CN112615557B - 三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法 - Google Patents

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Abstract

一种三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，根据三电平并网逆变器的数学离散模型，将占空比优化矢量，即零矢量与最优开关矢量，即非零矢量按开关切换次数最小原则绑定使用，并分别使其作用最优矢量时间；再通过扇区分区方法将三电平逆变器所需遍历的27个电压矢量减少到某个扇区内的10个矢量，并剔除零矢量只保留非零矢量，即每个控制周期只需遍历7个非零矢量，从而显著减小由于计算延时带来的误差影响。本发明能够在尽量保持较小计算量的情况下，实现开关频率固定、并网电流谐波减小与谐波分布范围变窄等众多优势。

Description

三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法
技术领域
本发明涉及的是一种智能电网控制领域的技术，具体是一种基于占空比优化的三电平并 网逆变器有限控制集模型预测定频方法，适用于各种需要控制并网电流的并网逆变器应用场合。
背景技术
电力电子***往往具有非线性、时变性、强耦合性、不确定性，难以获得精确模型参数， 要求动态响应快速等特点，而现有的控制方法往往需要精确的控制对象模型参数，因而在控制 效果上将大大降低，影响其各种性能，比如参数整定困难、动态响应缓慢，对谐波的抑制能力 差，***稳定性弱，难以实现数字化等一系列问题。
针对上述缺陷的改进技术包括滑模变结构控制(Sliding-Mode Control，SMC)、模糊控制 (Fuzzy control)、模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)，其中：模型预测控制由于其 控制原理直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计，对克服工业控制过程中的非线 性及不确定性等问题有非常好的效果，而且易于增加约束、动态响应快、鲁棒性强等多种优势， 受到广泛关注。模型预测控制与现有的电流控制方法相比，其更为简单与高效，并有着更优的 动态响应特性。但其每一次控制周期的决策过程都是独立的，无法形成一个多周期的统一规划， 这可能会使得相邻两个控制周期都选择同一个开关矢量，导致开关频率不固定，进而导致并网 电流谐波分布广泛，滤波器参数难以设计，甚至***发生谐振失稳等一系列问题。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种三电平并网逆变器有限控制集模型预测 定频方法，适应性广、计算量小、开关频率固定的特点，能够在尽量保持较小计算量的情况下， 还具有固定的开关频率与并网电流纹波显著减少等特点，不但保证经典方法的快速性等优点， 还实现开关频率固定、并网电流谐波减小与谐波分布范围变窄等众多优势。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，根据三电平并网逆变 器的数学离散模型预测得到最优开关矢量与占空比优化矢量，即非零电压矢量与零电压矢量， 再按开关切换次数最小原则，使这两个矢量分别以最优矢量时间作用于逆变器，使得并网电流 跟踪给定值；在每个控制周期中，把待输出电压矢量集合中的每个电压矢量依次代入定义好的 代价函数中，遴选出使得代价函数取值最小的电压矢量。
所述的开关切换次数最小原则是指：先让最优开关矢量作用，后让占空比优化矢量作用， 即首先输出与参考电压矢量uref(k+1)的幅值和相角最接近的逆变器最优开关矢量，并使其作用 T1时间，然后再输出与其绑定的开关切换次数最小的占空比优化矢量，并使其作用T0时间，则 能够让并网电流i(k)先增加△iL1，再增加△iL0达到iL10(k+1)，使其更接近于iref(k+1)，此时存在 电流跟踪误差，此误差比单矢量输出时的误差明显减小；但当是上一次控制周期使用的占空比 优化矢量与这一次将要使用的占空比优化矢量一样，则应该先让占空比优化矢量作用，再让最 优开关矢量作用，以降低开关频率。
