一种飞跨电容型三相五电平逆变器及其控制方法、系统

技术领域

本公开属于三相五电平变换器技术领域，具体涉及一种飞跨电容型三相五电平逆变器及其控制方法、系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

三相五电平变换器可应用于光伏发电、电机驱动、电池储能系统等领域，尤其是中高压场合。常见的五电平逆变器拓扑有三大类：中点钳位型、级联H桥型、飞跨电容型。对于中点钳位型五电平拓扑来说，该拓扑一相需要的二极管数量为12个，功率开关管数量为8个。二极管数量过多，中点电压平衡控制困难且成本也随二极管数量增多而增大，此类拓扑较适用于输出电平数少的逆变器。对于级联H桥型，同样需要直流侧电容，且需要多个直流侧电源来提供电源电压，这增大了逆变器系统的体积及成本。而对于传统飞跨电压型五电平逆变器来说，其需要18个飞跨电容来支撑起五电平输出，众多的电容能够支持逆变器在短时间的电压中断和严重的电压跌落时的运行；但五电平飞跨电容型逆变器的飞跨电容数量过多，导致逆变器体积增大、成本上升，且电容电压控制特别复杂。

近年来，在中点钳位型五电平逆变器的基础上，有学者提出一种有源中点钳位(ANPC)型三相五电平逆变器，并因其功率开关管数量少、体积小、成本低等优势得到了广泛的关注。但三相五电平ANPC逆变器需要同时控制直流侧电容及飞跨电容，来实现五电平的相电压输出；直流侧电容电压和飞跨电容电压若偏离，会影响系统的稳定性。直流侧电容电压和飞跨电容电压的控制是相互耦合的关系，给同时实现二者的控制带来了困难。此外，三相五电平ANPC逆变器每相由八个功率开关管组成，但其中有四个开关管电压应力为直流侧电压的1/2,四个开关管电压应力为直流侧电压的1/4。因此，当应用于更高电压场合时，为了开关管能够承受更高的电压并保证成本的条件下，各开关管承受的电压应力应保持一致；此时，三相五电平ANPC逆变器每相通常需要12个开关管，各管承受的电压均为直流侧电压的1/4。

据发明人了解，当前在多电平变换器控制中，模型预测控制(MPC)是一种新兴的非线性控制技术，因其计算速度快，电流跟踪响应速度快，得到了广泛的关注，如多目标优化、快速动态响应命令等。目前，功率变换器成本的降本同效、降本增效是光伏发电系统的热点问题。因此，研究一种能承受更低电压应力、飞跨电容数量较少的飞跨电容型三相五电平逆变器，不需要直流侧电容电压平衡控制，且能保持优良的输出效果，对于功率变换器在高压领域的应用具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，本公开提出了一种飞跨电容型三相五电平逆变器及其控制方法、系统，基于一种低电压应力、多开关状态的飞跨电容型三相五电平逆变器(简称为多开关状态飞跨电容型五电平(RSS_FC5L)逆变器)，通过混合单双矢量模型预测控制方法实现控制，能承受更低的开关电压应力，不需要直流侧电容电压平衡控制，有更多的冗余开关状态，能有效控制飞跨电容电压的平衡，实现五电平输出。

根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种飞跨电容型三相五电平逆变器，采用如下技术方案：

一种飞跨电容型三相五电平逆变器，包括：

直流侧拓扑，采用直流电源；

逆变器拓扑，包括依次串联连接的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管和第六功率开关管，并联在所述第三功率开关管和所述第四功率开关管之间的第七功率开关管和第八功率开关管，并联在所述第三功率开关管和所述第四功率开关管之间的第三飞跨电容，并联在所述第二功率开关管和所述第三功率开关管之间的第一飞跨电容，并联在所述第四功率开关管和所述第五功率开关管之间的第二飞跨电容；所述第七功率开关管和所述第八功率开关管串联连接。

作为进一步的技术限定，所述第一功率开关管和所述第六功率开关管的开关电压应力均为

作为进一步的技术限定，所述飞跨电容型三相五电平逆变器的三相输出电平组合有5

根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法，采用了第一方案中所提供的飞跨电容型三相五电平逆变器，采用如下技术方案：

一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法，采用混合单、双矢量模型预测控制，包括：

获取逆变器的三相相电流，预测下一时刻的参考电压矢量；

根据所得到的参考电压的幅值相位大小判断所述参考电压矢量的所属区域；

若所述参考电压矢量在单矢量组区域，则在采样时间内使用单个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的单个矢量的作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制；

若所述参考电压矢量在双矢量组区域，则在采样时间内使用两个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的两个矢量的分别作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制。

作为进一步的技术限定，所述逆变器相电压模型的微分方程为：

其中，

所述模型预测控制的价值函数为：

其中，v

进一步的，在预测下一时刻的参考电压矢量的过程中，分别获取a、b、c三相的相电流i

经拉格朗日外推法，得电流值

计算得到预测的下一时刻的参考电压矢量在两相静止坐标系下参考电压值

进一步的，根据伏秒平衡原理，双矢量对应的方程为：

其中，V

依据所述模型预测控制的价值函数，计算V

消去常数K，即：

根据所使用的两个矢量的分别作用时间和所述参考电压矢量所对应的三相电平状态，实现对所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制。

