CN107070269B - 一种三相四线逆变器的控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种分裂电容式三相四线逆变器的控制方法及系统，其中方法包括：步骤1，获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态；建立负载扰动状态下三相四线逆变器的变量关系模型；步骤2，获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值；步骤3，在所述三相四线逆变器每一采样周期中，选择所有开关状态中使得代价函数结果值最小的开关状态，作为所述三相四线逆变器下一采样周期的开关状态。本发明能够有效抑制负载扰动下输出滤波电容电压的畸变，使逆变器输出正弦对称的三相电压，直流侧均压效果好；同时可以使得直流侧在电容容值大小不一致的情况下获得良好的均压效果。

Description

一种三相四线逆变器的控制方法及系统

技术领域

本发明涉及逆变器控制技术领域，更具体地，涉及一种三相四线逆变器的控制方法及系统。

背景技术

目前，随着电力电子技术的发展，三相逆变器广泛的应用于智能电网、可再生能源系统、分布式发电系统等系统当中。当三相逆变器带不平衡负载，或者逆变器并联在不平衡电网当中；通常需要采用三相四线制逆变器，三相四线制逆变器一般分为两种：分裂电容式、四桥臂式。在分裂电容式三相四线逆变器中，分裂电容的中点作为负载的中性点，中性线为零序电流提供通道，最终中性线电流流入分裂电容中点当中。而三相逆变器开环工作在负载扰动的情形下输出电压容易发生畸变。

传统技术中，解决上述技术问题通常采用闭环控制抑制负载扰动下输出电压波形的畸变。

然而，传统技术中输出电压闭环控制通过设计合适的PI控制器、重复控制器等实现，此种方法的缺点为控制器设计过程更为复杂。

发明内容

本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，提供一种三相四线逆变器的控制方法及系统。

根据本发明的一个方面，提供一种三相四线逆变器的控制方法，包括：

步骤1，获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态；建立负载扰动状态下三相四线逆变器的变量关系模型；

步骤2，获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值；

步骤3，在所述三相四线逆变器每一采样周期中，选择所有开关状态中使得代价函数结果值最小的开关状态，作为所述三相四线逆变器下一采样周期的开关状态。

根据本发明的一个方面，提供一种三相四线逆变器的控制系统，包括获取模块、计算模块和选择模块：

所述获取模块，与所述计算模块相连，用于获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态；建立负载扰动状态下三相四线逆变器的变量关系模型；

所述计算模块，分别与所述获取模块和选择模块相连，用于获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值；

所述选择模块，与所述计算模块相连，用于在所述三相四线逆变器每一采样周期中，选择所有开关状态中使得代价函数结果值最小的开关状态，作为所述三相四线逆变器下一采样周期的开关状态。

本申请提出一种三相四线逆变器的控制方法及系统，其中控制方法根据三相四线逆变器电路的拓扑结构，建立电路输入侧和输出侧的状态方程，并确定输入输出之间的关系矩阵；确定逆变器满足物理约束条件下所有的开关组合状态的数目；将状态空间方程离散化之后得到下一时刻输出滤波电容电压的预测值和直流侧电容电压预测值；确定代价函数，采用有限集预测控制策略，在每一个采样周期时刻，选择使评价函数最小的开关状态作为下一个时刻的开关状态。本发明所提出的控制方案能够有效抑制负载扰动下输出滤波电容电压的畸变，使逆变器输出正弦对称的三相电压，直流侧均压效果好。同时，该方法可以使得直流侧在电容容值大小不一致的情况下得到良好的均压效果。

附图说明

图1为根据本发明实施例分裂电容式三相四线逆变器拓扑结构示意图；

图2为根据本发明实施例一种三相四线逆变器的控制方法的整体流程示意图；

图3为根据本发明实施例分裂电容式三相四线逆变器3矢量开关状态集合示意图；

图4为根据本发明实施例分裂电容式三相四线逆变器6矢量开关状态集合示意图；

图5为根据本发明实施例利用一种三相四线逆变器的控制方法进行试验中直流侧电压均压示意图；

图6为根据本发明实施例利用一种三相四线逆变器的控制方法进行试验中不平衡负载下输出电压及负载电流示意图；

图7为根据本发明实施例利用一种三相四线逆变器的控制方法进行试验中非线性负载下系统电路示意图；

图8为根据本发明实施例利用一种三相四线逆变器的控制方法进行试验中非线性负载下输出电压及负载电流示意图；

图9为根据本发明实施例一种三相四线逆变器的控制系统的整体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

