本發(fā)明涉及三電平并網(wǎng)逆變器領(lǐng)域,特別涉及一種三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法。
背景技術(shù):
隨著分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域的迅速發(fā)展,對(duì)電能質(zhì)量和系統(tǒng)效率的要求也越來越高。三電平逆變器相比于傳統(tǒng)的兩電平逆變器具有諧波少、開關(guān)管電壓應(yīng)力小、耐壓高、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)。t型逆變器相比于其他三電平中點(diǎn)鉗位型逆變器,有兩個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn):當(dāng)輸出相電壓為直流母線電壓和零的時(shí)候,只有一個(gè)開關(guān)被導(dǎo)通,減少了開通損耗;流過每一個(gè)開關(guān)管的電流均值相等,每個(gè)開關(guān)管產(chǎn)生相同的熱量。因此,近年來t型三電平逆變器受到企業(yè)和高校的廣泛關(guān)注,前景十分廣闊。
然而,傳統(tǒng)的直接功率控制方法存在開關(guān)頻率隨采樣時(shí)間、負(fù)載參數(shù)和系統(tǒng)狀態(tài)變化而變化,產(chǎn)生分散諧波成分的問題,并且,預(yù)測算法計(jì)算量大,占用了大量的芯片資源。因此,研究一種高效及性能優(yōu)越的并網(wǎng)逆變器功率控制方法至關(guān)重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述問題,提出一種三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法,減小三電平并網(wǎng)逆變器功率控制的計(jì)算量,降低了并網(wǎng)逆變器有功功率和無功功率紋波。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法,包含以下四個(gè)步驟:
s1、三電平空間矢量調(diào)制方法采用三矢量合成,根據(jù)瞬時(shí)功率理論和直接功率預(yù)測控制方法確定目標(biāo)函數(shù);
s2、根據(jù)目標(biāo)函數(shù)取最小值確定參考矢量所在的小扇區(qū)位置;
s3、計(jì)算一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的三個(gè)矢量的分別作用時(shí)間;
s4、根據(jù)中點(diǎn)電壓平衡確定開關(guān)序列。
所述三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法步驟s1具體方法如下:
三電平t型逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態(tài):輸出電壓等于直流母線電壓、輸出電壓等于直流母線電壓的一半、輸出電壓等于0,分別設(shè)為p、o、n;因此共有27種基礎(chǔ)矢量分別為:nnn、nno、nnp、non、noo、nop、npn、npo、npp、onn、ono、onp、oon、ooo、oop、opn、opo、opp、pnn、pno、pnp、pon、poo、pop、ppn、ppo、ppp;
27個(gè)基礎(chǔ)矢量構(gòu)成的矢量圖分為六個(gè)大扇區(qū),每個(gè)大扇區(qū)分為四個(gè)小扇區(qū),每個(gè)大扇區(qū)有六種合成矢量,根據(jù)參考電壓矢量所在扇區(qū)選擇相應(yīng)的合成矢量,具體如下:
當(dāng)參考矢量位于第一小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2;
當(dāng)參考矢量位于第二小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3;
當(dāng)參考矢量位于第三小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4;
當(dāng)參考矢量位于第四小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5。
進(jìn)一步地,忽略電阻r的影響,在靜止αβ坐標(biāo)系統(tǒng)下,結(jié)合瞬時(shí)功率理論可得
其中,uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ分別表示逆變器輸出相電壓、相電流、和電網(wǎng)電壓在αβ靜止坐標(biāo)系上的值,ω、l分別為電網(wǎng)角頻率、串聯(lián)電抗器值。
在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有三個(gè)矢量vi(i=1,2,3)分別作用,設(shè)vi作用時(shí),逆變器的電壓為ui(uαi,uβi),uαi,uβi為ui在αβ靜止坐標(biāo)系上的值,作用時(shí)間為ti。
并令
則目標(biāo)函數(shù)為
其中,pref、qref分別為并網(wǎng)逆變器的有功功率和無功功率給定值,pj、qj、ts分別表示當(dāng)前有功功率值、當(dāng)前無功功率值、開關(guān)周期。
所述三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法的步驟s2具體方法如下:
第一步,將三電平并網(wǎng)逆變器空間矢量圖中2個(gè)相鄰長矢量和零矢量的6個(gè)組合分別代入目標(biāo)函數(shù)。通過6次循環(huán),求出當(dāng)j取最小值的矢量組合,得到參考矢量
第二步,將該大扇區(qū)內(nèi)的所有小扇區(qū)三矢量組合分別代入目標(biāo)函數(shù),通過4次循環(huán),求出當(dāng)j取最小值的三個(gè)矢量組合,得到參考矢量
所述三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法的步驟s3具體方法如下:
把三個(gè)矢量組合以及功率變化代入下式中,求出三個(gè)矢量的分別作用時(shí)間。
其中,eq=pref-pj、ep=qref-qj。
所述三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法的步驟s4具體方法如下:
對(duì)于第一大扇區(qū),有4個(gè)小扇區(qū),有6個(gè)矢量,可以有8個(gè)開關(guān)序列;
當(dāng)逆變器輸出功率為正,uc1>uc2時(shí)選擇p型開關(guān)序列,增加逆變器的中點(diǎn)電壓;uc1<uc2時(shí)選擇n型開關(guān)序列,減小逆變器的中點(diǎn)電壓。
