含量低的高质量的交流电流，减小风力发电系统的电磁干扰和系统损耗。

但是由于NPC型三电平整流器系统中含有数量较多的开关器件，导致系统的可靠性降低。当NPC型三电平整流器的一相桥臂发生故障时，整个系统无法正常工作，影响整个系统的运行安全、稳定运行。造成不可估量的经济损失。同时，由于该拓扑使用了较多的功率开关元件和箝位元件，系统成本较高，开关损耗较大，控制也较为复杂。所以研究NPC三电平拓扑的容错情况就有重要意义。采用三相八开关NPC整流器代替三相12开关NPC整流器具有很重要的意义。不需要增加整流器的开关管，将直流侧串联的电容代替故障相，实现三相三电平整流器的稳定运行。三相三电平八开关整流器拓扑具开关器件少、控制简单、有易操作和成本低等优点，使其具有很高的实用价值。

在风力发电系统中，由于有某些原因导致风力发电机发出的电压不对称，不对称的交流电压作用在三相三电平八开关拓扑上，会导致交流侧电流不平衡、畸变严重，谐波含量增大，大量的谐波增加了系统的电磁干扰和损耗。同时波形质量差的交流电流又会加大线路的阻抗压降的不平衡，使三相八开关整流器桥臂输入电压的不平衡度进一步加大。这种恶性循环会导致系统不能正常运行，甚至会导致系统崩溃。

共模电压是由于高频变化的开关运行状态产生，高共模电压会增加风力发电机的绝缘绕组的电压应力、轴电压、轴电流、共模电流，这些会因影响系统的正常运行和设备的使用寿命。同时高共模电压会增加系统的传导和辐射干扰，增加系统的损耗并影响周围设备的正常运行。

在风力发电系统在交流侧电压不平衡时，要实现三相三电平八开关整流器的稳定运行，提高系统的稳定性，延长系统的使用寿命的目标。这要求降低交流侧电流谐波含量，提高交流侧电流波形质量同时减小共模电压。因此，提出一种简单有效的控制策略具有重要意义。

发明内容

为了解决上述风力发电场合中交流侧电压不平衡导致的交流侧电流畸变和共模电压大的问题，本发明在三相三电平八开关整流器运行在交流电压不衡的条件下，提出一种改进的模型预测直接电流控制方法，该控制方法在交流侧电压不平衡时，维持直流侧电压的稳定，同时准确跟踪交流侧电流、降低交流侧电流谐波和减小共模电压。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：