CN112383239B - 具有多电平逆变器的模型预测方法、***、设备及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有多电平逆变器的模型预测方法、***、设备及存储介质，属于微电网技术领域。柔性参考电流计算模块可以提供负载所需的不平衡和谐波电流，且该参考电流是从电网电压的各个分量中计算出来的，所有计算都在静止坐标系下进行，不需要应用锁相环，因此控制方法更简单、易于实现；模型预测控制算法模块可以跟踪多频参考电流，不需要任何调制方式，不仅可以实现多目标控制，还具有更快的瞬态响应和更高的稳定裕度；在不同微电网情况下，该控制方法都可以在一定程度上抑制***的有功功率振荡，维持***的稳定高效运行，因此，本发明的模型预测***，具有一定的普适性和实用性。

Description

具有多电平逆变器的模型预测方法、***、设备及存储介质

技术领域

本发明属于微电网技术领域，涉及具有多电平逆变器的模型预测方法、***、设备及存储介质。

背景技术

由于非线性负载的广泛应用，不平衡和畸变的电网现象越来越多，这些微电网的运行条件会根据负荷曲线不断变化，进而引起有功功率振荡，导致直流侧电压波动，对电网产生污染。这不仅会影响储能***中电池和电容的使用寿命，还会影响***的稳定性。只有通过降低电网电流的谐波失真，才能降低有功功率振荡。因此，为了应对各种预期的微电网异常情况，需要研究适用的控制算法来抑制***的有功功率振荡，维持其稳定高效运行。

有研究者提出采用有源电力滤波器，以提供负载所需的不平衡和谐波电流，这种方法虽然简单，但有源电力滤波器的直流侧电容电压也有波动，这会缩短其使用寿命；另有研究者提出一种改进分布式发电机组的控制方法，该方法可以在一定程度上避免有功功率振荡，但这些方法的功率分析都是在旋转坐标系下进行的，因此，需要应用锁相环来实现控制算法，但锁相环设计不当会影响微电网的性能和稳定性，目前避免锁相环的应用已成为一种趋势。还有研究者提出采用模型预测控制器，利用逆变器的动态模型来获得控制输入，这种方法与传统的线性控制器相比具有更高的动态效应，但没有解决有功功率振荡和电流总谐波失真之间的权衡问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中，传统控制方法使用寿命短、设计复杂、对电网稳定运行影响大、控制效果不理想的缺点，提供具有多电平逆变器的模型预测方法、***、设备及存储介质。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种具有多电平逆变器的模型预测***，包括二极管箝位三电平逆变器和控制单元；

二极管箝位三电平逆变器包括输入电容、二极管、滤波电感、负载电阻、功率开关管及电网侧的三相输入电压。

控制单元包括：

电流测量模块，用于提取电网侧的电流值，并将电流值数据传输至模型预测控制算法模块；

电压测量模块，用于提取电网侧的三相电压和电容电压值，并将三相电压数据传输至谐波消除模块，将电容电压数据传输至模型预测控制算法模块；

谐波消除模块，接收电压测量模块提取的三相电压数据，并对接收的三相电压数据进行正序和负序谐波分量消除，将谐波消除后的电压数据传输至柔性参考电流计算模块；

柔性参考电流计算模块，接收谐波消除模块传输的数据，并结合给定有功功率参考值对谐波消除后的数据进行计算，获取控制***所需的参考电流，并将参考电流传输至模型预测控制算法模块；

模型预测控制算法模块，接收电流测量模块传输的电流值数据和电压测量模块传输的电容电压数据，获取并跟踪柔性参考电流计算模块传输的参考电流，获取开关的最优切换状态信号，并将该信号传输至开关状态应用模块；

开关状态应用模块，接收模型预测控制算法模块传输的开关的最优切换状态信号，产生12脉冲的SPWM波，并对二极管箝位三电平逆变器(1)中的功率开关管进行控制，实现***的最优状态切换。