近年来、预测控制方法广泛运用于电力电子变换器中；此方法实现简单、步骤明确、得到的系统性能优良。然而、该方法未见使用于分裂电容式三相四线逆变器中。因此有必要设计一种负载扰动下三相四线逆变器预测控制方法，使得输出电压性能优良、直流侧均压效果好。

本发明目的在于设计一种负载扰动下三相四线逆变器预测控制方法，以解决负载扰动下三相四线逆变器输出电压畸变以及分裂电容不易均压的问题。

如图2，示出本发明一个具体实施例中一种三相四线逆变器的控制方法整体流程示意图。总体上，包括：步骤1，获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态；建立负载扰动状态下三相四线逆变器的变量关系模型；

步骤2，获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值；

步骤3，在所述三相四线逆变器每一采样周期中，选择所有开关状态中使得代价函数结果值最小的开关状态，作为所述三相四线逆变器下一采样周期的开关状态。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述步骤3后还包括:步骤4，根据直流侧电容直流电压初始分量、电容容值大小情况，采取不同的开关组合状态集。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述步骤1中变量关系模型包括：直流电压与输出电压的关系矩阵、直流电流与输出滤波器电感电流之间的关系矩阵。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述步骤2中获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律还包括：利用直流侧电容微分方程计算所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述步骤2中获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值还包括：利用输出滤波器状态方程计算所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态具体为在满足电路物理约束的条件下，确定逆变器所有开关状态组合：上下桥臂不能直通，输出侧不能开路；上下桥臂有且只有一个开关导通；在上述约束条件下，每个开关的状态应满足：

可得逆变器开关状态组合数为：2*2*2＝8种。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述直流电压与输出电压的关系矩阵如式(1)所示，直流电流与输出滤波器电感电流之间的关系矩阵如式(2)所示：

其中，c_d1、c_d2为直流侧电容；u_c1、u_c2分别为所述逆变器中c_d1、c_d2上的电压；u_oa、u_ob和u_oc分别为所述逆变器A相、B相和C相的输出电压；i_la、i_lb和i_lc分别为A相、B相和C相的滤波电感上的电流；s_A、为A相桥臂上下两个开关；s_B、为B相桥臂上下两个开关；s_C、为C相桥臂上下两个开关；表示该开关的状态，s_i＝1表示上桥臂导通，表示下桥臂导通；s_i＝0表示上桥臂关断，表示下桥臂关断。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述利用直流侧电容微分方程计算所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律还包括：

建立直流侧微分方程：

i_n＝-i_la-i_lb-i_lc (4)

Δu_c＝u_c1-u_c2 (5)

其中c_d1、c_d2为直流侧电容；u_c1、u_c2分别为c_d1、c_d2上的电压；i_la、i_lb、i_lc分别为A相、B相、C相的滤波电感上的电流；i_n为逆变器中性线电流；Δu_c为两个直流电压之差；

将式(3)-(5)进行离散化，利用前向差分方法，定义采样周期为Ts，计算电容压差下一时刻的预测值为：

其中分别为直流侧电容c_d1、c_d2电压当前采样时刻值，A相、B相、C相输出滤波电感电流当前采样时刻的值。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述步骤4中利用输出滤波器状态方程计算所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值还包括：

建立输出侧状态方程：

其中i_i、u_ci、i_li，i∈(a,b,c)分别代表输出负载电流，输出滤波电容电压，输出滤波电感电流；L、C分别代表滤波电感和滤波电容。

将输出侧状态方程离散化得到：

式中i_li ^k+1、u_ci ^k+1分别表示下一采样周期输出滤波电感的电流预测值和滤波电容电压预测值；i_li ^k、u_ci ^k、u_oi ^k、i_i ^k分别代表当前采样时刻输出滤波电感电流值、滤波电容电压值、逆变器输出电压值、负载电流值；其中：H＝A^-1(G-I)B；

