单相NPC三电平逆变器双矢量电流预测控制方法和系统

本发明涉及三电平逆变器控制，尤其涉及一种单相npc三电平逆变器双矢量电流预测控制方法和系统。

背景技术：

1、npc(中点钳位)三电平逆变器能够解决由于半导体器件工艺限制、过高的电压变化率、电流品质等因素在高电压等级大功率高性能逆变器设计上的难关。采用单相npc三电平变换器作为单元模块，构建级联变换器，可以降低设计成本，提高可靠性。

2、常见的单相npc三电平逆变器的控制策略主要包括直流电流控制和模型预测控制。直流电流控制易于实现、鲁棒性强，但由于该算法的开关频率不恒定，导致该算法在工程中应用较少。单相npc三电平逆变器在使用模型预测控制方法时，存在开关频率不固定、电流谐波大、多目标优化复杂和对处理器运算效率要求高等问题。

3、有鉴于此，有必要设计一种频率固定的、单目标控制的快速跟踪控制系统及方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种单相npc三电平逆变器双矢量电流预测控制方法，以解决现有技术中开关频率不固定、多目标优化复杂和跟踪输出的电流波形存在谐波大和频谱分散的问题。

2、本发明的第二个目的在于提供一种单相npc三电平逆变器双矢量电流预测控制系统。

3、为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

4、一种单相npc三电平逆变器双矢量电流预测控制方法，所述单相npc三电平逆变器包括直流源、第一电容、第二电容、第一开关管至第八开关管、第一二极管至第四二极管、lc滤波器和负载电阻，其中，第一电容和第二电容并联在直流源的正负端，第一开关管至第四开关管依次串联，第五开关管至第八开关管依次串联，两组依次串联的开关管分别并联在直流源的正负端，第一开关管和第二开关管的连接点与第三开关管和第四开关管的连接点之间依次连接第一二极管和第二二极管，第五开关管和第六开关管的连接点与第七开关管和第八开关管的连接点之间依次连接第三二极管和第四二极管，第一二极管和第二二极管的连接点、第三二极管和第四二极管的连接点，以及第一电容和第二电容的连接点均相连，第二开关管和第六开关管的发射极分别作为单相npc三电平逆变器的a相输出端和b相输出端，a相输出端和b相输出端连接lc滤波器和负载电阻，其中，单相npc三电平逆变器的九种开关状态对应九个输出电压矢量和五个输出电压值，每一输出电压矢量对应一个输出电压值，所述九个输出电压矢量划分为若干个主导矢量和若干个冗余矢量，所述方法包括：

5、步骤s1：基于所述单相npc三电平逆变器的拓扑结构分析得到逆变器输出电流的动态约束方程；

6、步骤s2：采用前向欧拉法对所述动态约束方程中的逆变器输出电流变量离散化得到下一时刻的逆变器输出电流；

7、步骤s3：基于所述主导矢量和所述冗余矢量设计开关管的开关序列，并基于下一时刻的逆变器输出电流构建得到代价函数；

8、步骤s4：计算五个输出电压值分别对应的代价函数值，根据五个代价函数值构建代价函数集，并对所述代价函数集遍历寻优得到最优解和次优解分别对应的两个输出电压值，以根据两个输出电压值确定相应的主导矢量和冗余矢量；

9、步骤s5：计算最优解和次优解对应的主导矢量和冗余矢量的作用时间，并根据所述开关序列、所述主导矢量和所述冗余矢量的作用时间生成多个pwm脉冲，分别驱动a相和b相上的多个开关管，以实现下一时刻的逆变器输出电流的跟踪预测。

10、可选的，所述步骤s1中的动态约束方程表示如下：

11、

12、其中，is为逆变器输出电流，为逆变器输出电流的变化率，l为滤波器电感值，uab为逆变器的输出电压值，uout为负载电阻的电压值，r为lc滤波器所在滤波电路的等效电阻。

13、可选的，所述步骤s2中的下一时刻的逆变器输出电流表示如下：

14、

15、其中，is(k)为当前k时刻的逆变器输出电流，is(k+1)为k+1时刻的逆变器输出电流，ts为开关管的控制周期，uab()为当前k时刻的逆变器输出电压值，uout(k)为当前k时刻的负载电阻的电压值。

16、可选的，所述步骤s3中的代价函数表示如下：

17、

18、其中，f为代价函数，||为取绝对值函数，为k+1时刻给定的逆变器输出电流。

19、可选的，所述步骤s4中的代价函数集表示如下：

20、g＝{f1+f2，f2+f3，f3+f4，f4+f5}

21、其中，g为代价函数集，f1～f5分别为五个输出电压值对应的代价函数值。

22、可选的，所述步骤s5中的作用时间表示如下：

23、

24、其中，t1为各冗余矢量作用的总时间，t2为主导矢量的作用时间，fopt1为次优解对应的代价函数值，fopt2为最优解对应的代价函数值。

25、可选的，该方法还包括：采用直流侧电容电压均衡的比例积分调节器获取调节时间，以通过所述调节时间调节冗余矢量作用时间，实现直流侧第一电容的端电压和第二电容的端电压的均衡。

26、可选的，将直流侧第一电容的端电压和第二电容的端电压的差值输入至所述比例积分调节器，以便所述比例积分调节器判断所述差值不为0时，根据各冗余矢量作用时间的差值获取所述调节时间。

27、可选的，所述开关序列为由所述主导矢量和所述冗余矢量组合表征的对称序列。

28、为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种单相npc三电平逆变器双矢量电流预测控制系统，应用于上述所述的单相npc三电平逆变器双矢量电流预测控制方法，该系统包括：

29、单相npc三电平逆变器；

30、预测模块，用于预测所述单相npc三电平逆变器下一时刻的逆变器输出电流；

31、代价函数遍历寻优模块，用于构建代价函数，并根据所述代价函数得到代价函数集，以及对所述代价函数集遍历寻优得到最优解和次优解分别对应的两个输出电压值，以根据两个输出电压值确定相应的主导矢量和冗余矢量，并计算得到相应的作用时间；

32、pwm脉冲发生器，用于根据所述作用时间和基于主导矢量和冗余矢量设计的开关序列生成多个pwm脉冲，分别驱动a相和b相上的多个开关管，以实现下一时刻的逆变器输出电流的跟踪预测。

33、本发明至少具有以下技术效果：

34、1、本发明提供了一种双矢量恒定开关频率的电流跟踪预测控制方法，该方法以逆变器输出电压矢量而非开关矢量为有限集进行跟踪电流预测，可降低跟踪电流预测计算量，并通过单目标即给定的逆变器输出电流构造代价函数，以及通过代价函数遍历寻优确定最优和次优电压矢量即主导矢量和冗余矢量，可消除多目标优化问题，另外本发明根据代价函数值计算双矢量作用时间，并在下一控制周期中同时输出两种电压矢量，可实现恒定开关频率，并降低输出电流谐波，提高跟踪电流波形质量。

35、2、本发明还通过比例积分调节器调整冗余矢量作用时间来实现直流侧电容电压均衡控制，从而进一步降低输出电流谐波，提高跟踪电流波形质量，并且该方法具有很快的调节速度。

36、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。