[发明专利]NPC三电平逆变器最优序列模型预测控制装置及方法

权利要求书

1.一种NPC三电平逆变器最优序列模型预测控制方法，其特征在于，基于NPC三电平逆变器最优序列模型预测控制装置，包括NPC三相三电平逆变器、数字处理控制模块和驱动电路，其中数字处理控制模块包括采样单元、扇区预选单元、矢量作用时间计算单元、预测计算单元和调制单元；

在每个开关周期内，采样单元分别采集NPC三相三电平逆变器交流侧的三相电网电压信号和三相入网电流信号，经Clarke变换后，连同采样计算得到的直流侧上下两电容电压差值发送至扇区预选单元和矢量作用时间计算单元；扇区预选单元根据前级送入的电压和电流信号以及已知的给定电流信息计算得出参考电压矢量，并根据参考电压矢量的位置信息对三矢量序列进行扇区选择，将得到的矢量序列选择结果送至矢量作用时间计算单元；矢量作用时间计算单元根据送入的电压电流信号、参考电流信息及矢量序列选择结果，依次计算得到备选矢量序列中矢量产生的电流与中点电压增量，据此计算对应的矢量作用时间并对作用时间进行修正后，将计算结果送至预测计算单元，经预测计算单元筛选计算后，得到最优序列及其对应的矢量作用时间，经调制单元生成调制信号后输出，经驱动电路接入NPC三电平逆变器中每相桥臂的各个开关管；

所述NPC三电平逆变器最优序列模型预测控制方法包括以下步骤：

步骤1，采样及变换：对第k个采样周期的入网电流进行采样得到a、b、c三相入网电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)，并对i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)进行Clarke变换得到i_α(k)、i_β(k)；对第k+1个采样周期的电网电压进行采样得到a、b、c三相电网电压e_a(k)、e_b(k)、e_c(k)，并对e_a(k)、e_b(k)、e_c(k)进行Clarke变换得到e_α(k)、e_β(k)；对第k+1个采样周期的直流侧上下电容电压进行检测得到直流侧中点电压Δv_c(k)；记αβ坐标系下第k+1个采样周期的入网参考电流为i^*_α(k+1)、i^*_β(k+1)；

步骤2，矢量序列扇区预选：根据逆变器的离散数学模型计算出第k+1个采样周期的电流参考对应的参考电压矢量，并依据在αβ坐标系下的位置信息选择大扇区，并选择大扇区中的6个矢量序列作为备选矢量序列Seq^m(k)，其中m＝1,2,…,6；

步骤3，计算电流和中点电压增量：结合步骤2得到的备选矢量序列的开关信息和步骤1得到的采样及变换结果，根据逆变器的数学模型计算每个备选矢量序列在第k+1个采样周期的入网电流及直流侧中点电压增量；

步骤4，计算矢量作用时间：确定目标函数形式，计算每个备选矢量序列对应的矢量作用时间其中j＝1,2,3；m＝1,2,…,6；

步骤5，修正矢量作用时间：对计算得到的矢量作用时间进行筛选，基于目标函数的几何性质对负作用时间进行分区修正；

步骤6，预测计算：结合修正后的矢量作用时间其中j＝1,2,3；m＝1,2,…,6，遍历计算备选矢量序列在第k+1个采样周期的入网电流和直流侧中点电压的预测值；遍历计算目标函数g，选择使g取得最小值的矢量序列作为最优矢量序列Seq^opt(k)；

步骤7，调制输出：将Seq^opt(k)及对应的矢量作用时间其中j＝1,2,3，在第k+1个采样周期经调制单元生成调制信号输出；

步骤3所述的计算电流和中点电压增量：结合步骤2得到的备选矢量序列的开关信息和步骤1得到的采样及变换结果，根据逆变器的数学模型计算每个备选矢量序列在第k+1个采样周期的入网电流及直流侧中点电压增量，具体如下：

步骤3.1、已知αβ坐标系下三相逆变器并网电流的数学模型如下：

式中，i_α、i_β表示αβ坐标系下的三相并网电流，v_α、v_β表示αβ坐标系下的逆变器输出电压，e_α、e_β表示αβ坐标系下的三相电网电压，R为逆变器桥臂电阻和滤波电感电阻折合后等效电阻的阻值；L为滤波电感的感值；