第一小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列ooo-poo-ppo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)ooo-oon-onn;
第二小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pnn-pon-poo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-pnn-onn;
第三小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-poo-ppo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-oon-onn;
第四小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-ppn-ppo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)ppn-pon-oon;
當(dāng)逆變器輸出功率為負(fù)時(shí),p型開關(guān)序列和n型開關(guān)序列對(duì)中點(diǎn)電壓作用效果與輸出功率為正時(shí)相反,uc1>uc2時(shí)選擇n型開關(guān)序列,增加逆變器的中點(diǎn)電壓;uc1<uc2時(shí)選擇p型開關(guān)序列,減小逆變器的中點(diǎn)電壓。
第一小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列ooo-oon-onn;uc1<uc2對(duì)應(yīng)ooo-poo-ppo;
第二小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-pnn-onn;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pnn-pon-poo;
第三小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-oon-onn;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-poo-ppo;
第四小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列ppn-pon-oon;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-ppn-ppo;
其中,uc1、uc2分別為直流母線上電容c1兩端的電壓和直流母線下電容c2兩端的電壓。
對(duì)于其他五個(gè)大扇區(qū),以此類推。
與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:
本發(fā)明的方法可以大大減小了三電平并網(wǎng)逆變器功率控制的計(jì)算量,不需要增加額外的硬件電路,成本低;使用本發(fā)明方法可顯著降低逆變器有功功率和無功功率紋波,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)恒定的開關(guān)頻率,減小輸入諧波,具有良好的實(shí)用性。
附圖說明
圖1是t型三電平并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)圖。
圖2是三電平并網(wǎng)逆變器的空間矢量圖。
圖3是第一大扇區(qū)分區(qū)及矢量圖。
圖4-1是采用本發(fā)明方法的的輸出相電壓相電流仿真波形圖。
圖4-2是采用本發(fā)明方法的有功功率仿真波形圖。
圖4-3是采用本發(fā)明方法的無功功率仿真波形圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作詳細(xì)說明。
圖1給出了t型三電平逆變器結(jié)構(gòu)圖,包括并聯(lián)的三個(gè)橋臂,每相橋臂包括兩個(gè)串聯(lián)的igbt開關(guān)管,各相橋臂的中點(diǎn)一側(cè)串聯(lián)兩個(gè)方向不同的igbt管,另一側(cè)與電網(wǎng)連接;在并聯(lián)的各橋臂端接入同一臺(tái)直流電壓源;輸入電壓源并聯(lián)的兩個(gè)中點(diǎn)箝位電容的中點(diǎn)連接各相橋臂的兩個(gè)方向不同的igbt管的一端;各個(gè)igbt管均由控制電路驅(qū)動(dòng)。
三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法,具體實(shí)施方式包括四個(gè)步驟:第一步,三電平空間矢量調(diào)制方法采用三矢量合成,根據(jù)瞬時(shí)功率理論和直接功率控制方法確定目標(biāo)函數(shù);第二步,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)取最小值確定參考矢量所在的小扇區(qū)位置;第三步,計(jì)算一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的三個(gè)矢量的分別作用時(shí)間;第四步,根據(jù)中點(diǎn)電壓平衡確定開關(guān)序列。
所述第一步中采用三電平空間矢量三矢量調(diào)制合成并確定目標(biāo)函數(shù)的實(shí)施過程為:三電平t型逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態(tài):輸出電壓等于直流母線電壓、輸出電壓等于直流母線電壓的一半、輸出電壓等于0,分別設(shè)為p、o、n;因此共有27種基礎(chǔ)矢量分別為:nnn、nno、nnp、non、noo、nop、npn、npo、npp、onn、ono、onp、oon、ooo、oop、opn、opo、opp、pnn、pno、pnp、pon、poo、pop、ppn、ppo、ppp;
圖2為27個(gè)基礎(chǔ)矢量構(gòu)成的矢量圖,分為六個(gè)大扇區(qū),每個(gè)大扇區(qū)又可分為四個(gè)小扇區(qū),每個(gè)大扇區(qū)有六種合成矢量,圖3為第一大扇區(qū)的矢量圖,根據(jù)參考電壓矢量所在扇區(qū)選擇相應(yīng)的合成矢量,具體如下:
當(dāng)參考矢量位于第一小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2;
當(dāng)參考矢量位于第二小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3;