优选地，所述输入电容设有2个，二极管设有6个，负载电阻设有3个，滤波电感设有3个，功率开关管设有12个。

优选地，所述功率开关管为IGBT开关管。

一种模型预测方法，包括如下步骤：

步骤一，采集三相电网数据，所述三相电网数据包括三相电网电压、三相电网电流和电容电压，并对其进行谐波消除，结合有功功率参考值，进行柔性参考电流计算得到参考电流；

步骤二，基于步骤一的三相电网电压、三相电网电流、电容电压和参考电流，利用离散数学模型计算目标函数，之后对目标函数进行优化，得到***的最优切换状态；

步骤三，利用步骤二得到的最优切换状态进行开关状态应用，减小***的有功功率振荡。

优选地，步骤一的具体操作为：采集三相电网电流i_s、三相电网电压u_sa、u_sb、u_sc和电容电压u_c1、u_c2；然后对采集到的三相电网数据进行谐波消除，结合设定的有功功率参考值P_ref，经柔性参考电流计算得到参考电流i_s-ref；计算公式如下：

u_s＝(u_sa u_sb u_sc)^T (1)

u₁＝(u_1a u_1b u_1c)^T (2)

P_ref＝k^1p×[||u^1p||²-(||u¹ⁿ||²-u||⁵ⁿ||²-(2x-1)||u^7p||²)] (3)

其中，u₁为逆变器电压；u_s为电网电压；k^1p为正序一次谐波有功电流幅值，k¹ⁿ为负序一次谐波有功电流幅值；||u^1p||为正序一次谐波电压幅值，||u¹ⁿ||为负序一次谐波电压幅值；i_sα-ref、i_sβ-ref分别为αβ坐标下参考电流分量；

分别为αβ坐标下电网电压正序分量；1代表一次谐波，p代表正序，n代表负序。

优选地，步骤二包括如下步骤：

(2.1)基于步骤一的三相电网电压和参考电流，从***离散化的数学模型中预测被控变量；

(2.2)确定目标函数，得到可用开关状态目标函数；

(2.3)对得到的所有可用开关状态目标函数进行优化。

优选地，步骤二具体操作为：

u_s(m+1)＝3u_s(m)-3u_s(m-1)+u_s(m-2) (8)

O_f(m+1)＝||i_s(m+1)-i_s-ref(m+1)＝||+μ(||u_c1(m)-u_c2(m)||) (9)

i_s-ref(m+1)＝3i_s-ref(m)-3i_s-ref(m-1)+i_s-ref(m-2) (10)

其中，m为当前采样时刻，(m+1)为下一采样时刻，(m-1)为上一采样时刻；T_k为采样间隔；L_s为滤波电感的电感量；R_s为负载阻值；μ为调谐参数；O_f(m+1)为***确定的目标函数。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述模型预测方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述模型预测方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种模型预测***，***中所用的二极管箝位三电平逆变器，是目前应用最广泛的多电平拓扑结构，因此基于该拓扑的研究更具有实际意义和应用价值；控制单元中的柔性参考电流计算模块应用的是一种新型柔性参考电流计算技术，该技术通过调节参数灵活地减小有功功率振荡，产生的参考电流不仅包括正负序电流，还包括低次谐波分量，可以提供负载所需的不平衡和谐波电流，且该参考电流是从电网电压的各个分量中计算出来的，所有计算都在静止坐标系下进行，不需要应用锁相环，因此控制方法更简单、易于实现；控制单元中的模型预测控制算法模块可以跟踪多频参考电流，不需要任何调制方式，不仅可以实现多目标控制，还具有更快的瞬态响应和更高的稳定裕度；此外，在不同微电网情况下，该控制方法都可以在一定程度上抑制***的有功功率振荡，维持***的稳定高效运行，因此，本发明的模型预测***，具有一定的普适性和实用性。

