一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國(guó)家對(duì)新能源的重視程度不斷增加，光伏產(chǎn)業(yè)近幾年發(fā)展非常迅速，提高電 能質(zhì)量、減少諧波污染、提高發(fā)電系統(tǒng)的效率及功率是目前各種逆變器的重要參數(shù)。近幾年 高壓輸電技術(shù)越來(lái)越普及，高壓輸電成為一種大勢(shì)所趨。傳統(tǒng)提高系統(tǒng)耐壓的方法是選擇 耐高壓的器件作為變換器的開(kāi)關(guān)管，該樣雖然能提高系統(tǒng)耐壓，但提升空間有限，而且容易 造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此選擇其他方法增加系統(tǒng)耐壓異常重要。
[0003] 模塊化多電平變換器采用多個(gè)模塊級(jí)聯(lián)的方法，通過(guò)此方法有效的解決了開(kāi)關(guān)器 件耐壓的問(wèn)題，通過(guò)將每個(gè)模塊的電壓級(jí)聯(lián)并用正確的控制方法即可實(shí)現(xiàn)大范圍的電壓和 功率應(yīng)用問(wèn)題。此種變換器由于高度的模塊化，因此可W實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可伸縮性。目前高壓 輸電分為高壓直流和高壓交流輸電，而該種變換器不僅能夠應(yīng)用于高壓直流而且同樣能夠 應(yīng)用于高壓交流輸電中，而且此變換器能夠通過(guò)改變調(diào)制策略使同一臺(tái)設(shè)備分為處于整流 或者逆變的不同模式，無(wú)論是高壓直流還是高壓交流輸電，該種變換器都能在輸電系統(tǒng)兩 端處于整流或者逆變的工作狀態(tài)，所W該種變換器在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)普遍投入使用。
[0004] 模塊化多電平變換器傳統(tǒng)的控制策略是反饋信號(hào)通過(guò)PI調(diào)節(jié)或其他調(diào)節(jié)方式調(diào) 節(jié)后送入SPWM產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)或者其他控制策略實(shí)現(xiàn)整流或者逆變功能，傳統(tǒng)的調(diào)制策略 在逆變器工作過(guò)程中需要經(jīng)過(guò)大量的運(yùn)算才能滿足輸出要求，所W系統(tǒng)需要很長(zhǎng)的時(shí)間經(jīng) 過(guò)復(fù)雜的計(jì)算才能輸出滿足要求的電流和電壓波形，因此傳統(tǒng)的調(diào)制方法的動(dòng)、靜態(tài)性能 不好。而預(yù)測(cè)控制能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)當(dāng)前情況估計(jì)下一時(shí)刻系統(tǒng)需要投入的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，從而實(shí) 現(xiàn)電壓和電流的精確控制。由于預(yù)測(cè)控制能精確的選擇下一時(shí)刻系統(tǒng)所需要的開(kāi)關(guān)狀態(tài)， 預(yù)測(cè)控制通過(guò)預(yù)測(cè)獲得k+1時(shí)刻負(fù)載電流或者電壓的參考值，通過(guò)選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)令k+1時(shí) 刻負(fù)載電流或電壓準(zhǔn)確跟蹤上參考電流或電壓，即W下一時(shí)刻跟蹤誤差為最小為前提，通 過(guò)建立的系統(tǒng)線性模型預(yù)測(cè)出下一時(shí)刻的輸出狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)逆變器的控制?；谠搨€(gè)假設(shè)， 對(duì)任意的參考波形，該種控制方法都可W經(jīng)過(guò)一個(gè)采樣周期就完全跟蹤上參考波形。因此 預(yù)測(cè)控制能夠提高系統(tǒng)的性能，并且實(shí)現(xiàn)電流和電壓的高動(dòng)態(tài)輸出。
[0005] 預(yù)測(cè)控制具有跟蹤速度快，諧波小，開(kāi)關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用到逆變器、 整流器、有源濾波器、不間斷電源的控制中。因此，研究一種適用于模塊化多電平變換器的 預(yù)測(cè)控制策略非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為了解決上述問(wèn)題，提出了一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，該 方法能夠很好的解決系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[000引一種模塊化多電平逆變器，包括輸入電源，輸入電源連接=相橋臂，每相橋臂包括 上、下橋臂，且上下橋臂結(jié)構(gòu)對(duì)稱，均包括n個(gè)串聯(lián)的子模塊管和靠近中性點(diǎn)的電感，其中 每個(gè)模塊內(nèi)包括兩個(gè)串聯(lián)的IGBT和一個(gè)與之并聯(lián)的電容，每相橋臂的中性點(diǎn)經(jīng)濾波器與 電阻連接后并網(wǎng)。
