[发明专利]一种不对称电压下基于NPC拓扑并网逆变器的模型预测电流控制方法

摘要

本发明涉及一种不对称电压下基于NPC拓扑并网逆变器的模型预测电流控制方法，将模型预测电流控制技术引入到NPC并网逆变器的控制。在电力系统发生不对称故障情况下，为了准确跟踪系统正序电压相角引入解耦双同步参考坐标系锁相环(DDSRF-PLL)锁相技术对正序电压相角进行跟踪；在此基础上，利用DDSRF-PLL解耦后得到的基频电压正负序分量，结合瞬时功率理论，实现抑制负序电流分量、有功功率和无功功率震荡为控制目标的模型预测电流控制；在控制过程中，为保证NPC并网逆变器DC侧电容电压平衡在代价函数中加入权重系数项。本发明的整个控制过程减少了PI控制器使用，增强了系统的响应速度，使得并网逆变器网侧端具有更高电能质量和稳定性。

主权项

一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤，步骤S1：选取并网逆变器系统的参数，并网点的电压等级；步骤S2：确定三相三电平中性点钳位NPC并网逆变器的m种开关状态数以及各开关状态对应的NPC并网逆变器输出电压值；步骤S3：建立NPC并网逆变器的数学模型；NPC逆变器输出电压矢量为：$v=\frac{2}{3}(v_{ao}+{\mathrm{av}}_{bo}+a^2{v}_{co})$其中：a为单位矢量，步骤S4：根据基尔霍夫电压方程建立NPC并网逆变器的负荷数学模型：由$\left\{\begin{array}{c}{v}_{ao}=L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+{\mathrm{Ri}}_a+e_a+v_{no}\\ v_{bo}=L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+{\mathrm{Ri}}_b+e_b+v_{no}\\ v_{co}=L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+{\mathrm{Ri}}_c+e_c+v_{no}\end{array}\right.$得到负荷数学模型：$v=L\frac{di}{dt}+Ri+e$其中：R为滤波电感内阻和线路等效电阻和；L为滤波电感；v为NPC逆变器输出电压矢量；i为负载电流矢量；e为电网电压矢量。v_ao、v_bo、v_co分别为NPC并网逆变器输出的A、B、C相的相电压；步骤S5：建立直流侧电容电压数学模型：对于直流侧电容有如下动态方程：$\left\{\begin{array}{c}{i}_{c1}=C\frac{{\mathrm{dv}}_{c1}}{dt}\\ i_{c2}=C\frac{{\mathrm{dv}}_{c2}}{dt}\end{array}\right.$其中：C为上下两个电容的参数值；步骤S6：对当前时刻的并网电流i_(k)、电网电压e_abc(k)、直流侧电容电压v_c1(k)和v_c2(k)进行采样；步骤S7：利用双同步旋转坐标系锁相环对电网电压正序基频分量进行相位跟踪，同时利用该锁相环来分离电网电压中的正序dq轴分量(v_d⁺、v_q⁺)和负序dq轴分量(v_d^‑、v_q^‑)，这四个分量将用于步骤S8中参考电流的计算；步骤S8：在恒幅值Clark变换下，求NPC并网逆变器向电网输送的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为：$\left\{\begin{array}{c}p=P_0+P_{c2}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+P_{s2}sin\left(2\mathrm{\ω}t\right)\\ q=Q_0+Q_{c2}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+Q_{s2}sin\left(2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right.$其中：$\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ Q_0\\ P_{c2}\\ Q_{c2}\\ P_{s2}\\ Q_{s2}\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{cccc}{v}_d^{+}& v_q^{+}& v_d^{-}& v_q^{-}\\ v_q^{+}& -v_d^{+}& v_q^{-}& -v_d^{-}\\ v_d^{-}& v_q^{-}& v_d^{+}& v_q^{+}\\ v_q^{-}& -v_d^{-}& v_q^{+}& -v_d^{+}\\ v_q^{-}& -v_d^{-}& -v_q^{+}& v_d^{+}\\ -v_d^{-}& -v_q^{-}& v_d^{+}& v_q^{+}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d^{+}\\ i_q^{+}\\ i_d^{-}\\ i_q^{-}\end{array}\right]$在电网电压不对称情况下，有三种控制目标：(1)抑制并网电流中的负序分量(即令i^‑_{d_ref}＝i^‑_{q_ref}＝0)；(2)抑制逆变器输出有功功率振荡(即令P_s2＝P_c2＝0)；(3)抑制逆变器输出无功功率振荡(即令Q_s2＝Q_c2＝0)；步骤S9：求取k时刻电网的电压值；$e_{\left(k\right)}=e_{(k-1)}=v_{(k-1)}-\frac{L}{T_s}{i}_{\left(k\right)}-(R-\frac{L}{T_s})i_{(k-1)}$其中：T_s为系统采样时间；步骤S10：利用前向欧拉逼近公式对电容电压数学模型进行离散化，用于预测求取k+1时刻的电容电压值：$\left\{\begin{array}{c}{v}_{c1(k+1)}=v_{c1\left(k\right)}+\frac{T_s}{C}\·i_{c1\left(k\right)}\\ v_{c2(k+1)}=v_{c2\left(k\right)}+\frac{T_s}{C}\·i_{c2\left(k\right)}\end{array}\right.;$步骤S11：利用前向欧拉逼近公式对NPC并网逆变器的负荷数学模型进行离散化，用于预测求取k+1时刻的并网电流值：$i_{(k+1)}=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})i_{\left(k\right)}+\frac{T_s}{L}(v_{\left(k\right)}-e_{\left(k\right)});$步骤S12：建立模型预测控制的代价函数，用于评价NPC并网逆变所具有的所有开关状态，选择使代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；所建立的代价函数为：f＝|i_{α_ref}‑i_α(k+1)|+|i_{β_ref}‑i_β(k+1)|+λ|v_c1(k+1)‑v_c2(k+1)|其中：i_{α_ref}和i_{β_ref}分别通过步骤S8中根据控制目标算出的参考电流在α轴和β轴上的分解量；i_α(k+1)和i_β(k+1)分别为通过所述步骤S11中预测模型所预测得到的k+1时刻并网电流在α轴和β轴上的分解量；v_c1(k+1)和v_c2(k+1)分别为通过所述步骤S10中预测模型所预测得到的k+1时刻直流侧上下电容的电压值；λ为惯性权重系数，其取值大小会影响电流控制的精度，λ值取的越大，对电容电压平衡效果就会越强，但是电流跟踪效果会被削弱；步骤S13：对所述步骤S12中算出的所有代价函数值进行保存；步骤S14：对所述步骤S13中保存的代价函数值进行排序，选择使得代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；步骤S15：等待下一个采样时刻，返回所述步骤S6。