本发明还公开了一种具有多电平逆变器的模型预测方法，由于谐波的存在会影响***的运行效率，因此首先采集逆变器***的三相电网电压对其进行谐波消除，然后结合***有功功率参考值，进行柔性参考电流计算得到参考电流，该方法可通过调节参数灵活地减小有功功率振荡，同时提升***的动态效应；由于***的非线性和不确定性等因素，导致被控对象很难直接控制，因此需要建立可控变量及被控对象之间的关系，即数学模型，通过从***离散化的数学模型中预测被控变量，可以得到控制所需的目标函数，最终通过控制算法对目标函数进行优化，就可达到所需的控制效果。因此基于步骤一的三相电网电压、三相电网电流、参考电流和电容电压，利用离散数学模型计算目标函数，之后对目标函数进行优化，得到***的最优切换状态；将步骤二得到的最优切换状态通过SPWM驱动产生控制开关状态的脉冲，实现开关状态应用，最终达到减小***的有功功率振荡的目的。

附图说明

图1为本发明的具有多电平逆变器***的模型预测控制结构图；

图2为本发明的模型预测控制算法流程图；

其中：1-二极管箝位三电平逆变器；2-控制单元；U_dc为输入电压；C₁和C₂为输入电容，i_c1和i_c2分别为电容C₁和C₂的电流；S₁-S₁₂为功率开关管；D₁-D₆为三组二极管；u_1a、u_1b、u_1c为逆变器侧三相输出电压；L_sa、L_sb、L_sc为滤波电感；R_sa、R_sb、R_sc为负载；u_sa、u_sb、u_sc为电网侧三相输入电压。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

参见图1，本发明的模型预测***，包括二极管箝位三电平逆变器1和控制单元2。控制单元2包括电流测量模块、电压测量模块、谐波消除模块、柔性参考电流计算模块、模型预测控制算法模块以及开关状态应用模块。电流测量模块，用于提取电网侧的电流值；电压测量模块，用于提取电网侧的电压值；谐波消除模块，用于消除所测电压的正序和负序谐波分量；柔性参考电流计算模块，用于产生控制***所需的参考电流；模型预测控制算法模块，用于跟踪参考电流，平衡直流测电容电压；开关状态应用模块，用于产生12脉冲的SPWM波，并对逆变器中的功率开关管进行控制，实现***的最优状态切换。

实施例2

除以下内容外，其余内容与实施例1相同。

如图1所示，二极管箝位三电平逆变器1包括直流输入电压源、2个输入电容、12个功率开关管、6个二极管、3个滤波电感、3个负载电阻及电网侧的三相输入电压。

其中，输入电容C₁一端与输入电容C₂相连，连接点为点O，另一端连接电压源正极和功率开关管S₁、S₅、S₉的集电极，输入电容C₂另一端连接电压源负极和功率开关管S₄、S₈、S₁₂的发射极；功率开关管S₁的发射极接功率开关管S₂的集电极，功率开关管S₂的发射极接功率开关管S₃的集电极，功率开关管S₃的发射极接功率开关管S₄的集电极；功率开关管S₅的发射极接功率开关管S₆的集电极，功率开关管S₆的发射极接功率开关管S₇的集电极，功率开关管S₇的发射极接功率开关管S₈的集电极；功率开关管S₉的发射极接功率开关管S₁₀的集电极，功率开关管S₁₀的发射极接功率开关管S₁₁的集电极，功率开关管S₁₁的发射极接功率开关管S₁₂的集电极；二极管D₁的负极与功率开关管S₁的发射极相连，正极与点O和二极管D₂的负极相连，二极管D₂的正极与功率开关管S₃的发射极相连；二极管D₃的负极与功率开关管S₅的发射极相连，正极与点O和二极管D₄的负极相连，二极管D₄的正极与功率开关管S₇的发射极相连；二极管D₅的负极与功率开关管S₉的发射极相连，正极与点O和二极管D₆的负极相连，二极管D₆的正极与功率开关管S₁₁的发射极相连；滤波电感L_sa一端与功率开关管S₁₀的发射极相连，另一端通过负载R_sa与电网侧电压u_sa相连，滤波电感L_sb一端与功率开关管S₆的发射极相连，另一端通过负载R_sb与电网侧电压u_sb相连，滤波电感L_sc一端与功率开关管S₂的发射极相连，另一端通过负载R_sc与电网侧电压u_sc相连；电网侧电压u_sa、u_sb和u_sc的另一端连接在一起。

