一种三相三电平逆变器控制方法和系统

技术领域

本申请涉及电力电子系统技术领域，尤其涉及一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法和系统。

背景技术

新能源发电已日益成为能源领域关注的重点，逆变器承担着将直流转化为交流的职能，是新能源发电的关键设备，逆变器的控制也成为了该领域的技术研究热点。由于具有输出电压谐波小，效率高等优点，三电平逆变器被广泛地应用在新能源发电与储能系统中。三电平逆变器的控制器设计是影响性能的关键。直接功率控制器，比例积分控制器，比例谐振控制器都曾是研究热点，而随着现代信号处理器的发展，模型预测控制受到了广泛的关注。模型预测控制一般会设置控制目标和代价函数，在有限的时间内通过搭建的模型预测受控量未来的状态。在逆变器模型预测控制中，往往是选择使代价函数最小的开关组合来进行控制。在强大的信号处理器的帮助下，模型预测控制往往具有更好的动态和稳态性能。

中性点电压能否保持平衡影响着三相三电平逆变器控制效果的好坏。如果中性点电压振荡较大，直流侧的两个电容之间电压发生变化，从而使各个功率半导体器件承受更大的电压应力，造成更大损耗甚至器件损坏。此外，中性点的电压波动也会增加逆变器各相电压输出的谐波。

传统模型预测控制算法中使用双目标成本函数，通过在代价函数中增加相应的权重因子项来抑制中点电位。但是一方面权重因子的设置与调优并没有系统的方法，另一方面代价函数中多一个需要考虑的项使得有些情况下无法使用电压最优项，输出谐波含量增加。

发明内容

有鉴于此，本申请的目的在于提出一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法和系统，本申请能够针对性的解决现有的问题，通过对真实电压矢量的组合获得51个不影响中性点电压的虚拟电压矢量，使用这些虚拟电压矢量的控制方法不用再考虑中性点电压。

基于上述目的，本申请提出了一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法，包括：

采样逆变器的三相参数并转换到两相静止坐标系，利用模型预测递推公式并结合不同开关组合下的逆变器电压值获得输出电压的预测值；

记录输出电压的历史值，通过二阶拉格朗日外推公式获得输出电压参考值；

从矢量分组中选择一个使得代价函数最小的虚拟电压矢量；

对与所述使得代价函数最小的虚拟电压矢量同一个扇区内的虚拟电压矢量进行迭代计算，确定使得代价函数全局最小的电压矢量；

根据所述使得代价函数全局最小的电压矢量使用脉冲宽度调制产生3P-3L逆变器。

进一步地，所述逆变器的三相参数包括：逆变器输出电流i

进一步地，所述模型预测递推公式如下：

其中，T

进一步地，所述二阶拉格朗日外推公式如下：

其中，

进一步地，所述代价函数G(j)如下：

进一步地，逆变器a相、b相和c相的输出侧相电流满足如下关系：

i

其中，i

进一步地，虚拟电压矢量V

其中V

基于上述目的，本申请还提出了一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制系统，包括：

电压预测模块，用于采样逆变器的三相参数并转换到两相静止坐标系，利用模型预测递推公式并结合不同开关组合下的逆变器电压值获得输出电压的预测值；

电压参考模块，用于记录输出电压的历史值，通过二阶拉格朗日外推公式获得输出电压参考值；

代价函数模块，用于从矢量分组中选择一个使得代价函数最小的虚拟电压矢量；

迭代计算模块，用于对与所述使得代价函数最小的虚拟电压矢量同一个扇区内的虚拟电压矢量进行迭代计算，确定使得代价函数全局最小的电压矢量；

脉宽调制模块，用于根据所述使得代价函数全局最小的电压矢量使用脉冲宽度调制产生3P-3L逆变器。

总的来说，本申请提出了一种基于虚拟电压矢量的模型预测电压控制，主要创新和贡献可以归纳为：(1)相较于传统的27个基本电压矢量，本申请共使用51个虚拟电压矢量，更多的备选矢量使得输出电压谐波减少。(2)使用的虚拟电压矢量在一个周期内中点电位保持平衡，代价函数无需再次对中点电位进行约束，简化了控制器的设计与计算时间。(3)直流侧的两个电容电压在本控制策略中不会发生改变，可以减少直流侧的电压、电流传感器，减少硬件成本。

附图说明

在附图中，除非另外规定，否则贯穿多个附图相同的附图标记表示相同或相似的部件或元素。这些附图不一定是按照比例绘制的。应该理解，这些附图仅描绘了根据本申请公开的一些实施方式，而不应将其视为是对本申请范围的限制。

