一种模块化并联三相三电平逆变器的控制方法及系统与流程
本公开涉及逆变器控制技术领域，特别涉及一种模块化并联三相三电平逆变器的控制方法及系统。
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，并不必然构成现有技术。
三电平及多电平逆变器因其具有降低输出电流谐波、提高功率因数，减小开关管电压应力、能量双向流动等优点而备受关注，且在柔性开关设备、新能源发电并网、微电网等方面应用广阔。
目前常见的三电平逆变器有t型三电平逆变器、二极管钳位(npc)三电平逆变器、飞跨电容三电平逆变器、有源钳位(anpc)三电平逆变器等。其中npc型三电平逆变器在微电网和新能源并网领域得到了大量应用，相较于传统的两电平逆变器，其输出波形质量高、谐波较少、开光管的电压应力小。但是npc型逆变器需要的开关器件数量多，故障率较高。同时由于器件增多，开关损耗和控制的复杂度都会增多。因此，研究一种开关器件少、控制相对简单的三相八开关npc逆变器具有重要意义。
本公开发明人发现，随着越来越多的大功率应用场合开始出现，单台逆变器的容量往往不能满足需求，所以，两组或多组逆变器并联以扩大容量是今后发展的必然趋势，然而，两组或多组逆变器的直接并联带来的零序环流会导致电流畸变、系统损耗增加等问题；有限控制集模型预测控制(fcs-mpc)成为众多研究者的关注焦点，相较于传统的控制方法，它可以利用有限的开关状态，不需要使用单独的pwm块，在多电平逆变器中控制灵活，得到广泛应用，然而在实际应用中，大量的状态切换增加了计算时间，使得系统控制变慢。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种模块化并联三相三电平逆变器的控制方法及系统，可以减少计算时间，在三相八开关逆变器并联时，提高了系统的稳定性，使得零序环流保持在较低水平，中点电压保持平衡，交流测输出电流波形质量良好，具有快速跟踪电流的优势。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种模块化并联三相三电平逆变器的控制方法。
一种模块化并联三相三电平逆变器的控制方法，包括以下步骤：
根据获取的并联的三相三电平逆变器的交流侧电压、电流以及直流侧的电容电压，得到参考电压矢量；
以落入参考电压矢量所在扇区的逆变器空间电压矢量作为下一控制周期的候选矢量；
根据中点电压和/或零序环流方向选择候选矢量中的小矢量，根据预设目标函数从剩余候选矢量中选取最优的空间电压矢量，作为下一个控制周期的开关管控制信号，控制开关管的状态。
作为可能的一些实现方式，所述三相三电平逆变器为三相三电平八开关逆变器，包括九个空间电压矢量，在选取候选矢量前，将共模电压最大的两个电压矢量去除。
其中，根据中点电压大小或零序环流方向只选取p或n型小矢量作为候选小矢量，候选矢量中去除候选小矢量之外的其他小矢量后作为剩余候选矢量。
本公开第二方面提供了一种模块化并联三相三电平逆变器的控制系统。
一种模块化并联三相三电平逆变器的控制系统，包括：
参考电压矢量计算模块，被配置为：根据获取的并联的三相三电平逆变器的交流侧电压、电流以及直流侧的电容电压，得到参考电压矢量；
候选矢量选取模块，被配置为：以落入参考电压矢量所在扇区的逆变器空间电压矢量作为下一控制周期的候选矢量；
控制模块，被配置为：根据中点电压和/或零序环流方向选择候选矢量中的小矢量，根据预设目标函数从剩余候选矢量中选取最优的空间电压矢量，作为下一个控制周期的开关管控制信号，控制开关管的状态。
本公开第三方面提供了一种介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法中的步骤。
本公开第四方面提供了一种电子设备，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一方面所述的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，改进的模型预测控制在基于传统空间电压矢量分析的基础上，去除了使共模电压幅值大的空间电压矢量，从传统的九个矢量减小到七个，减少了计算量，在实现精准控制的同时可以将三相三电平八开关逆变器系统的共模电压限制在直流电压的1/6。