下面介绍本发明***的工作原理：

首先，因为电网电压是不平衡的，因此在该三相三线制***中，所有的偶数和三次谐波都不存在，同时为了简化分析，忽略了七次谐波之后的高次谐波。电网电压u_s和逆变器电压u₁分别如式(1)、(2)所示。

u_s＝(u_sa u_sb u_sc)^T (1)

u₁＝(u_1a u_1b u_1c)^T (2)

如图2所示，采集电网电流i_s、电网电压u_sa、u_sb、u_sc以及电容电压u_c1和u_c2，然后将采集到的三相电网电压送入谐波消除模块，结合给定有功功率参考值P_ref，经柔性参考电流计算模块产生模型预测控制算法模块所需的参考电流i_s-ref，其中给定有功功率参考值P_ref和参考电流i_s-ref的计算公式分别如式(3)、(4)、(5)、(6)所示。

P_ref＝k^1p×[||u^1p||²-(||u¹ⁿ||²-||u⁵ⁿ||²-(2x-1)||u^7p||²)] (3)

其中，k^1p为正序一次谐波有功电流幅值，k¹ⁿ为负序一次谐波有功电流幅值；||u^1p||为正序一次谐波电压幅值，||u¹ⁿ||为负序一次谐波电压幅值；i_sα-ref、i_sβ-ref分别为αβ坐标下参考电流分量；

分别为αβ坐标下电网电压正序分量；1代表一次谐波，p代表正序，n代表负序，以此类推；

输入电容(C₁和C₂)、功率开关管(S₁-S₁₂)、二极管(D₁-D₆)、滤波电感(Lsa、Lsb、Lsc)、负载(R sa、R sb、R sc)以及电网侧三相输入电压(u_sa、u_sb、u_sc)

计算出参考电流i_s-ref后，将该值与采集到的电网电流i_s以及电容电压u_c1和u_c2一起送入模型预测控制算法模块，该模块的工作流程如图2所示。主要包括三个步骤：(2.1)从***离散化的数学模型中预测被控变量；(2.2)目标函数的确定；(2.3)所有可用开关状态目标函数的确定与优化。所用到的公式如式(7)、(8)、(9)、(10)所示。通过该算法得到***的最优切换状态，将该信号送入开关状态应用模块以产生12脉冲的SPWM波对逆变器中的功率开关管进行控制，进而实现***的最优状态切换，最终减小***的有功功率的振荡，提高微电网运行稳定性。

u_s(m+1)＝3u_s(m)-3u_s(m-1)+u_s(m-2) (8)

O_f(m+1)＝||i_s(m+1)-i_s-ref(m+1)||+μ(||u_c1(m)-u_c2(m)||) (9)

i_s-ref(m+1)＝3i_s-ref(m)-3i_s-ref(m-1)+i_s-ref(m-2) (10)

其中，m为当前采样时刻，(m+1)为下一采样时刻，(m-1)为上一采样时刻；T_k为采样间隔；L_s为滤波电感的电感量；R_s为负载阻值；μ为调谐参数，其主要决定参考电流分量(正序、负序和谐波)的峰值，该参数在电网电流的谐波失真和低频功率振荡之间建立了一个平衡，在整个调谐参数范围内，传输到微电网的平均有功功率保持不变；O_f(m+1)为***确定的目标函数，接着在每个采样周期中对该目标函数进行优化，最终指示并应用逆变器的开关状态。

