本發明涉及三電平并網逆變器領域，特別涉及一種三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法。

背景技術：

隨著分布式電源、儲能系統、電動汽車等領域的迅速發展，對電能質量和系統效率的要求也越來越高。三電平逆變器相比于傳統的兩電平逆變器具有諧波少、開關管電壓應力小、耐壓高、電磁干擾小等優點。t型逆變器相比于其他三電平中點鉗位型逆變器，有兩個主要的優點：當輸出相電壓為直流母線電壓和零的時候，只有一個開關被導通，減少了開通損耗；流過每一個開關管的電流均值相等，每個開關管產生相同的熱量。因此，近年來t型三電平逆變器受到企業和高校的廣泛關注，前景十分廣闊。

然而，傳統的直接功率控制方法存在開關頻率隨采樣時間、負載參數和系統狀態變化而變化，產生分散諧波成分的問題，并且，預測算法計算量大，占用了大量的芯片資源。因此，研究一種高效及性能優越的并網逆變器功率控制方法至關重要。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述問題，提出一種三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法，減小三電平并網逆變器功率控制的計算量，降低了并網逆變器有功功率和無功功率紋波。

為了實現上述目的，本發明通過如下技術方案實現：

一種三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法，包含以下四個步驟：

s1、三電平空間矢量調制方法采用三矢量合成，根據瞬時功率理論和直接功率預測控制方法確定目標函數；

s2、根據目標函數取最小值確定參考矢量所在的小扇區位置；

s3、計算一個開關周期內的三個矢量的分別作用時間；

s4、根據中點電壓平衡確定開關序列。

所述三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法步驟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：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，分別設為p、o、n；因此共有27種基礎矢量分別為：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個基礎矢量構成的矢量圖分為六個大扇區，每個大扇區分為四個小扇區，每個大扇區有六種合成矢量，根據參考電壓矢量所在扇區選擇相應的合成矢量，具體如下：

當參考矢量位于第一小扇區時，合成矢量選擇零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2；

當參考矢量位于第二小扇區時，合成矢量選擇小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3；

當參考矢量位于第三小扇區時，合成矢量選擇小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4；

當參考矢量位于第四小扇區時，合成矢量選擇小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5。

進一步地，忽略電阻r的影響，在靜止αβ坐標系統下，結合瞬時功率理論可得

其中，uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ分別表示逆變器輸出相電壓、相電流、和電網電壓在αβ靜止坐標系上的值，ω、l分別為電網角頻率、串聯電抗器值。

在一個開關周期內有三個矢量vi(i＝1，2，3)分別作用，設vi作用時，逆變器的電壓為ui(uαi，uβi)，uαi，uβi為ui在αβ靜止坐標系上的值，作用時間為ti。

并令

則目標函數為

其中，pref、qref分別為并網逆變器的有功功率和無功功率給定值，pj、qj、ts分別表示當前有功功率值、當前無功功率值、開關周期。

所述三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法的步驟s2具體方法如下：

第一步，將三電平并網逆變器空間矢量圖中2個相鄰長矢量和零矢量的6個組合分別代入目標函數。通過6次循環，求出當j取最小值的矢量組合，得到參考矢量所在的大扇區位置。

第二步，將該大扇區內的所有小扇區三矢量組合分別代入目標函數，通過4次循環，求出當j取最小值的三個矢量組合，得到參考矢量在三電平空間矢量圖中所處的小扇區位置。

所述三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法的步驟s3具體方法如下：

把三個矢量組合以及功率變化代入下式中，求出三個矢量的分別作用時間。

其中，eq＝pref-pj、ep＝qref-qj。

所述三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法的步驟s4具體方法如下：

對于第一大扇區，有4個小扇區，有6個矢量，可以有8個開關序列；

當逆變器輸出功率為正，uc1＞uc2時選擇p型開關序列，增加逆變器的中點電壓；uc1＜uc2時選擇n型開關序列，減小逆變器的中點電壓。

第一小扇區，uc1＞uc2對應開關序列ooo-poo-ppo；uc1＜uc2對應ooo-oon-onn；

第二小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pnn-pon-poo；uc1＜uc2對應pon-pnn-onn；

第三小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-poo-ppo；uc1＜uc2對應pon-oon-onn；

第四小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-ppn-ppo；uc1＜uc2對應ppn-pon-oon；

當逆變器輸出功率為負時，p型開關序列和n型開關序列對中點電壓作用效果與輸出功率為正時相反，uc1＞uc2時選擇n型開關序列，增加逆變器的中點電壓；uc1＜uc2時選擇p型開關序列，減小逆變器的中點電壓。

第一小扇區，uc1＞uc2對應開關序列ooo-oon-onn；uc1＜uc2對應ooo-poo-ppo；

第二小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-pnn-onn；uc1＜uc2對應pnn-pon-poo；

第三小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-oon-onn；uc1＜uc2對應pon-poo-ppo；

第四小扇區，uc1＞uc2對應開關序列ppn-pon-oon；uc1＜uc2對應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。

對于其他五個大扇區，以此類推。

與現有技術相比，本發明具有如下優點和技術效果：

本發明的方法可以大大減小了三電平并網逆變器功率控制的計算量，不需要增加額外的硬件電路，成本低；使用本發明方法可顯著降低逆變器有功功率和無功功率紋波，同時可實現恒定的開關頻率，減小輸入諧波，具有良好的實用性。

附圖說明

圖1是t型三電平并網逆變器結構圖。

圖2是三電平并網逆變器的空間矢量圖。

圖3是第一大扇區分區及矢量圖。

圖4-1是采用本發明方法的的輸出相電壓相電流仿真波形圖。

圖4-2是采用本發明方法的有功功率仿真波形圖。

圖4-3是采用本發明方法的無功功率仿真波形圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實例對本發明的具體實施方式作詳細說明。