例如，根据开关切换次数最小原则，当最优开关矢量是(1，1，-1)时，其占空比优化矢 量为(1，1，1)；而最优开关矢量是三个开关函数不相等时，如(1，0，-1)，则占空比优化矢量 应为(0，0，0)。
所述的三电平并网逆变器的数学离散模型为：
Figure BDA0002849223070000021
其中：i(k+1)、u(k+1)、e(k+1)分别为***第k 个采样周期时对k+1时刻并网电流矢量的预测，即对下一个采样周期时的预测、逆变器输出电 压矢量的预测、电网矢量的预测；i(k)为***第k个采样周期时的并网电流矢量。
优选地，本发明根据无差拍原理，当三电平逆变器在下一时刻能够达到并网电流参考值 iref(k+1)，则用iref(k+1)代替i(k+1)，则逆变器输出电压矢量的预测为
Figure BDA0002849223070000022
当想要在对下一个采样周期时，使并网电流矢量达到iref(k+1)，则需要逆变器输出参考电压矢量u(k+1)＝uref(k+1)，当逆变器输出的矢量是与 uref(k+1)的幅值与相角接近的逆变器最优开关矢量，则也能使并网电流矢量接近iref(k+1)，但此 时存在电流跟踪误差，此误差一般较大。当考虑使逆变器输出双电压矢量，可进一步减小电流 跟踪误差。
所述的预测得到最优开关矢量与占空比优化矢量是指：作用矢量选择基于代价函数 G＝G1+λ2G2，其中：
Figure BDA0002849223070000023
其中：λ2为 NPC逆变器的中点电位平衡的次要控制目标代价函数G2的权重系数，通过调制G2的权重系数 λ2调制中点电位平衡的效果，权重系数λ2的调整方式可根据实际应用场景来确定；iref_α(k+1)、 iref_β(k+1)分别为对下一个采样周期时，预测的参考电流矢量iref(k+1)在两相静止坐标α-β系下的 α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；iα(k+1)、iβ(k+1)分别为对下一个采样周期时，预测的并网电 流矢量i(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值。
优选地，通过适当增大代价函数G中的权重参数λ2以抵消算法带来的偏差。
所述的最优矢量时间，通过以下方式确定：根据最优开关矢量与占空比优化矢量计算其 在一次控制周期中的分别最优作用时间：在两相静止坐标α-β系下，当u1与u0分别作用到逆变 器时，并网电流iα、iβ对时间t的导数分别为kα1、kα0与kβ1、kβ0；采样时间为Ts，在每个控制 周期内，使代价函数G最小的u1与u0的最优矢量作用时间T1与T0满足
Figure BDA0002849223070000031
T1＝Ts-T0； 最优开关矢量u1的作用时间
Figure BDA0002849223070000032
其中：△kα＝kα1-kα0， △kβ＝kβ1-kβ0，
Figure BDA0002849223070000033
Figure BDA0002849223070000034
Figure BDA0002849223070000035
Figure BDA0002849223070000036
u1_α、u1_β是u1分别在两相静止坐 标α-β系下α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；u0_α、u0_β是u0分别在两相静止坐标α-β系下α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；iref_α(k+1)、iref_β(k+1)分别为对下一个采样周期时，预测的参考电 流矢量iref(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；iα(k)、iβ(k)为在当 前采样周期时，采样得到的并网电流i(k)，分别在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β 轴上的坐标值。