本发明方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

在示例性实施例中，还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

综上所述，本发明公开了一种不平衡电网下具有多电平逆变器的模型预测控制方法，其中所用的二极管箝位三电平逆变器，是目前应用最广泛的多电平拓扑结构，因此基于该拓扑的研究更具有实际意义和应用价值；控制单元中的柔性参考电流计算模块应用的是一种新型柔性参考电流计算技术，该技术通过调节参数灵活地减小有功功率振荡，产生的参考电流不仅包括正负序电流，还包括低次谐波分量，可以提供负载所需的不平衡和谐波电流，且该参考电流是从电网电压的各个分量中计算出来的，所有计算都在静止坐标系下进行，不需要应用锁相环，因此控制方法更简单、易于实现；控制单元中的模型预测控制算法模块可以跟踪多频参考电流，不需要任何调制方式，不仅可以实现多目标控制，还具有更快的瞬态响应和更高的稳定裕度；此外，在不同微电网情况下，该控制方法都可以在一定程度上抑制***的有功功率振荡，维持***的稳定高效运行，因此具有一定的普适性和实用性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模型预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，采集三相电网数据，所述三相电网数据包括三相电网电压、三相电网电流和电容电压，并对其进行谐波消除，结合有功功率参考值，进行柔性参考电流计算得到参考电流；

步骤二，基于步骤一的三相电网电压、三相电网电流、电容电压和参考电流，利用离散数学模型计算目标函数，之后对目标函数进行优化，得到***的最优切换状态；

步骤三，利用步骤二得到的最优切换状态进行开关状态应用，减小***的有功功率振荡；

步骤一的具体操作为：采集三相电网电流i_s、三相电网电压u_sa、u_sb、u_sc和电容电压u_c1、u_c2；然后对采集到的三相电网数据进行谐波消除，结合设定的有功功率参考值P_ref，经柔性参考电流计算得到参考电流i_s-ref；计算公式如下：

u_s＝(u_sa u_sb u_sc)^T (1)u₁＝(u_1a u_1b u_1c)^T (2)

P_ref＝k^1p×[||u^1p||²-(||u¹ⁿ||²-||u⁵ⁿ||²-(2x-1)||u^7p||²)] (3)

其中，u₁为逆变器电压；u_s为电网电压；k^1p为正序一次谐波有功电流幅值，k¹ⁿ为负序一次谐波有功电流幅值；||u^1p||为正序一次谐波电压幅值，||u¹ⁿ||为负序一次谐波电压幅值；i_sα-ref、i_sβ-ref分别为αβ坐标下参考电流分量；

分别为αβ坐标下电网电压正序分量；1代表一次谐波，p代表正序，n代表负序；

步骤二包括如下步骤：

(2.1)基于步骤一的三相电网电压和参考电流，从***离散化的数学模型中预测被控变量；

(2.2)确定目标函数，得到可用开关状态目标函数；

(2.3)对得到的所有可用开关状态目标函数进行优化。

2.根据权利要求1所述的模型预测方法，其特征在于，步骤二具体操作为：

u_s(m+1)＝3u_s(m)-3u_s(m-1)+u_s(m-2) (8)

O_f(m+1)＝||i_s(m+1)-i_s-ref(m+1)||+μ(||u_c1(m)-u_c2(m)||) (9)

i_s-ref(m+1)＝3i_s-ref(m)-3i_s-ref(m-1)+i_s-ref(m-2) (10)

其中，m为当前采样时刻，(m+1)为下一采样时刻，(m-1)为上一采样时刻；T_k为采样间隔；L_s为滤波电感的电感量；R_s为负载阻值；μ为调谐参数；O_f(m+1)为***确定的目标函数。

3.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至2任一项所述模型预测方法的步骤。

4.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2任一项所述模型预测方法的步骤。

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