2、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，根据参考电压角度的不同划分为两个扇区：0～180°为第一扇区，180°～360°为第二扇区，计算时首先判断参考电压的扇区，只有该扇区的矢量作为下一采样时间的候选矢量，远离参考电压的矢量不参与计算，减少了一半的计算量。
3、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，在三相三电平八开关逆变器并联时会产生零序环流，当零序环流iz为正则选择n型小矢量作为下一个采样时间的候选开关向量，反之则选择p型小矢量，以此可以使零序环流保持在较低水平。
4、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，当上侧电容电压大与下侧电容电压时，选择n型小矢量作为下一个采样时间的候选开关向量，反之则选择p型小矢量，以此可以保持中点电压平衡。
5、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，改进的模型预测控制依据扇区选择矢量，且通过矢量选择即可控制零序环流和中点电压，定义了新的目标函数，与传统目标函数相比消除了权重因素，降低了66.7％的计算量，避免了繁琐的调优工作。
6、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，改进的模型预测控制不需要电流内环控制器，避免了复杂的控制器设计和参数的调整，同时速度更快，效率更高。
7、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，改进的模型预测控制不需要pwm调制模块，省去了调制模块中复杂的时间计算和开关序列的优化等问题，这大大减少了控制器的控制时间，减小了控制器因调制模块带来的延时，增加了控制的准确性。
8、本公开所述的方法、系统、介质及电子设备，所采用的三相三电平八开关逆变器的开关器件少、控制简单、系统损耗低、体积小、输出波形质量高。
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为本公开实施例1提供的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法的流程示意图。
图2为本公开实施例1提供的并联三相三电平八开关逆变器主电路图。
图3为本公开实施例1提供的三相三电平八开关逆变器空间矢量图。
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1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种模块化并联三相三电平逆变器的控制方法，包括以下步骤：
根据获取的并联的三相三电平逆变器的交流侧电压、电流以及直流侧的电容电压，得到参考电压矢量；
以落入参考电压矢量所在扇区的逆变器空间电压矢量作为下一控制周期的候选矢量；
根据中点电压和/或零序环流方向选择候选矢量中的小矢量，根据预设目标函数从剩余候选矢量中选取最优的空间电压矢量，作为下一个控制周期的开关管控制信号，控制开关管的状态。
具体内容如下：
如图2所示，本实施例控制的对象为并联三相三电平八开关npc逆变器，以一台逆变器为例，包括以下部分：(1)电网电源；(2)l滤波器及其等效电阻r；(3)八个开关管sb1，sb2，sb3，sb4，sc1，sc2，sc3，sc4；(4)4个快恢复二极管db1，db2，dc1，dc2；(5)直流侧滤波电容c1，c2；(6)直流侧电源vdc。
直流侧为两个串联的滤波电容，在两个电容中间形成一个中性点o。b、c两相为正常的二极管箝位i字型三电平结构(npc)，而a相与c、b两相不同，直接箝位到直流侧滤波电容的中点，实现系统的容错功能。
在图1中，根据基尔霍夫电压定律可得三相三电平八开关逆变器的数学模型为：
uxj是三电平逆变器的端电压；ixj是逆变器输出的三相电流；lj和ex(x＝a,b,c,j＝1,2)分别为等效串联电感和电网电压；r是等效串联电阻。
经clarke变换后，获得αβ坐标系下的数学模型为：
在将式(2)离散化得到在αβ坐标系下的离散化的数学模型为：