根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制系统，采用如下技术方案：

一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制系统，采用混合单、双矢量模型预测控制，包括：

预测模块，其被配置为获取逆变器的三相相电流，预测下一时刻的参考电压矢量；

判断控制模块，其被配置为根据所得到的参考电压的幅值相位大小判断所述参考电压矢量的所属区域；

若所述参考电压矢量在单矢量组区域，则在采样时间内使用单个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的单个矢量的作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制；

若所述参考电压矢量在双矢量组区域，则在采样时间内使用两个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的两个矢量的分别作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制。

根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：

一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第二方案所述的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法中的步骤。

根据一些实施例，本公开的第五案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第二方案的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法中的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开首次提出了一种更好耐压能力的飞跨电容型三相五电平逆变器，相较于传统ANPC五电平逆变器，其每相有四个开关管承受的电压应力为U

本公开中的飞跨电容型三相五电平逆变器具有16种开关状态，其中1、0、-1电平状态下有四种冗余开关状态，2、-2电平状态下有两种冗余开关状态。与传统五电平逆变器的8种开关状态相比，RSS_FC5L逆变器因其更多的开关状态为飞跨电容电压控制提供了更大的自由度，更加有效地限制了飞跨电容电压的波动，飞跨电容电压的波动均稳定在10％以内。

本公开中的飞跨电容型三相五电平逆变器无需直流侧电容。相较于传统的ANPC五电平逆变器需要同时控制具有耦合关系的直流侧电容电压和飞跨电容电压，本发明不需要直流侧电容电压平衡，只需对飞跨电容电压进行控制，控制设计更加简单。

本公开通过低调制度使用单矢量模型预测控制，高调制度使用双矢量模型预测控制的方式，改善其高调制度区域的输出表现。同时运用的模型预测方法，提高了计算速度，电流跟踪响应迅速，输出电流纹波小，飞跨电容电压控制效果良好。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开传统三相五电平ANPC逆变器系统的拓扑示意图；

图2是本公开实施例一中的飞跨电容型三相五电平逆变器的拓扑示意图；

图3是本公开实施例一中的飞跨电容型三相五电平逆变器的基本空间矢量示意图；

图4是本公开实施例一中的飞跨电容型三相五电平逆变器一相的开关状态下对应开关导通状态示意图；

图5是本公开实施例二中的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法的流程图；

图6是本公开实施例二中的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法的控制框图；

图7(a)是本公开实施例二中的单、双矢量组区域示意图；(浅色为单矢量组区域、深色为双矢量组区域)

图7(b)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统的待选双矢量组区域及其对应矢量、开关序列示意图；

图8(a)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的相电压示意图；

图8(b)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的线电压示意图；

图8(c)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的三相电流示意图；

图8(d)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的C

图8(e)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的C

图8(f)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的C

图8(g)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统仅采用单矢量模型预测控制的输出电流的总谐波失真示意图；

图9(a)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的相电压示意图；

图9(b)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的线电压示意图；

图9(c)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的三相电流示意图；

图9(d)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的C

图9(e)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的C

图9(f)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的C

图9(g)是本公开实施例二中的RSS_FC5L逆变器系统采用混合单双矢量模型预测控制的输出电流的总谐波失真示意图；

图10是本公开实施例三中的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本实公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本公开实施例一介绍了一种飞跨电容型三相五电平逆变器。

在一个或多个实施方式中，公开了一种传统三相五电平ANPC逆变器，参照图1，图1为传统三相五电平ANPC逆变器系统图，直流侧包括直流电源及直流侧电容，假设直流侧电源电压为U

图2是本实施例首次提出的飞跨电容型三相五电平逆变器拓扑图，此处简称为三相RSS_FC5L逆变器拓扑。直流侧包括直流电源，无直流侧电容，逆变器拓扑由八个功率开关管及三个飞跨电容组成，其中，开关S

如表1中所示，三相RSS_FC5L逆变器每相共有16种开关状态，图3为其对应的开关导通状态示意图；由表1及图3可以看出，三相RSS_FC5L逆变器冗余开关状态较多，电平状态“-2”及“2”各有两种冗余状态，电平状态“-1”、“0”及“1”则各有四种冗余状态，这为飞跨电容电压的设计提供了较大的自由度。

表1开关状态及其对应的飞跨电容控制

注：

1.开关状态S

2.ΔC

飞跨电容电压实际值与飞跨电容电压参考值之间的差值表达式如下：

ΔC

其中V

对于本实施例三相RSS_FC5L逆变器拓扑，每相需要控制三个飞跨电容的电压为U

实施例二

本公开实施例二介绍了一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法。

如图5所示的一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法，采用混合单、双矢量模型预测控制，包括：

