[发明专利]三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法

权利要求书

1.一种三电平并网逆变器的无参数有限集模型预测控制方法，应用该方法的三电平并网逆变器主电路拓扑结构包括直流侧电压源(10)、直流侧串联电容(20)、三电平逆变器(30)、三相L滤波器(40)、三相L滤波器的等效电阻(50)和三相电网(60)，所述直流侧串联电容(20)包括直流电容C1和直流电容C2，直流电容C1和直流电容C2串联后接在直流侧电压源(10)的直流正母线P与直流负母线N之间，其连接点记为中点n，中点n与三电平逆变器电路(30)的中性点O连接，直流侧电压源(10)与直流侧串联电容(20)并联后和三电平逆变器(30)连接，三电平逆变器(30)经三相L滤波器(40)与三相L滤波器的等效电阻(50)连接后接入三相电网(60)；

所述三电平逆变器(30)由a，b，c三相桥臂组成，每相桥臂包括4个开关管，即三电平逆变器(30)共包括12个开关管，分别记为S_a1、S_a2、S_a3、S_a4、S_b1、S_b2、S_b3、S_b4、S_c1、S_c2、S_c3和S_c4；定义每个开关管的集电极为正端，每个开关管的发射极为负端，对于a相桥臂，开关管S_a1的正端连接直流正母线P，开关管S_a1的负端连接开关管S_a2的正端和开关管S_a4的正端以及a相桥臂输出端，开关管S_a2的负端连接开关管S_a3的负端，开关管S_a3的正端连接中性点O，开关管S_a4的负端连接直流负母线N；对于b相桥臂，开关管S_b1的正端连接直流正母线P，开关管S_b1的负端连接开关管S_b2的正端和开关管S_b4的正端以及b相桥臂输出端，开关管S_b2的负端连接开关管S_b3的负端，开关管S_b3的正端连接中性点O，开关管S_b4的负端连接直流负母线N；对于c相桥臂，开关管S_c1的正端连接直流正母线P，开关管S_c1的负端连接开关管S_c2的正端和开关管S_c4的正端以及c相输出端，开关管S_c2的负端连接开关管S_c3的负端，开关管S_c3的正端连接中性点O，开关管S_c4的负端连接直流负母线N；

其特征在于，本控制方法的步骤如下：

步骤1，当前采样时刻记为k时刻，采样流过三相L滤波器(40)的电流并记做k时刻并网电流i_a(k)，i_b(k)，i_c(k)，采样三相电网(60)的电压并记做k时刻电网电压e_a(k)，e_b(k)，e_c(k)；

步骤2，对步骤1中采样得到的k时刻电网电压e_a(k)，e_b(k)，e_c(k)和k时刻并网电流i_a(k)，i_b(k)，i_c(k)进行坐标变换，采用三相静止坐标系abc变换到两相静止坐标系αβ的CLARK坐标变换，得到k时刻两相静止坐标系αβ下的电网电压e_α(k)，e_β(k)和k时刻两相静止坐标系αβ下的并网电流i_α(k)，i_β(k)；所述CLARK坐标变换公式如下：

步骤3，计算k时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压U_α(k)，U_β(k)，计算式如下：

其中，V_dc为直流侧电压，S_opta(k)，S_optb(k)，S_optc(k)是k时刻的三电平并网逆变器最优开关管动作信号；

步骤4，进行参数估计；

将三相L滤波器(40)的电感估计值记为电感估计值三相L滤波器的等效电阻(50)的电阻估计值记为电阻估计值电感估计值和电阻估计值的计算式如下：

其中，T_s是采样周期，i_α(k-1)，i_β(k-1)为(k-1)时刻两相静止坐标系αβ下的并网电流，U_α(k-1)，U_β(k-1)为(k-1)时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压；

步骤5，将下一个采样时刻记为(k+1)时刻，进行第一步预测，得到(k+1)时刻的预测电流值和计算式如下：

步骤6，将下两个采样时刻记为(k+2)时刻，进行第二步预测，求得(k+2)时刻两相静止坐标系αβ下的预测电流值

将(k+2)时刻两相静止坐标系αβ下的预测电流值记为(k+2)预测电流值其计算式如下：

其中，

是(k+1)时刻两相静止坐标系αβ下的电网电压预测值，其值分别为：

是(k+1)时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压预测值，将(k+1)时刻两相静止坐标系αβ下的逆变器输出电压预测值记为(k+1)时刻逆变器输出电压预测值其计算式如下：