步骤3.2、当采样周期小于阈值时，在一个采样周期内，矢量序列中每个矢量对应的i_α、i_β的增量视为定值，根据αβ坐标系下三相逆变器并网电流的数学模型，f_αj(k)、f_βj(k)通过下式计算：

式中，v_αj(k)、v_βj(k)表示第k个采样周期时刻矢量序列中第j个矢量对应的αβ坐标系下的逆变器输出电压；f_αj(k)、f_βj(k)表示在第k个采样周期时刻矢量序列中第j个矢量对应的αβ坐标系下入网电流的增量；

步骤3.3、相似地，αβ坐标系下三相逆变器直流侧中点电压的数学模型为：

式中，|S_a|、|S_b|、|S_c|分别表示a、b、c三相开关函数的绝对值，|S|_α、|S|_β表示αβ坐标系下三相开关函数的绝对值；i_a、i_b、i_c表示a、b、c三相入网电流；C表示逆变器直流侧电容的容值；

步骤3.4、在第k个采样周期，矢量序列中第j个矢量对应的直流侧中点电压的增量f_vcj(k)通过下式计算：

式中，f_vcj(k)表示在第k个采样周期时刻矢量序列中第j个矢量对应的直流侧中点电压的增量，|S|_αj、|S|_βj表示矢量序列中第j个矢量对应的αβ坐标系下三相开关函数的绝对值；

步骤4所述的计算矢量作用时间：确定目标函数形式，计算每个备选矢量序列对应的矢量作用时间其中j＝1,2,3；m＝1,2,…,6，具体如下：

步骤4.1、定义目标函数g如下：

式中，i_α(k+1)、i_β(k+1)表示i_α、i_β在第k+1个采样周期的预测值，i^*_α(k+1)、i^*_β(k+1)表示第k+1个采样周期的给定电流，Δv_c(k+1)表示Δv_c在第k+1个采样周期的预测值，λ表示权重系数；

步骤4.2、目标函数g用电流跟踪误差、电流及中点电压增量表示为：

式中，err_iα(k)、err_iβ(k)分别表示电流i_α、i_β在第k+1个采样周期的参考值与在第k个采样周期的测量值的差；t_j(k)表示矢量作用时间；

步骤4.3、将目标函数视为以t_j为自变量的函数，为使目标函数取得最小值，求解如下方程组：

解得矢量作用时间t_j(k)，其中j＝1,2,3，计算公式如下：

t₃(k)＝T_s-t₁(k)-t₂(k)

其中：

A₁＝f_vc2(k)[(f_α1(k)-f_α3(k))(f_α2(k)-f_α3(k))-(f_β1(^k)-f_β3(k))(f_β2(k)-f_β3(k))]+f_vc3[(f_α1(k)-f_α2(k))(f_α3(k)-f_α2(k))-(f_β1(k)-f_β2(k))(f_β2(k)-f_β3(k))]-f_vc1(k)[(f_a2(k)-f_a3(k))²+(f_b2(k)-f_b3(k))²]

B₁＝[f_vc1(k)(f_α3(k)-f_α2(k))+(f_vc2(k)-f_vc3(k))f_α1(k)](f_α2(k)f_vc3(k)-f_α3(k)f_vc2(k))+[f_vc1(k)(f_β3(k)-f_β2(k))+(f_vc2(k)-f_vc3(k))f_β1(k)](f_β2(k)f_vc3(k)-f_β3(k)f_vc2(k))+(f_α2(k)f_vc3(k)-f_α3(k)f_vc2(k))²+(f_β2(k)f_vc3(k)-f_β3(k)f_vc2(k))²

C₁＝(f_vc2(k)-f_vc3(k))²(err_iα(k)f_α1+err_iβ(k)f_β1(k))+(f_vc1(k)-f_vc3(k))(f_vc3(k)-f_vc2(k))(err_iα(k)f_α2(k)+err_iβ(k)f_β2(k))+(f_vc1(k)-f_vc2(k))(f_vc2(k)-f_vc3(k))(err_iα(k)f_α3(k)+err_iβ(k)f_β3(k))

D₁＝(f_α2(k)f_β3(k)-f_α3(k)f_β2(k))²+[f_α1(k)(f_β2(k)-f_β3(k))-f_β1(k)(f_α2(k)-f_α3(k))](f_α2(k)f_β3(k)-f_α3(k)f_β2(k))