[0009] 所述濾波器為L(zhǎng)C濾波電路，且其中的電容公共端接地。
[0010] 所述中性點(diǎn)按照相分別標(biāo)記為a、b和C。
[0011] 所述輸出電源分別為UA、Ue和Uc。
[0012] 一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，包括W下步驟：
[0013] (1)對(duì)模塊化多電平逆變器進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立拓?fù)淠Ｐ停?br>[0014] (2)利用拉格朗日二次插值預(yù)測(cè)電流信號(hào)；
[001引 做考慮電阻的影響，利用后向差分，改寫(xiě)S相電壓及電流變換到aP坐標(biāo)系下；
[0016] (4)進(jìn)行二維向S維坐標(biāo)的變換，將S相投入不同子模塊的輸出電壓和與不同狀 態(tài)下ABCS相輸出電壓相比較，選擇每相投入子模塊數(shù)量；
[0017] (5)應(yīng)用半橋臂子模塊電容電壓均衡原理，根據(jù)電流處于給子模塊電容充電還是 放電模式，選擇相應(yīng)的子模塊投入系統(tǒng)。
[00化]所述步驟（1)中，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種模塊化多電平逆變器，其特征是：包括輸入電源，輸入電源連接三相橋臂，每相 橋臂包括上、下橋臂，且上下橋臂結(jié)構(gòu)對(duì)稱，均包括N個(gè)串聯(lián)的子模塊管和靠近中性點(diǎn)的電 感，其中每個(gè)模塊內(nèi)包括兩個(gè)串聯(lián)的IGBT和一個(gè)與之并聯(lián)的電容，每相橋臂的中性點(diǎn)經(jīng)濾 波器與電阻連接后并網(wǎng)。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種模塊化多電平逆變器，其特征是：所述濾波器為L(zhǎng)C濾波電 路，且其中的電容公共端接地。
3. -種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：包括以下步驟： (1) 對(duì)模塊化多電平逆變器進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，建立拓?fù)淠Ｐ停? (2) 利用拉格朗日二次插值預(yù)測(cè)電流信號(hào)； (3) 考慮電阻的影響，利用后向差分，改寫(xiě)三相電壓及電流變換到a0坐標(biāo)系下； (4) 進(jìn)行二維向三維坐標(biāo)的變換，將三相投入不同子模塊的輸出電壓和與不同狀態(tài)下 ABC三相輸出電壓相比較，選擇每相投入子模塊數(shù)量； (5) 應(yīng)用半橋臂子模塊電容電壓均衡原理，根據(jù)電流處于充電還是放電模式，選擇相應(yīng) 的子模塊投入系統(tǒng)。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：所述步 驟（1)中
：其中i=a、b、c，I=AjXhLiSLCR濾波器的電感大小， R為電阻大小。
5. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：所述步 驟⑴中，由于三相中每相上、下橋臂都有一個(gè)電感La"所以，
其中，i=a、b、c，Ui為變換器輸出未濾波電壓，I=A、B、C，Ul為電網(wǎng)電壓，"為三相電 流大小，1^為L(zhǎng)CR濾波器的電感大小，La"為各相上下各橋臂中電感的大小，R為電阻大??； 通過(guò)將三相電壓及電流經(jīng)過(guò)3-2變換到a0坐標(biāo)系下，可
;中《. 為在a0坐標(biāo)系下逆變器輸出未濾波電壓大 小，ua、up為在a0坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓大小，ia、ip為在a0坐標(biāo)系下電流大小，1^為L(zhǎng)CR濾波器的電感大小，La"為各相上下各橋臂中電感的大小，R為電阻大小。
6. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：所述步 驟⑵中，由于i(k+1)不能通過(guò)測(cè)量得到，因此需要經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)來(lái)得到其下一步該取的值，在 此利用拉格朗日二次插值定理求得：i(k+1) = 3i(k)-3i(k-l)+i(k-2)。
7. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：
所述步驟（3)中，采用后向差分法，S[ ?將上式中的$ ^分別用 di、df
代替，其他參數(shù)不變，因此，可得到以下等式：
， 此處，為了得到(々+ 1)和"/r(/v+ 1)的大小所以上式中的k時(shí)刻替換成k+1時(shí)刻，應(yīng) 變成：
而此處，為了使電流為最終目標(biāo)電流所以上式中的ia(k+l)、ip(k+l)應(yīng)變成i'a (k+1)、i'p (k+1)，由此可得：
其中i，a (k+1) = 3i，a (k)-3i，a (k-l)+i，^ (k-2)、i，p (k+1) = 3i，p (k)-3i，p (k-l)+i'p (k_2); i'a (k+l)、i'e (k+1)分別為a0坐標(biāo)系下對(duì)目標(biāo)電流的預(yù)測(cè)值，i'a (k)、i'e (k)分別 為k時(shí)刻在a 坐標(biāo)系下目標(biāo)電流的大小，< (々+ 1) <卜+ 1)分別為a 0坐標(biāo)系下k+1 、 時(shí)刻的變換器輸出未濾波的電壓，ua(k+l)、up(k+l)分別為a0坐標(biāo)系下k+1時(shí)刻電網(wǎng)電 壓，1。〇〇、％〇〇分別為（10坐標(biāo)系下1^時(shí)刻的電流值乂1為1〇?濾波器的電感大小，1^" 為各相上下各橋臂中電感的大小，R為電阻大小。
8. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：所述步 驟⑷中，通過(guò)得到的^ 0 + ])和~ (> + 1)的大小，將0 + ])和~+ 1)經(jīng)過(guò)二維至三 維坐標(biāo)變換后即可得到在ABC域下的",,（々+〇、弋（々 + !)、",,（/<+1)的大小，由于ABC三 相投入不同子模塊數(shù)量的情況下輸出電壓不同，因此可將上面三個(gè)值與不同狀態(tài)下ABC三 相輸出電壓相比較，其中最接近以上三個(gè)值的投入子模塊數(shù)量為系統(tǒng)最終選擇。
9. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：所述步 驟（5)中，在任一橋臂，橋臂電流的方向控制被投入子模塊電容是充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)； 檢測(cè)每個(gè)橋臂子模塊電容電壓的值，然后根據(jù)橋臂電流方向決定投入哪個(gè)子模塊。
10. 如權(quán)利要求3所述的一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，其特征是：所述步 驟（5)中，當(dāng)電流方向?yàn)閷?duì)投入子模塊充電時(shí)，檢測(cè)橋臂中各模塊的電容電壓，選擇相應(yīng)電 壓從低到高的設(shè)定個(gè)數(shù)的子模塊投入到系統(tǒng)中，就會(huì)使這些模塊的電容充電；當(dāng)電流方向 為對(duì)投入子模塊放電時(shí)，檢測(cè)橋臂中各模塊的電容電壓，選擇相應(yīng)電壓從高到低的設(shè)定個(gè) 數(shù)的子模塊投入到系統(tǒng)中，就會(huì)使這些模塊的電容放電。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種模塊化多電平逆變器的預(yù)測(cè)控制方法，該控制方法在傳統(tǒng)各子模塊電容電壓排序原理的基礎(chǔ)上采用預(yù)測(cè)控制，預(yù)測(cè)控制具有跟蹤速度快，諧波小，開(kāi)關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的調(diào)制方法需要將采樣電流變換到dq坐標(biāo)系下經(jīng)過(guò)PI環(huán)節(jié)產(chǎn)生調(diào)制波，調(diào)制波經(jīng)過(guò)與三角波比較形成SPWM調(diào)制波，完成這一過(guò)程需要大量的運(yùn)算。而本發(fā)明提出的預(yù)測(cè)控制，運(yùn)算量相對(duì)較小，而且具有跟蹤快、諧波小、開(kāi)關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn)。
【IPC分類】H02M7-483, H02M7-5387
【公開(kāi)號(hào)】CN104811069
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510243021
【發(fā)明人】杜春水, 張桐盛, 張承慧, 邢相洋
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月29日
【申請(qǐng)日】2015年5月13日