一种三相三电平逆变器控制方法和系统

本申请涉及电力电子系统，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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；

4、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；

5、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；

6、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；

7、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。

8、进一步地，所述逆变器的三相参数包括：逆变器输出电流ix(k)、输出电压vo(k)、负载电流iload(k)。

9、进一步地，所述模型预测递推公式如下：

10、

11、其中，ts为所有真实电压矢量的作用总时间，l为电感值，c为电容值，vα，β(k+1)为逆变器电压值，voα，β(k+1)为输出电压的预测值，iα，β(k+1)为逆变器电流值，ioα，β(k+1)为输出电流的预测值，iloadα，β(k)为负载电流值。

12、进一步地，所述二阶拉格朗日外推公式如下：

13、

14、其中，为输出电压参考值。

15、进一步地，所述代价函数g(j)如下：

16、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：

17、ia+ib+ic＝0

18、其中，ia、ib、ic分别为逆变器a相、b相和c相的输出侧相电流。

19、进一步地，虚拟电压矢量vvx满足如下关系：

20、

21、其中vvx表示模型预测电压矢量，vi和ti分别表示合成虚拟电压矢量所使用的真实电压矢量及其对应的作用时间，ts为所有真实电压矢量的作用总时间，n为所使用的矢量的数量。

22、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：

23、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；

24、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；

25、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；

26、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；

27、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。

28、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。

技术特征：

1.一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，

7.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，

8.一种直流中性点电压自平衡的三相三电平逆变器控制系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序以实现如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。

技术总结
本申请提供一种三相三电平逆变器控制方法和系统。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。本申请使得输出电压谐波减少，简化了控制器的设计与计算时间。可以减少直流侧的电压、电流传感器，减少硬件成本。

技术研发人员：杨勇,莫仁基,陈胜伟,肖扬,樊明迪
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13