下一采样周期的输出滤波电感电流及滤波电容电压：

E2、E3、D2、D3为矩阵G的元素；E1、E4、D1、D4为矩阵H中的元素，这些元素由L、C和采样周期T_s决定。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，所述步骤3前还包括确定代价函数：

确定输出滤波电容电压参考值；

其中ω_o为输出滤波电容电压角频率，u_om为参考输出滤波电容电压幅值。

确定输出滤波电容电压性能评价函数：

g₁＝|u_c-u_c ^*|² (11)

确定直流侧电容电压性能评价函数：

g₂＝|u_c1-u_c2|² (12)

E^*为期望的两个直流侧电容电压值之和，应满足电压传输比的限制：

E^*≥2u_om (13)

确定系统总的功能评价函数：

g＝λ₁g₁+λ₂g₂ (14)

其中，λ₁、λ₂分别代表g₁、g₂的权重系数，权重系数的大小代表了性能重要的程度。

采用有限集模型预测控制策略，在每一采样周期，在所有开关组合状态中选择使代价函数值最小的开关状态，作为下一采样周期的开关状态。

在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制方法，步骤4还包括：当直流侧电容相等时选择逆变器开关状态中的6矢量集；当直流侧电容不相等时先选择3矢量消除直流电压初始电压差值，然后再选择逆变器开关状态中的6矢量集。

根据直流侧电容直流电压初始分量、电容容值大小情况，采取不同的开关组合状态集：开关状态集包括3矢量集(包括3种有效开关状态和2种零开关状态)和6矢量集(包括8种开关状态)；3矢量集和6矢量集如图3、图4所示；所述图3中，左侧表示的为三矢量1，右侧为三矢量2；具体做法为：当直流侧电容相等(直流侧电容电压值初始值相等)时选择6矢量集合，当直流侧电容不相等时(直流侧电容电压值初始值相等)先选择3矢量集合消除初始电压差值，然后再选择6矢量集合。

根据电路关系模型、重复上述步骤。

在本发明另一个具体实施例中，利用本发明一种三相四线逆变器的控制方法具体实验，实验参数如表1所示。

表1、实例中的参数

建立负载扰动下逆变器的关系模型，包括直流电压和输出电压的关系矩阵、直流电流和输出滤波电感电流之间的关系矩阵；

u_c1 、u_c2分别为c_d1、c_d2上的电压；u_oa、u_ob、u_oc分别为逆变器A相、B相、C相的输出电压；i_la、i_lb、i_lc分别为A相、B相、C相的滤波电感上的电流；s_A、代表A相桥臂上下两个开关；s_B、代表B相桥臂上下两个开关；s_C、代表C相桥臂上下两个开关；s_i,表示该开关的状态，s_i＝1代表上桥臂导通，代表下桥臂导通；s_i＝0代表上桥臂关断，代表下桥臂关断；为中间直流电流；

S2：在满足电路物理约束的条件下，确定逆变器所有开关状态组合；

S201:上下桥臂不能直通，输出侧不能开路；

S202:上下桥臂有且只有一个开关导通；

在上述约束条件下，每个开关的状态应满足：

可得逆变器开关状态组合数为：2*2*2＝8种；建立直流侧电容微分方程，得到直流电容电压变化规律；S301:建立直流侧微分方程如下：

i_n＝-i_la-i_lb-i_lc (5)

Δu_c＝u_c1-u_c2 (6)

S302：将上式进行离散化，采用前向差分方法，定义采样周期为Ts，可得电容压差下一时刻的预测值为：

其中u_c1 ^k、u_c2 ^k、i_a ^k、i_b ^k、i_c ^k分别为直流侧电容c_d1、c_d2电压当前采样时刻值，A相、B相、C相输出滤波电感电流当前采样时刻的值；根据表1的参数可以得到具体的参数值。