圖1給出了t型三電平逆變器結構圖，包括并聯的三個橋臂，每相橋臂包括兩個串聯的igbt開關管，各相橋臂的中點一側串聯兩個方向不同的igbt管，另一側與電網連接；在并聯的各橋臂端接入同一臺直流電壓源；輸入電壓源并聯的兩個中點箝位電容的中點連接各相橋臂的兩個方向不同的igbt管的一端；各個igbt管均由控制電路驅動。

三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法，具體實施方式包括四個步驟：第一步，三電平空間矢量調制方法采用三矢量合成，根據瞬時功率理論和直接功率控制方法確定目標函數；第二步，根據目標函數取最小值確定參考矢量所在的小扇區位置；第三步，計算一個開關周期內的三個矢量的分別作用時間；第四步，根據中點電壓平衡確定開關序列。

所述第一步中采用三電平空間矢量三矢量調制合成并確定目標函數的實施過程為：三電平t型逆變器每一相的輸出電平都有三種狀態：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，分別設為p、o、n；因此共有27種基礎矢量分別為：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個基礎矢量構成的矢量圖，分為六個大扇區，每個大扇區又可分為四個小扇區，每個大扇區有六種合成矢量，圖3為第一大扇區的矢量圖，根據參考電壓矢量所在扇區選擇相應的合成矢量，具體如下：

當參考矢量位于第一小扇區時，合成矢量選擇零矢量v0、小矢量v1、小矢量v2；

當參考矢量位于第二小扇區時，合成矢量選擇小矢量v1、中矢量v4、大矢量v3；

當參考矢量位于第三小扇區時，合成矢量選擇小矢量v1、小矢量v2、中矢量v4；

當參考矢量位于第四小扇區時，合成矢量選擇小矢量v2、中矢量v4、大矢量v5。

所述目標函數確定方法，具體如下：

忽略電阻r的影響，在靜止αβ坐標系統下，結合瞬時功率理論可得

其中，uα、uβ、iα、iβ、eα、eβ分別表示逆變器輸出相電壓、相電流、和電網電壓在αβ靜止坐標系上的值，ω、l分別為電網角頻率、串聯電抗器值。

在一個開關周期內有三個矢量vi(i＝1，2，3)分別作用，設vi作用時，逆變器的電壓為ui(uαi，uβi)，uαi，uβi為ui在αβ靜止坐標系上的值，作用時間為ti。

并令

則經過一個開關周期以后，有功功率和無功功率的變換關系為

則目標函數為

其中，pref、qref分別為并網逆變器的有功功率和無功功率給定值，pj、qj、ts分別表示當前有功功率值、當前無功功率值、開關周期；pj+1、qj+1分別表示下一時刻的有功功率值、下一時刻的無功功率值。

所述第二步中根據目標函數取最小值確定參考矢量所在的小扇區位置的實施過程分為兩步為：

第一步，將三電平并網逆變器空間矢量圖中2個相鄰長矢量和零矢量的6個組合分別代入目標函數。通過6次循環，求出當j取最小值的矢量組合，得到參考矢量所在的大扇區位置。

第二步，將該大扇區內的所有小扇區三矢量組合分別代入目標函數，通過4次循環，求出當j取最小值的三個矢量組合，得到參考矢量在三電平空間矢量圖中所處的小扇區位置。

所述第三步中計算一個開關周期內的三個矢量的分別作用時間的實施過程為：

把三個矢量組合以及功率變化代入下式中，求出三個矢量的分別作用時間。

其中，eq＝pref-pj、ep＝qref-qj。

所述第四步中根據中點電壓平衡確定開關序列的實施過程為：

對于第一大扇區，有4個小扇區，有6個矢量，可以有8個開關序列；

當逆變器輸出功率為正，uc1＞uc2時選擇p型開關序列，增加逆變器的中點電壓；uc1＜uc2時選擇n型開關序列，減小逆變器的中點電壓。

第一小扇區，uc1＞uc2對應開關序列ooo-poo-ppo；uc1＜uc2對應ooo-oon-onn；

第二小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pnn-pon-poo；uc1＜uc2對應pon-pnn-onn；

第三小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-poo-ppo；uc1＜uc2對應pon-oon-onn；

第四小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-ppn-ppo；uc1＜uc2對應ppn-pon-oon；

當逆變器輸出功率為負時，p型開關序列和n型開關序列對中點電壓作用效果與輸出功率為正時相反，uc1＞uc2時選擇n型開關序列，增加逆變器的中點電壓；uc1＜uc2時選擇p型開關序列，減小逆變器的中點電壓。

第一小扇區，uc1＞uc2對應開關序列ooo-oon-onn；uc1＜uc2對應ooo-poo-ppo；

第二小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-pnn-onn；uc1＜uc2對應pnn-pon-poo；

第三小扇區，uc1＞uc2對應開關序列pon-oon-onn；uc1＜uc2對應pon-poo-ppo；

第四小扇區，uc1＞uc2對應開關序列ppn-pon-oon；uc1＜uc2對應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。

對于其他五個大扇區，以此類推。

圖4-1、4-2、4-3是采用本發明的三電平并網逆變器恒定開關頻率模型預測控制方法時的仿真波形圖，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，仿真結果：輸出電壓電流諧波小，具有較好的諧波抑制功能，并網逆變器有功功率和無功功率紋波小，具有較好的動靜態性能，充分證明了本發明的實用性。

上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。