[发明专利]基于MPCC-DSVM的三电平T型逆变器中点电位平衡方法

说明书

本发明针对传统模型预测控制开关频率不固定、三电平T型逆变器中点电位不平衡等问题，提出了基于MPCC‑DSVM的三电平T型逆变器中点电位平衡方法，通过由实矢量线性组合生成虚拟矢量，有效降低了输出电流纹波，实现了开关频率固定；引入的特定的虚拟矢量消除了中点电位的低频振荡，避免了权重因子的选择；同时通过Matlab/Simulink验证了该控制策略的可行性和有效性，仿真结果表明，本发明实现了开关频率固定，有效提高了输出电流质量，能够实现中点电位平衡，并保证了系统动态响应性能。

技术领域

本发明属于电力电子领域，尤其涉及基于MPCC-DSVM的三电平T型逆变器中点电位平衡方法。

背景技术

在当今新能源发电和电动汽车领域快速发展的大背景下，三电平逆变器发挥着重要作用。与三相两电平逆变器相比，三电平逆变器具有较低的输出电压和电流谐波、较小的开关功率器件的电压应力，功率密度高等优点，已被广泛用于工业应用，如可再生发电系统和电机驱动等，其控制性能直接影响系统的安全可靠运行。对三电平T型逆变器的控制方法是当前的研究热点。常用的控制器包括比例积分(PI)控制、比例谐振(PR)控制和无差拍控制。然而，PI控制器难以平衡稳态和瞬态性能，当输出电流的频率改变时，PR控制器具有较差的控制性能。对于无差拍控制，它受系统参数的影响较大，当系统参数发生变化时，控制性能会变差。有限控制集模型预测控制(Finite Control Set-Model PredictiveControl,FCS-MPC)由于其快速的动态响应，控制简单，鲁棒性较好，能够处理多个控制目标和约束条件的优点，近些年来被广泛应用于电力电子领域中。然而，FCS-MPC也存在很多缺点，当电压矢量增多时，将导致非常高的计算负担。同时，由于FCS-MPC的开关频率不固定，增加了滤波器设计的难度。

开关频率不固定一直是模型预测控制的一大挑战。近年来，多矢量模型预测电流控制在三电平变换器中得到了广泛研究。利用跟踪误差最小化的方法计算各个扇区的最优占空比，再应用对称的七段电压矢量序列，实现了固定开关频率。然而从24个扇区中选出一个矢量，其计算量很大，此外，跟踪参考的性能无法保证。提出了一种四阶段固定开关频率的MPC方法，通过扇区和子扇区的选择确定所需扇区，计算量相对减小，然而四步计算过程复杂。现有技术针对T型逆变器提出了无差拍预测电流控制，有效抑制了控制延时所导致的并网电流畸变，实现了FCS-MPC的定频控制，然而此方法对系统采样精度要求较高，启动过程存在较大超调且影响整机的可靠运行。为改善传统MPC算法的不足，又提出了一种新型的基于离散空间矢量调制的模型预测控制算法，通过引入虚拟矢量的方式实现了在单个开关周期内输出多个电压矢量，实现固定开关频率，改善并网电流纹波。

三电平逆变器另一个基本问题是中点电压平衡(Neutral Point VoltageBalance,NPVB)，一般来说，NPVB是通过在成本函数中增加额外的一项实现的，每个控制目标的性能彼此间是耦合的。因此调节权重因子对于多目标函数设计是一项难题，到目前为止还没有明确的方法指导。现有技术针对T型三电平并网逆变器中点电位波动问题提出了电流模型预测控制算法，有效解决了由负载不均衡或电容值不相等所导致的中点直流波动现象，然而寻优过程复杂导致控制器运算繁琐。此外仅选择与参考矢量相邻的候选矢量，有效地减少了候选矢量的数目。其次选择合适的冗余小矢量来平衡其NPV，消除了权重因子。

针对三电平T型逆变器提出了使用离散空间矢量(DSV)的MPC方法，该方法可以减少计算时间和输出电流纹波。然而，DSV的设计并未考虑其对NPV的影响，还需专门设计一个目标函数用于平衡直流侧电容电压。又有提出了基于DSVM的改进的FCS-MPC，实现了较低的输出电流THD和平衡的中点电位，但是它仅考虑了6个虚拟矢量，相比于传统MPC限制了整体的控制性能。还可以使用冗余电压矢量调节NPV振荡，无需在成本函数中添加直流链路电容电压平衡项，但若MPC选择的候选矢量是中矢量，这种方法就不适用，因此将MPC的工作区域限制在某些调制指数。对三电平电压源逆变器应用不影响NPV的虚拟矢量，实现了直流侧电容电压平衡，同时避免了权重因子的调节，但使用多个虚拟矢量增加了开关损耗。

发明内容