S4：建立输出滤波器状态方程并进行离散化，得到下一个采样周期的输出侧电感电流及电容电压的预测值，参见图1。

S401：建立输出侧状态方程如下：

其中i_i、u_ci、i_li，i∈(a,b,c)分别代表输出负载电流，输出滤波电容电压，输出滤波电感电流；L、C分别代表滤波电感和滤波电容；参见图1。

S402：将输出侧状态方程离散化得到：

式中i_li ^k+1、u_ci ^k+1分别表示下一采样周期输出滤波电感的电流预测值和滤波电容电压预测值；i_li ^k、u_ci ^k、u_oi ^k、i_i ^k分别代表当前采样时刻输出滤波电感电流值、滤波电容电压值、逆变器输出电压值、负载电流值；其中，

H＝A^-1(G-I)B (11)

S403：联合上述式子可得下一采样周期的输出滤波电感电流及滤波电容电压：

u_ci ^k+1＝D₁u_oi ^k+D₂i_li ^k+D₃u_ci ^k+D₄i_i ^k

i_i ^k+1＝E₁uo_i ^k+E₂i_i ^k+E₃u_ci ^k+E₄i_i ^k (12)

E2、E3、D2、D3为矩阵G的元素；E1、E4、D1、D4为矩阵H的元素，这些元素由L、C和采样周期T_s决定。

S5：确定代价函数；

S501：确定输出滤波电容电压参考值；

其中ω_o为输出滤波电容电压角频率，u_om为参考输出电压幅值；

S502：确定输出滤波电容电压性能评价函数；

g₁＝|u_c-u_c ^*|² (14)

S503：确定直流侧电容电压性能评价函数；

g₂＝|u_c1-u_c2|² (15)

S504：E^*为期望的两个直流侧电容电压值之和，应满足电压传输比的限制；

E^*≥2u_om (16)

S504：确定系统总的功能评价函数；

g＝λ₁g₁+λ₂g₂ (17)

其中，λ₁、λ₂分别代表g₁、g₂的权重系数，权重系数的大小代表了性能重要的程度；

S6：采用有限集模型预测控制策略，在每一采样周期，在所有开关组合状态中选择使代价函数值最小的开关状态，作为下一采样周期的开关状态；

S7：根据直流侧电容直流电压初始分量、电容容值大小情况，采取不同的开关组合状态集；

S701：确定开关状态组合集；

S702：开关状态集包括3矢量集(包括5种开关状态)和6矢量集(包括8种开关状态)；

S703：3矢量集和6矢量集如附图3、图4所示，其中u(010)表示逆变器开关s_B,导通，其余开关关断时逆变器输出电压矢量；其余矢量同理；

S704：具体做法为：当直流侧电容电压初始值不相等时采取3矢量集合状态；当直流侧电容电压直流分量相等时采用6矢量集合状态；u_dc1初始值小于u_dc2初始值选择3矢量集1组；u_dc1初始值大于u_dc2初始值选择3矢量集2组；

当c_d1＝c_d2＝3000uF时，采取6矢量状态集；当c_d1＝3000uF,c_d2＝1500uF时，u_dc1初始值小于u_dc2初始值，采取3矢量集1组；

S8：根据电路关系模型、重复步骤S3～S6；

实验结束得到图5直流侧电压均压图、图6不平衡负载下输出电压及负载电流、直流均压图；改变实例中负载为非线性负载见图7、重复上述过程；得到图8：非线性负载下输出电压波形图及直流均压图。

如图9在本发明另一个具体实施例中，一种三相四线逆变器的控制系统，包括获取模块A1、计算模块A2和选择模块A3：

所述获取模块A1，与所述计算模块A2相连，用于获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态；建立负载扰动状态下三相四线逆变器的变量关系模型；

所述计算模块A2，分别与所述获取模块A1和选择模块A3相连，用于获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及电容电压的预测值；

所述选择模块A3，与所述计算模块A2相连，用于在所述三相四线逆变器每一采样周期中，选择所有开关状态中使得代价函数结果值最小的开关状态，作为所述三相四线逆变器下一采样周期的开关状态。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种分裂电容式三相四线逆变器的控制方法，其特征在于，包括：