所述的矢量作用时间T1介于0到Ts之间，当T1大于Ts，则令T1等于Ts；当T1小于0， 则令T1等于0。
本发明涉及一种实现上述方法的***，包括：基于无差拍原理的扇区分区单元、输出电 压矢量切换单元、最优矢量作用时间单元和直流母线中点电位平衡单元，其中：基于无差拍原 理的扇区分区单元根据参考电流矢量信息得到最优开关矢量和占空比优化矢量信息，即得到能 使逆变器输出电流跟踪上参考电流和能使逆变器直流母线电容中点电位平衡的最优开关矢量 和占空比优化矢量信息；该信息输入到输出电压矢量切换策略单元得到需要逆变器输出的矢量 组及其输出顺序；最优矢量作用时间单元根据最优开关矢量、占空比优化矢量信息及其输出顺 序，计算得出输出的矢量组中各个矢量的作用时间；最后，逆变器根据输出顺序、矢量的作用 时间使逆变器依次输出各个矢量。
技术效果
本发明整体解决了现有的三电平并网逆变器模型预测方法的计算量大导致难以拓展到 多电平逆变器应用场景，开关频率不固定，权重因子难以选择，并网电流谐波分布广等缺点。
与现有技术相比，本发明采用了扇区分区和开关切换次数最小原则的方法，将三电平逆 变器所需遍历的27个电压矢量减少到某个扇区内的7个非零矢量，从而显著减小由于计算延 时带来的误差影响。在多电平逆变器应用场景下，本发明实现固定的开关频率、计算量小，动 态响应快并且适用于所有逆变器电流跟踪场景。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为三电平并网逆变器的拓扑图；
图3为三电平逆变器输出电压矢量；
图4(a)为基于无差拍原理的扇区分区方法(以第一扇区为例)；
图4(b)为多个静止同步补偿器并联***拓扑结构图；
图5为逆变器输出电压矢量切换策略
图6为本发明所述算法与经典的模型预测算法的稳态实验结果比较；
图中：左边一列为经典的模型预测算法下的稳态实验结果图，从上到下依次为三相并网 电流波形、A相并网电流波形、A相并网电流波形、A相并网电流波形与直流母线电容电压值， 右边一列为与之对应的本发明所述算法下的稳态实验结果图，(e)与(f)为单个并网电流周期的波 形图对比；(g)与(h)为直流母线电容中点电位平衡的控制效果；
图7为本发明所述算法与经典的模型预测算法的动态实验结果比较；
图中：左边一列为经典的模型预测算法下的动态实验结果图，从上到下依次为三相并网 电流动态响应波形、A相并网电流动态响应波形、三相并网电流动态响应波形、A相并网电流 动态响应波形，右边一列为与之对应的本发明所述算法下的稳态实验结果图，(a)～(d)分别为并 网电流在dq0旋转坐标系下d轴参考电流值从15增加到25。
具体实施方式
如图2所示，为本实施例涉及的三电平并网逆变器拓扑结构示意图；该逆变器包括：中 点钳位(Neutral PointClamped，NPC)三电平逆变器、电感L及其寄生电阻R、电网电压eA、eB、 eC，直流母线电压Vdc，直流母线电容C1与C2，功率开关管SA1～SC4。
如图1所示，为本实施例涉及一种基于占空比优化的三电平并网逆变器有限控制集模型 预测定频方法，包括以下步骤：
1)确定三电平并网逆变器的数学离散模型：定义旋转因子a＝ej2π/3，则在两相静止坐标 α-β系下可得到***的逆变器输出电压矢量
Figure BDA0002849223070000041
电网电压矢量
Figure BDA0002849223070000042
并网电流矢量
Figure BDA0002849223070000043
则图2所示的***在两相静止 坐标α-β系下的数学模型为：
Figure BDA0002849223070000044
其数学模型离散为：
Figure BDA0002849223070000051
其中：i(k+1)、u(k+1)、e(k+1)分别为***第k 个采样周期时对k+1时刻并网电流矢量的预测，即对下一个采样周期时的预测、逆变器输出电 压矢量的预测、电网矢量的预测；i(k)是***第k个采样周期时的并网电流矢量；第k+1时刻 的预测矢量可用矢量补偿法进行外推，即
Figure BDA0002849223070000052
直流母线电容的离散表达式 为：
