[发明专利]一种准Z源逆变器降低开关频率的模型预测控制方法

权利要求书

1.一种准Z源逆变器降低开关频率的模型预测控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1,建立准Z源逆变器的模型，过程如下：

1.1，准Z源逆变器在输出侧的电压方程为

式中，i_out是输出电流，V_out是输出电压，R、L为负载电阻和负载电感；

1.2，准Z源逆变器非直通状态下和直通状态下的电容和电压方程

非直通状态下：

直通状态下：

式中，v_in是电源电压，v_C1是电容电压，R_L1是电感的杂散电阻，i_L1是电感电流，i_inv是各个开关状态下的输出电流，L₁和C₁是准Z源网络中的电感和电容；

1.3，采用欧拉法对控制变量在采样周期为T_s的条件下进行采样，得到如下离散时间模型方程：

记当前采样时刻为t_k，下一个采样时刻为t_k+1，上一个采样时刻为t_k-1，式中T_s为采样周期，i_out(k)表示t_k时刻的输出电流采样值，i_out(k-1)表示t_k-1时刻的输出电流值，v_C1(k)表示t_k时刻的电容电压采样值，v_C1(k-1)表示t_k-1时刻的电容电压值，i_L1(k)表示t_k时刻的电感电流采样值，i_L1(k-1)表示t_k-1时刻的电感电流值；

1.4，将公式(4)分别代入公式(1)、(2)和(3)，代入完成之后将k用k+1替换，之后得到t_k+1时刻的输出电流预测值i_out(k+1)、电感电流预测值i_L1(k+1)和电容电压预测值V_C1(k+1)；

输出电流的预测值：

在非直通状态下电容电压和电感电流的预测值

在直通状态下电容电压和电感电流的预测值

式中，V_out(k+1)是输出电压矢量的预测值；

步骤2，对准Z源逆变器的电压信号、电流信号物理量进行采样，过程如下：

在t_k时刻，对准Z源逆变器的电压信号、电流信号等物理量进行采样，具体采样内容包括：电感电流i_L1和电容电压V_C1以及输出负载三相电流i_a、i_b和i_c，之后将负载三相电流i_a、i_b和i_c经过Clark变换得到三相负载电流的α、β轴上的分量i_α、i_β，记i_out＝i_α+ji_β

步骤3,对各个物理变量的参考值进行计算，过程如下：

3.1，电感电流i_{L1_ref}和电容电压V_{C1_ref}参考值的计算

通过给定的输出有功功率参考值P_{out_ref}得电感电流的参考值i_{L1_ref}，通过给定的直流母线峰值电压U_{dc_ref}和电源电压v_in得到电容电压的参考值V_{C1_ref}

3.2，计算负载三相电流的参考值i_{out_ref}

通过给定的输出有功功率参考值P_{out_ref}得到负载三相电流峰值的参考值A，

记i_{out_ref}＝i_{α_ref}+ji_{β_ref}

式中i_{a_ref}、i_{b_ref}和i_{c_ref}分别为单位三相输出电流；

3.3，各个物理量在t_k+1时刻值的计算

由于i_{L1_ref}和V_{C1_ref}是常值，所以t_k+1时刻i_{L1_ref}(k+1)的值等于i_{L1_ref}(k)

同理得t_k+1时刻V_{C1_ref}(k+1)的值等于V_{C1_ref}(k)

由于i_{out_ref}不是常值，需用矢量角补偿的方法来得到i_{out_ref}(k+1)

步骤4，将步骤2采样到的电压电流代入预测环节可以得到t_k+1时刻的三相负载电流i_out(k+1)、非直通状态下的电感电流i_L1(k+1)和电容电压V_C1(k+1)以及直通状态下的电感电流i_L1(k+1)和电容电压V_C1(k+1)；

步骤5，设计代价函数，在代价函数中加入降低开关频率的权重项，之后将八种输出电压矢量代入到系统离散模型中，得到t_k+1时刻的各个变量的预测值，最后将八种输出电压矢量各自对应的各个控制变量的预测值代入到代价函数中去；

式中V_out(k-1)为前一个时刻所确定的输出电压矢量，V_out(k)表示八种输出电压矢量，λ_i、λ_c、λ_l和λ_f分别为输出电流、电容电压、电感电流和开关频率的权重因子；

步骤6，将步骤5计算得到的最优开关状态作为当前时刻t_k的开关状态，t_k+1的开关状态也由上面的步骤得到，以此不断循环，直到出现停机指令，循环结束；

所述步骤4中，准Z源逆变器开关状态共有八种，八个开关状态分别对应八种输出电压矢量，八种输出电压矢量分别为一种传统零矢量、六种传统有效矢量和一种直通矢量，直通矢量选取三相直通；

所述传统零矢量，S₁＝0，S₂＝1，S₃＝0，S₄＝1，S₅＝0，S₆＝1，输出电压矢量V₀＝0；

所述传统有效矢量有六个，分别是：

1)S₁＝1，S₂＝0，S₃＝0，S₄＝1，S₅＝0，S₆＝1，输出电压矢量V₁＝(2/3)V_dc；

2)S₁＝1，S₂＝0，S₃＝1，S₄＝0，S₅＝0，S₆＝1，输出电压矢量

3)S₁＝0，S₂＝1，S₃＝1，S₄＝0，S₅＝0，S₆＝1，输出电压矢量

4)S₁＝0，S₂＝1，S₃＝1，S₄＝0，S₅＝1，S₆＝0，输出电压矢量V₄＝-(2/3)V_dc；

5)S₁＝0，S₂＝1，S₃＝0，S₄＝1，S₅＝1，S₆＝0，输出电压矢量

6)S₁＝1，S₂＝0，S₃＝0，S₄＝1，S₅＝1，S₆＝0，输出电压矢量

所述直通矢量，S₁＝1，S₂＝1，S₃＝1，S₄＝1，S₅＝1，S₆＝1，输出电压矢量V₇＝0。