式中，S_a、S_b、S_c分别为a相桥臂开关动作信号、b相桥臂开关动作信号、c相桥臂开关动作信号对应的开关矢量，将开关矢量S_a、开关矢量S_b、开关矢量S_c的取值记为(S_a、S_b、S_c)，根据三相桥臂开关管的动作，(S_a、S_b、S_c)包括以下27种情况：

(1，1，1)，(1，1，0)，(1，1，-1)，(1，0，1)，(1，0，0)，(1，0，-1)，(1，-1，1)，(1，-1，0)，(1，-1，-1)，(0，1，1)，(0，1，0)，(0，1，-1)，(0，0，1)，(0，0，0)，(0，0，-1)，(0，-1，1)，(0，-1，0)，(0，-1，-1)，(-1，1，1)，(-1，1，0)，(-1，1，-1)，(-1，0，1)，(-1，0，0)，(-1，0，-1)，(-1，-1，1)，(-1，-1，0)，(-1，-1，-1)；

其中，S_a＝1表示开关管S_a1，S_a2导通且开关管S_a3，S_a4关断，S_a＝0表示开关管S_a2，S_a3导通且开关管S_a1，S_a4关断，S_a＝-1表示开关管S_a3，S_a4导通且开关管S_a1，S_a2关断；S_b＝1表示开关管S_b1，S_b2导通且开关管S_b3，S_b4关断，S_b＝0表示开关管S_b2，S_b3导通且开关管S_b1，S_b4关断，S_b＝-1表示开关管S_b3，S_b4导通且开关管S_b1，S_b2关断；S_c＝1表示开关管S_c1，S_c2导通且开关管S_c3，S_c4关断，S_c＝0表示开关管S_c2，S_c3导通且开关管S_c1，S_c4关断，S_c＝-1表示开关管S_c3，S_c4导通且开关管S_c1，S_c2关断；

根据以上27种情况，第二步预测得到27个(k+1)时刻逆变器输出电压预测值和27个(k+2)时刻预测电流值

步骤7，通过滚动优化得到(k+1)时刻三电平并网逆变器最优开关管动作信号S_opta(k+1)，S_optb(k+1)，S_optc(k+1)；

步骤7.1，定义价值函数为J，价值函数公式如下：

其中，是(k+2)时刻两相静止坐标系αβ下的电流参考值，其值可以通过如下计算：

式中，是(k-1)时刻给定的两相静止坐标系αβ下的电流参考值，是k时刻给定的两相静止坐标系αβ下的电流参考值，是(k+1)时刻两相静止坐标系αβ下的电流参考值，的计算式如下：

式中，是(k-2)时刻给定的两相静止坐标系αβ下的电流参考值；

步骤7.2，将步骤6中获得的27个(k+2)时刻预测电流值分别代入步骤7.1中的价值函数公式，得到27个价值函数值J，取价值函数数值最小时对应的(k+2)时刻预测电流值作为(k+2)时刻最优预测电流值i_optα(k+2)，i_optβ(k+2)；

步骤7.2，在步骤6得到的27个(k+1)时刻逆变器输出电压预测值中，取与(k+2)时刻最优预测电流值i_optα(k+2)，i_optβ(k+2)对应的(k+1)时刻逆变器输出电压预测值作为(k+1)时刻最优逆变器输出电压值U_optα(k+1)，U_optβ(k+1)；

步骤7.3，将(k+1)时刻最优逆变器输出电压值U_optα(k+1)，U_optβ(k+1)对应的开关矢量(S_a，S_b，S_c)记为(k+1)时刻三电平并网逆变器最优开关管动作信号S_opta(k+1)，S_optb(k+1)，S_optc(k+1)：所述(k+1)时刻三电平并网逆变器最优开关管动作信号S_opta(k+1)，S_optb(k+1)，S_optc(k+1)将在(k+1)时刻输出并实现对三电平并网逆变器在(k+1)时刻的开关动作；

步骤8，在(k+1)时刻，将(k+1)赋值给k，返回步骤1进行下一时刻的预测控制。