步骤1，获取待预测三相四线逆变器的所有开关状态；建立负载扰动状态下三相四线逆变器的变量关系模型；

步骤2，获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及输出侧电容电压的预测值；

步骤3，在所述三相四线逆变器每一采样周期中，选择所有开关状态中使得代价函数结果值最小的开关状态，作为所述三相四线逆变器下一采样周期的开关状态；

所述步骤2中获得所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律还包括：利用直流侧电容微分方程计算所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律；

所述利用直流侧电容微分方程计算所述三相四线逆变器直流侧电容电压变化规律还包括：

建立直流侧微分方程：

i_n＝-i_la-i_lb-i_lc (4)

Δu_c＝u_c1-u_c2 (5)

其中c_d1、c_d2为直流侧电容；u_c1、u_c2分别为c_d1、c_d2上的电压；i_la、i_lb、i_lc分别为A相、B相、C相的滤波电感上的电流；i_n为逆变器中性线电流；Δu_c为两个直流电压之差；c_d1与正极母线相连，c_d2与负极母线相连；

将式(3)-(5)进行离散化，利用前向差分方法，定义采样周期为Ts，计算直流侧电容电压差值下一时刻的预测值为：

其中，Δu_c ^k+1为直流侧电容电压差值下一时刻的预测值；其中，u_c1 ^k、u_c2 ^k、i_la ^k、i_lb ^k、i_lc ^k，分别为直流侧电容c_d1、c_d2电压当前采样时刻值，A相、B相、C相输出滤波电感电流当前采样时刻的值；i_n ^k表示当前采样时刻中性线上的电流值，s_A、为A相桥臂上下两个开关；s_B、为B相桥臂上下两个开关；s_C、为C相桥臂上下两个开关；s_A、s_B、s_C、的取值为0或者1，开关闭合时取值为1，断开时取值为0。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3后还包括:

步骤4，根据直流侧电容直流电压初始值、电容容值大小情况，采取不同的开关组合状态集。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中变量关系模型包括：直流电压与输出电压的关系矩阵、直流电流与输出滤波器电感电流之间的关系矩阵。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中获得所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及输出侧电容电压的预测值还包括：利用输出滤波器状态方程计算所述三相四线逆变器下一个采样周期输出侧电感电流及输出侧电容电压的预测值。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述直流电压与输出电压的关系矩阵如式(1)所示，直流电流与输出滤波器电感电流之间的关系矩阵如式(2)所示：

其中，c_d1、c_d2为直流侧电容；u_c1、u_c2分别为所述逆变器中c_d1、c_d2上的电压；u_oa、u_ob和u_oc分别为所述逆变器A相、B相和C相的输出电压；i_la、i_lb和i_lc分别为A相、B相和C相的滤波电感上的电流；s_A、为A相桥臂上下两个开关；s_B、为B相桥臂上下两个开关；s_C、为C相桥臂上下两个开关；s_i，表示该开关的状态，s_i＝1表示上桥臂导通，表示下桥臂导通；s_i＝0表示上桥臂关断，表示下桥臂关断；i_dc ⁺、i_dc ^-分别代表逆变器正母线上的电流和负母线上的电流。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3前还包括确定代价函数：

确定三相输出滤波电容电压参考值；

其中ω_o为输出滤波电容电压角频率，u_om为参考输出滤波电容电压幅值；

确定三相输出滤波电容电压性能评价函数：

g₁＝|u_c-u_c ^*|² (11)

确定直流侧电容电压性能评价函数：

g₂＝|u_c1-u_c2|² (12)

E^*为期望的两个直流侧电容电压值之和，应满足电压传输比的限制：

E^*≥2u_om (13)

确定系统总的功能评价函数：

g＝λ₁g₁+λ₂g₂ (14)

其中，λ₁、λ₂分别代表g₁、g₂的权重系数。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤4还包括：当直流侧电容的电容值相等时选择逆变器开关状态中的6矢量集；当直流侧电容的电容值不相等时先选择3矢量集消除直流侧电容电压初始差值，然后再选择逆变器开关状态中的6矢量集。