E₁＝err_iα(k)(f_β2(k)-f_β3(k))[f_α1(k)(f_β2(k)-f_β3(k))-f_α2(k)(f_β1(k)-f_β3(k))+f_α3(k)(f_β1(k)-f_β2(k))]+err_iβ(k)(f_α2(k)-f_α3(k))[f_β1(k)(f_α2(k)-f_α3(k))-f_β2(k)(f_α1(k)-f_α3(k))+f_β3(k)(f_α1(k)-f_α2(k))]A₂＝(f_a1(k)-f_a3(k))[f_vc1(k)(f_α2(k)-f_α3(k))-f_vc2(k)(f_α1(k)-f_α3(k))+f_vc3(k)(f_α1(k)-f_α2(k))]+(f_β1(k)-f_β3(k))[f_vc1(k)(f_β2(k)-f_β3(k))-f_vc2(k)(f_β1(k)-f_β3(k))+f_vc3(k)(f_β1(k)-f_β2(k))]

B₂＝-(f_vc1(k)-f_vc3(k))[(err_iα(k)f_α1(k)+err_iβ(k)f_β1(k))(f_vc2(k)-f_vc3(k))-(err_iα(k)f_α2(k)+err_iβ(k)f_β2(k))(f_vc1(k)-f_vc3(k))+(err_iα(k)f_α3(k)+err_iβ(k)f_β3(k))(f_vc1(k)-f_vc2(k))]

C₂＝(f_α1(k)f_vc3(k)-f_α3(k)f_vc1(k))²+(f_α1(k)f_vc3(k)-f_α3(k)f_vc1(k))·[f_vc2(k)(f_α3(k)-f_α1(k))+f_α2(k)(f_vc1(k)-f_vc3(k))]+(f_β1(k)f_vc3(k)-f_β3(k)f_vc1(k))²+(f_β1(k)f_vc3(k)-f_β3(k)f_vc1(k))·[f_vc2(k)(f_β3(k)-f_β1(k))+f_β2(k)(f_vc1(k)-f_vc3(k))]

D₂＝-[f_α1(k)(f_β2(k)-f_β3(k))+f_α2(k)(f_β3(k)-f_β1(k))+f_α3(k)(f_β1(k)-f_β2(k))]·[T_s(f_α1(k)f_β3(k)-f_α3(k)f_β1(k))+err_ia(k)(f_β1(k)-f_β3(k))-err_iβ(k)(f_α1(k)-f_α3(k))]

F＝[f_vc1(k)(f_β2(k)-f_β3(k))+f_vc3(k)(f_β1(k)-f_β2(k))-f_vc2(k)(f_β1(k)-f_β3(k))]²

G＝[f_vc1(k)(f_α2(k)-f_α3(k))+f_vc3(k)(f_α1(k)-f_α2(k))-f_vc2(k)(f_α1(k)-f_α3(k))]²

H＝[f_α1(k)(f_β2(k)-f_β3(k))-f_α2(k)(f_β1(k)-f_β3(k))+f_α3(k)(f_β1(k)-f_β2(k))]²

其中，T_s表示系统采样周期；

步骤5所述的修正矢量作用时间：对计算得到的矢量作用时间进行筛选，基于目标函数的几何性质对负作用时间进行分区修正，具体如下：

矢量作用时间t₁、t₂需满足：

对于不满足上式的矢量作用时间进行分区修正，将t₁、t₂修正后的值分别记为t₁’、t₂’，修正规则具体如下：

Ⅰ、当0≤t₁≤T_s,t₂≤0时，令t₁′＝t₁,t₂′＝0；

Ⅱ、当t₁≤0,t₂≤0时，令t₁′＝0,t₂′＝0；

Ⅲ、当t₁≤0,0≤t₂≤T_s时，令t₁′＝0,t₂′＝t₂；

Ⅳ、当t₂≥T_s,t₂-t₁≥T_s时，令t₁′＝0,t₂′＝T_s；

Ⅴ、当-T_s≤t₁-t₂≤T_s,t₁+t₂≥T_s时，令t₂′＝T_s-t₁′；

Ⅵ、当t₁≥T_s,t₁-t₂≥T_s时，令t₁′＝T_s,t₂′＝0。