其中，ts为控制周期，iα(k)，iβ(k)为tk时刻两相静止坐标系下的交流侧电流预测值，uαj(k)，uβj(k)为tk时刻三电平逆变器端两相静止坐标系下的电压预测值，eα(k)，eβ(k)为tk时刻电网电压在两相静止坐标系下的预测值，iαj(k-1),iβj(k-1)为tk-1时刻两相静止坐标系下的交流侧电流值；由于采样和计算带来的延时，式(3)需要考虑一个周期的延时，则式(3)变为：
其中：
直流环节电容电压的离散时间模型表示为
其中vpj(k+1)和vnj(k+1)为第j个逆变器的直流电容的上、下电压，ipj(k+1)和inj(k+1)为通过上、下直流电容的电流。
对于两个并联的三电平三相十开关t型逆变器，零序环流的大小相同和方向相反，表示为：
iz＝iz1＝-iz2＝ia1+ib1+ic1＝-(ia2+ib2+ic2)(7)
考虑三相平衡电网ea+eb+ec＝0，则将(1)式相加可得到：
其中，uzj(t)＝uaj(t)+ubj(t)+ucj(t)。
由式(7)和式(8)可以推导出并联三电平三相十开关t型逆变器的零序环流为：
其中，l＝l1+l2，r＝r1+r2。
将(9)式离散化后为：
由于采样和计算带来的延时，考虑一个周期的延时，由式(10)可得：
其中，iz(k)、iz(k+1)分别为零序环流的第k个周期的采样值和第(k+1)个周期的采样值。
对于并联三相八开关逆变器，控制目标有精确跟踪参考电流、降低零序环流和保持中点电压平衡，
因此，基于当前预测模型的fcs-mpc的成本函数表示为
其中，λ1和λ2是中点电压和零序环流的权重因子。
为了减少计算时间，将基于电压矢量的动态模型表示为：
相应的，基于电压预测模型的成本函数表示为：
其中u*αj(k+1)和u*βj(k+1)根据参考电流从方程(13)中计算得到；uαj(k+1)和uβj(k+1)为在αβ坐标系下的电压矢量。λ3和λ4是中点电压和零序环流的权重因子。由于(13)中对电压矢量的预测，使得(14)中只需要进行一次电压矢量计算，而不需要进行27次电流预测模型计算。因此，与式(12)相比，减少了计算时间，但计算量仍然较大，且需要调整权重因子。
进一步地，在图1中，为防止桥臂的直通开关管的驱动信号满足sb1，sb3互补，sb2，sb4互补，sc1，sc3互补，sc2，sc4互补。定义开关函数如下：
对应的桥臂输出电压为：
其中，udc直流侧输出电压，p状态定义为桥臂输出电压为
在αβ静止坐标系的空间电压矢量为
由式(15)、(16)和(17)得到三相三电平八开关逆变器的空间电压矢量如图2所示。可以看出，有九个空间电压矢量。
定义共模电压为：
根据式(15)、(16)和(18)得到图3中九个空间电压矢量对应的共模电压如表i所示。可以看出空间电压矢量v1(onn)和v4(opp)对应的共模电压为
表i：九个空间电压矢量对应的共模电压。
通过划分扇区，远离参考电压的矢量不参与计算，可以进一步减少计算量。采用三相参考电压计算扇区，表达式为：
根据参考电压角度的不同划分为两个扇区：0～180°为第一扇区，180°～360°为第二扇区；计算时首先判断参考电压的扇区，只有该扇区的矢量作为下一采样时间的候选矢量。
此外，假设当电流从逆变器流向电网时，零序环流iz为正，相反为负。当iz>0时，选用n型小矢量对零序环流进行抑制，因此，选择v2(oon)或v6(ono)作为下一个采样时间的候选小矢量。当iz<0时，选用p型小矢量对零序环流进行抑制，因此，选择v3(opo)或v5(oop)作为下一个采样时间的候选小矢量。
同样，可以通过选择p型和n型小矢量来控制中点电压平衡。当上侧电容电压大与下侧电容电压时，选择n型小矢量v2(oon)或v6(ono)作为下一个采样时间的候选小矢量，以降低不平衡电压；反之则选择p型小矢量v3(opo)或v5(oop)。
通过以上方法，每次目标函数的计算只需计算3次，相较于传统的9次计算提高了66.7％的效率。
进一步地，在一个周期内只控制中点电压或零序环流，下一周期则控制另一个。
由于通过矢量选择即可控制零序环流和中点电压，可以定义新的目标函数：
g＝|u*αj(k+1)-uαj(k+1)|+|u*βj(k+1)-uβj(k+1)|(20)