图1示出本申请的真实电压矢量和矢量对中性点等效作用示意图。

图2示出根据本申请实施例的本申请使用的虚拟电压矢量图。

图3示出本申请的控制框图。

图4示出本申请中算法Simulink仿真结果图。

图5示出根据本申请实施例的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制系统的构成图。

图6示出了本申请一实施例所提供的一种电子设备的结构示意图。

图7示出了本申请一实施例所提供的一种存储介质的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

术语解释：

三相三电平逆变器：三相三电平逆变器每一相输出电压有三种可能的值，常见的三电平逆变器有中点钳位型三电平逆变器，级联H桥型逆变器等。

中性点电压：中性点电压是指逆变器直流侧上下电容间中性点的电位。中性点电压能否保持平衡影响着三相T型逆变器控制效果的好坏。

模型预测电压控制(Model Predictive Voltage Control，MPVC)：模型预测控制是一类控制策略。它的当前控制动作是在每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题而获得。过程的当前状态作为最优控制问题的初始状态，解得的最优控制序列只实施第一个控制作用。这是它与那些使用预先计算控制律的算法的最大不同。本质上模型预测控制求解一个开环最优控制问题。它的思想与具体的模型无关，但是实现则与模型有关。

本申请的目的是发明一种能够改善三相三电平逆变器输出电压波形，并且使得直流侧中性点电位保持自平衡的方法。

在三相三电平逆变器中，中性点电流i

i

其中，i

表1.本申请所使用的虚拟电压矢量组合

组合而成的新的虚拟电压矢量V

其中V

所有的虚拟电压矢量的组合在表1中列出，同时图2展示了所有使用的虚拟电压矢量。

预测电压控制模型递推公式：

其中，T

二阶朗格朗日外推公式：

本发明中使用的代价函数G(j)与目标函数V

如图3所示，基于虚拟电压矢量的模型预测控制实施步骤如下：

S1.采样逆变器的三相参数并转换到两相静止坐标系，其中，i

S2.记录输出电压的历史值，通过二阶拉格朗日外推公式(6)获得输出电压参考值

S3.从矢量分组(V

S4.对S3中选择的电压矢量同一个扇区内的虚拟电压矢量进行迭代计算，确定使得代价函数(7)全局最小的电压矢量。

S5.根据选中的电压矢量使用脉冲宽度调制产生3P-3L逆变器。

为了比较传统控制策略与本申请所提出的策略，在MATLAB/SIMULINK中进行了仿真分析。图4给出了两种策略在控制输出电压Vo幅值为100V时的稳态波形图。图4中，“Typical MPVC”是现有技术，“Proposed MPVC”为本申请。Harmonic Order为谐波顺序。(a)中性点电压；(b)输出线电压；(c)输出相电压；(d)输出相电压谐波分析。可以看到在中点电位权重因子为0.8的情况下，传统算法的中点电位波动最大值在2.4V左右，接近三倍于本申请提出的不使用权重因子的模型预测算法。同时，传统算法输出电压的THD为1.2％，本申请所提出算法的THD为0.5％，使用更多的电压矢量对谐波有一定的抑制效果。

申请实施例提供了一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制系统，该系统用于执行上述实施例所述的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法，如图5所示，该系统包括：

电压预测模块501，用于采样逆变器的三相参数并转换到两相静止坐标系，利用模型预测递推公式并结合不同开关组合下的逆变器电压值获得输出电压的预测值；

电压参考模块502，用于记录输出电压的历史值，通过二阶拉格朗日外推公式获得输出电压参考值；

代价函数模块503，用于从矢量分组中选择一个使得代价函数最小的虚拟电压矢量；

迭代计算模块504，用于对与所述使得代价函数最小的虚拟电压矢量同一个扇区内的虚拟电压矢量进行迭代计算，确定使得代价函数全局最小的电压矢量；

脉宽调制模块505，用于根据所述使得代价函数全局最小的电压矢量使用脉冲宽度调制产生3P-3L逆变器。

本申请的上述实施例提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制系统与本申请实施例提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

本申请实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法对应的电子设备，以执行上直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法。本申请实施例不做限定。

请参考图6，其示出了本申请的一些实施方式所提供的一种电子设备的示意图。如图6所示，所述电子设备20包括：处理器200，存储器201，总线202和通信接口203，所述处理器200、通信接口203和存储器201通过总线202连接；所述存储器201中存储有可在所述处理器200上运行的计算机程序，所述处理器200运行所述计算机程序时执行本申请前述任一实施方式所提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法。

其中，存储器201可能包含高速随机存取存储器(RAM：Random Access Memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口203(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网、广域网、本地网、城域网等。

总线202可以是ISA总线、PCI总线或EISA总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。其中，存储器201用于存储程序，所述处理器200在接收到执行指令后，执行所述程序，前述本申请实施例任一实施方式揭示的所述直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法可以应用于处理器200中，或者由处理器200实现。

处理器200可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器200中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器200可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器201，处理器200读取存储器201中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。

本申请实施例提供的电子设备与本申请实施例提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法出于相同的发明构思，具有与其采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

本申请实施方式还提供一种与前述实施方式所提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法对应的计算机可读存储介质，请参考图7，其示出的计算机可读存储介质为光盘30，其上存储有计算机程序(即程序产品)，所述计算机程序在被处理器运行时，会执行前述任意实施方式所提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法。

需要说明的是，所述计算机可读存储介质的例子还可以包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他光学、磁性存储介质，在此不再一一赘述。

本申请的上述实施例提供的计算机可读存储介质与本申请实施例提供的直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法出于相同的发明构思，具有与其存储的应用程序所采用、运行或实现的方法相同的有益效果。

需要说明的是：

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备有固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的虚拟机的创建系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。