获取逆变器的三相相电流，预测下一时刻的参考电压矢量；

根据所得到的参考电压的幅值相位大小判断所述参考电压矢量的所属区域；

若所述参考电压矢量在单矢量组区域，则在采样时间内使用单个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的单个矢量的作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制；

若所述参考电压矢量在双矢量组区域，则在采样时间内使用两个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的两个矢量的分别作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制。

如图6所示的RSS_FC5L逆变器系统的控制框图，通过混合单、双矢量模型预测控制方法来实现五电平输出。

模型预测控制的价值函数表达式如下：

根据系统框图可建立相电压模型的微分方程如下：

首先，对a、b、c三相电流进行采样，采样的电流经Clark坐标变换，得到两相静止坐标系下的电流值i

并经拉格朗日外推法，得到电流值

结合以上三式(3)-(5)，计算得到预测的下一时刻的参考电压矢量在两相静止坐标系下参考电压值

相比于三相旋转坐标系，两相静止坐标系是一个平面坐标系，通过参考电压的相位大小，很容易判断参考电压矢量所属扇区。各扇区是对称的，其原理相同。下面以第一扇区为例具体阐述。

图7(a)为单、双矢量组共同构成的区域。根据图3的空间矢量图可知，在调制度较低区域中，含“0”电平状态的电压矢量较为充足，为了更好地控制飞跨电容C

因此，本实例为了提高这一区域的输出效果，选定的12个深色区域用邻近的含“0”电平状态的两个矢量来合成参考矢量，即为待选双矢量组区域。在图7(b)中给出了深色小六边形所使用的两个邻近矢量，以第I扇区为例，“20-1”所在小六边形，采用含“0”电平状态多的两个电压矢量“200”及“20-2”来合成参考电压矢量。其余双矢量组小六边形区域与此类似。

通过参考电压矢量所在位置确定其所属区域，若参考电压矢量在单矢量组区域中，则在一个采样时间T

根据伏秒平衡原理，双矢量对应的方程如下：

其中，V

假设通过价值函数求得V

其中K为大于0的常数。

结合(5)、(6)二式，消去常数K，可得：

由此，电压矢量及其作用时间就已确定，再根据电压矢量对应三相电平状态，来确定其飞跨电容电压的控制。由于各相的飞跨电容电压控制是一致的，因此以其中一相为例：

(1)当电平状态为“-2”及“2”时，不进行飞跨电容电压控制；

(2)当电平状态为“-1”时，控制C

(3)当电平状态为“1”时，控制C

(4)当电平状态为“0”时，对电容C

i.若|ΔC

ii.若|ΔC

通过飞跨电容电压控制确定了最终的开关状态，由此便可生成驱动开关信号的PWM信号。

本实例通过仿真进行了验证，在仿真中，直流电源采用400V直流电代替光伏阵列直流电，网侧采用固定输出电阻代替电网。阻值为8Ω，固定参考电流幅值为23A，交流侧滤波电感采用4.5mH。

图8(a)、图8(b)、图8(c)、图8(d)、图8(e)、图8(f)和图8(g)为本实施例三相RSS_FC5L逆变器系统在全范围使用单矢量模型预测控制方法时，在调制度为0.8时，对应相电压、线电压、电流、飞跨电容C

图9(a)、图9(b)、图9(c)、图9(d)、图9(e)、图9(f)和图9(g)为本实施例三相RSS_FC5L逆变器系统使用混合单、双矢量模型预测控制方法时，在调制度为0.8时，对应相电压、线电压、电流、飞跨电容C

本实施例通过低调制度使用单矢量模型预测控制，高调制度使用双矢量模型预测控制的方式，改善其高调制度区域的输出表现。同时运用的模型预测方法，提高了计算速度，电流跟踪响应迅速，输出电流纹波小，飞跨电容电压控制效果良好。

实施例三

本公开实施例三介绍了一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制系统。

如图10所示的一种飞跨电容型三相五电平逆变器的控制系统，采用混合单、双矢量模型预测控制，包括：

预测模块，其被配置为获取逆变器的三相相电流，预测下一时刻的参考电压矢量；

判断控制模块，其被配置为根据所得到的参考电压的幅值相位大小判断所述参考电压矢量的所属区域；

若所述参考电压矢量在单矢量组区域，则在采样时间内使用单个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的单个矢量的作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制；

若所述参考电压矢量在双矢量组区域，则在采样时间内使用两个矢量来合成所述参考电压矢量，基于模型预测控制的价值函数计算所使用的两个矢量的分别作用时间，根据所述参考电压矢量所对应的三相电平状态确定所述飞跨电容型三相五电平逆变器的控制。

详细步骤与实施例二提供的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法相同，在此不再赘述。

实施例四

本公开实施例四提供了一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例二所述的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法中的步骤。

详细步骤与实施例二提供的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法相同，在此不再赘述。

实施例五

本公开实施例五提供了一种电子设备。

一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例二所述的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法中的步骤。

详细步骤与实施例二提供的飞跨电容型三相五电平逆变器的控制方法相同，在此不再赘述。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。