依次将候选矢量和参考矢量代入，计算g的最小值即为与参考矢量最接近的候选矢量，即为最优矢量；消除了权重因素，避免了繁琐的调优工作，根据目标函数选出最优的空间电压矢量vα(k+1),vβ(k+1)，作为(k+1)控制周期的控制信号，控制开关管的状态，实现系统的控制目标。
图1中，采样得到并联三相三电平八开关逆变器系统交流侧电压电流和直流侧上下电容电压，将三相电压电流经过abc/αβ坐标变换得到αβ坐标系下的交流侧电压和电流，在将其离散化并考虑一个周期的延时后，根据式(13)计算得到参考电压矢量。
候选开关矢量中，去除共模电压大的矢量，小矢量依据上下电容电压之差和零序环流正负进行选择，其中在一个周期内只控制中点电压或零序环流，下一周期则控制另一个。
根据目标函数(20)从剩余的空间电压矢量选择出一个最优的空间电压矢量。此最优的空间电压矢量作为第(k+1)周期的控制信号，控制开关管的状态，实现第(k+1)周期的控制目标。
本实施例提出的改进控制方法，不需要电流内环和pwm调制模块，避免了复杂的设计并且降低了控制时间；在基于三相三电平八开关逆变器空间电压矢量分析的基础上，优化了矢量选择的方法，依据扇区减少矢量选择范围，通过不同状况下不同矢量的选择直接抑制零序环流、降低共模电压、保持中点电压平衡；简化了目标函数，降低了计算时间，具有快速跟踪电流的优势。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种模块化并联三相三电平逆变器的控制系统，包括：
参考电压矢量计算模块，被配置为：根据获取的并联的三相三电平逆变器的交流侧电压、电流以及直流侧的电容电压，得到参考电压矢量；
候选矢量选取模块，被配置为：以落入参考电压矢量所在扇区的逆变器空间电压矢量作为下一控制周期的候选矢量；
控制模块，被配置为：根据中点电压和/或零序环流方向选择候选矢量中的小矢量，根据预设目标函数从剩余候选矢量中选取最优的空间电压矢量，作为下一个控制周期的开关管控制信号，控制开关管的状态。
所述系统的工作方法与实施例1提供的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法相同，这里不再赘述。
实施例3：
本公开实施例3提供了一种介质，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1所述的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法中的步骤，所述步骤为：
根据获取的并联的三相三电平逆变器的交流侧电压、电流以及直流侧的电容电压，得到参考电压矢量；
以落入参考电压矢量所在扇区的逆变器空间电压矢量作为下一控制周期的候选矢量；
根据中点电压和/或零序环流方向选择候选矢量中的小矢量，根据预设目标函数从剩余候选矢量中选取最优的空间电压矢量，作为下一个控制周期的开关管控制信号，控制开关管的状态。
详细方法与实施例1提供的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法相同，这里不再赘述。
实施例4：
本公开实施例4提供了一种电子设备，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1所述的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法中的步骤，所述步骤为：
根据获取的并联的三相三电平逆变器的交流侧电压、电流以及直流侧的电容电压，得到参考电压矢量；
以落入参考电压矢量所在扇区的逆变器空间电压矢量作为下一控制周期的候选矢量；
根据中点电压和/或零序环流方向选择候选矢量中的小矢量，根据预设目标函数从剩余候选矢量中选取最优的空间电压矢量，作为下一个控制周期的开关管控制信号，控制开关管的状态。
详细方法与实施例1提供的模块化并联三相三电平逆变器的控制方法相同，这里不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。
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。
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