當(dāng)參考矢量位于第三小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4;
當(dāng)參考矢量位于第四小扇區(qū)時(shí),合成矢量選擇小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5。
所述目標(biāo)函數(shù)確定方法,具體如下:
忽略電阻r的影響,在靜止αβ坐標(biāo)系統(tǒng)下,結(jié)合瞬時(shí)功率理論可得
其中,uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ分別表示逆變器輸出相電壓、相電流、和電網(wǎng)電壓在αβ靜止坐標(biāo)系上的值,ω、l分別為電網(wǎng)角頻率、串聯(lián)電抗器值。
在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)有三個(gè)矢量vi(i=1,2,3)分別作用,設(shè)vi作用時(shí),逆變器的電壓為ui(uαi,uβi),uαi,uβi為ui在αβ靜止坐標(biāo)系上的值,作用時(shí)間為ti。
并令
則經(jīng)過一個(gè)開關(guān)周期以后,有功功率和無功功率的變換關(guān)系為
則目標(biāo)函數(shù)為
其中,pref、qref分別為并網(wǎng)逆變器的有功功率和無功功率給定值,pj、qj、ts分別表示當(dāng)前有功功率值、當(dāng)前無功功率值、開關(guān)周期;pj+1、qj+1分別表示下一時(shí)刻的有功功率值、下一時(shí)刻的無功功率值。
所述第二步中根據(jù)目標(biāo)函數(shù)取最小值確定參考矢量所在的小扇區(qū)位置的實(shí)施過程分為兩步為:
第一步,將三電平并網(wǎng)逆變器空間矢量圖中2個(gè)相鄰長矢量和零矢量的6個(gè)組合分別代入目標(biāo)函數(shù)。通過6次循環(huán),求出當(dāng)j取最小值的矢量組合,得到參考矢量
第二步,將該大扇區(qū)內(nèi)的所有小扇區(qū)三矢量組合分別代入目標(biāo)函數(shù),通過4次循環(huán),求出當(dāng)j取最小值的三個(gè)矢量組合,得到參考矢量
所述第三步中計(jì)算一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的三個(gè)矢量的分別作用時(shí)間的實(shí)施過程為:
把三個(gè)矢量組合以及功率變化代入下式中,求出三個(gè)矢量的分別作用時(shí)間。
其中,eq=pref-pj、ep=qref-qj。
所述第四步中根據(jù)中點(diǎn)電壓平衡確定開關(guān)序列的實(shí)施過程為:
對(duì)于第一大扇區(qū),有4個(gè)小扇區(qū),有6個(gè)矢量,可以有8個(gè)開關(guān)序列;
當(dāng)逆變器輸出功率為正,uc1>uc2時(shí)選擇p型開關(guān)序列,增加逆變器的中點(diǎn)電壓;uc1<uc2時(shí)選擇n型開關(guān)序列,減小逆變器的中點(diǎn)電壓。
第一小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列ooo-poo-ppo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)ooo-oon-onn;
第二小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pnn-pon-poo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-pnn-onn;
第三小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-poo-ppo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-oon-onn;
第四小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-ppn-ppo;uc1<uc2對(duì)應(yīng)ppn-pon-oon;
當(dāng)逆變器輸出功率為負(fù)時(shí),p型開關(guān)序列和n型開關(guān)序列對(duì)中點(diǎn)電壓作用效果與輸出功率為正時(shí)相反,uc1>uc2時(shí)選擇n型開關(guān)序列,增加逆變器的中點(diǎn)電壓;uc1<uc2時(shí)選擇p型開關(guān)序列,減小逆變器的中點(diǎn)電壓。
第一小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列ooo-oon-onn;uc1<uc2對(duì)應(yīng)ooo-poo-ppo;
第二小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-pnn-onn;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pnn-pon-poo;
第三小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列pon-oon-onn;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-poo-ppo;
第四小扇區(qū),uc1>uc2對(duì)應(yīng)開關(guān)序列ppn-pon-oon;uc1<uc2對(duì)應(yīng)pon-ppn-ppo;
其中,uc1、uc2分別為直流母線上電容c1兩端的電壓和直流母線下電容c2兩端的電壓。
對(duì)于其他五個(gè)大扇區(qū),以此類推。
圖4-1、4-2、4-3是采用本發(fā)明的三電平并網(wǎng)逆變器恒定開關(guān)頻率模型預(yù)測控制方法時(shí)的仿真波形圖,在0.1秒之后開始控制,其中圖4-1為輸出相電壓和相電流波形圖,圖4-2為有功功率波形圖,圖4-3為無功功率波形圖,仿真結(jié)果:輸出電壓電流諧波小,具有較好的諧波抑制功能,并網(wǎng)逆變器有功功率和無功功率紋波小,具有較好的動(dòng)靜態(tài)性能,充分證明了本發(fā)明的實(shí)用性。
上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式,但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制,其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化,均應(yīng)為等效的置換方式,都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。