Figure BDA0002849223070000053
其中：VCi(k+1)是对下一个采样周期时直流母线电容Ci(i＝1,2) 的电压预测值；VCx(k)、iCx(k)分别是第k个采样周期时直流母线电容Ci(i＝1,2)的电压采样值和 其流过的电流采样值。
所述的逆变器的开关状态，通过开关函数SA、SB、SC决定：
Figure BDA0002849223070000054
其中：Sx(x＝A，B，C)是NPC逆变器的x相的开关 函数；Sxi(x＝A，B，C；i＝1，2，3，4)是NPC逆变器x相的第i号开关管；当考虑所有的开关组合构成的开关函数矢量(SA，SB，SC)，可得三电平27个真实电压空间矢量如图3所示。
所述的直流母线电容电压差的离散表达式为：
Figure BDA0002849223070000055
其中：直流母线电容电压差 △VC＝VC1-VC2；ΔVC(k+1)和SABC(k+1)分别对下一个采样周期时，直流母线电容电压差的预测值 与逆变器的开关函数矢量的预测；ΔVC(k)、iABC(k)是第k个采样周期时，直流母线电容电压差 的采样值与ABC相并网电流的矢量采样值。
2)基于无差拍原理的扇区分区方法：以第一扇区为例，如图4所示，通过变形式：
Figure BDA0002849223070000056
并用iref(k+1)代替i(k+1)，则得到
Figure BDA0002849223070000057
该式的含义是当想要在对下一个采样周期时， 使并网电流矢量达到iref(k+1)，则需要逆变器输出参考电压矢量u(k+1)＝uref(k+1)，使并网电流 从i(k)增加△iL＝L*△uL(k+1)/Ts达到iref(k+1)，其中uL(k+1)是电感上的电压矢量。当逆变器输 出的矢量是与uref(k+1)的幅值与相角接近的逆变器最优开关矢量，则也能使并网电流矢量接近 iref(k+1)。假设逆变器输出最优开关矢量(1，0，-1)，则能使并网电流i(k)增加 △iL1＝L*△uL1(k+1)/Ts达到iL1(k+1)达到，此时存在电流跟踪误差G1＝|iref(k+1)–iL1(k+1)|2，此 误差一般较大。
当考虑使逆变器输出双电压矢量，可进一步减小电流跟踪误差。本实施例结合占空比优 化的思想，把占空比优化矢量与最优开关矢量，即零矢量和非零矢量绑定使用，并分别使其作 用最优矢量时间T1与T0，其原理如图4(b)所示。首先输出与参考电压矢量uref(k+1)的幅值和 相角最接近的逆变器最优开关矢量(1，0，-1)，并使其作用T1时间，然后再输出与其绑定的开 关切换次数最小的占空比优化矢量(0，0，0)，并使其作用T0时间，则能够让并网电流i(k)先 增加△iL1，再增加△iL0达到iL10(k+1)，使其更接近于iref(k+1)，此时存在电流跟踪误差 G10＝|iref(k+1)–iL10(k+1)|2，此误差比单矢量输出时的误差G1明显减小，改善效果见后文实验验 证部分。
3)输出电压矢量切换策略：作用矢量选择基于代价函数G＝G1+λ2G2，其中 G1＝[iref_α(k+1)-iα(k+1)]2+[iref_β(k+1)-iβ(k+1)]2，G2＝|ΔVC(k+1)|，其中：λ2是NPC 逆变器的代价函数G2权重系数；iref_α(k+1)、iref_β(k+1)分别是对下一个采样周期时，预测的参 考电流矢量iref(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值。在实际应用中， 可适当调整代价函数G中的λ2以适应各种不同的应用场景对直流母线中点电位平衡的要求。
在每个控制周期内，先判断出参考电压矢量uref(k+1)所在扇区，再依据[0026]所述方法 将该扇区所有非零矢量带入代价函数G中判断，筛选出使得G最小的最优开关矢量，然后将此 最优开关矢量及占空比优化矢量输出电压矢量切换策略分别作用到逆变器。输出电压矢量切换 策略具体为：占空比优化矢量的选择遵循开关切换次数最小原则，如图4所示。例如，如当最 优开关矢量是(1，1，-1)时，其占空比优化矢量为(1，1，1)；而最优开关矢量是三个开关函数 不相等时，如(1，0，-1)，则占空比优化矢量应为(0，0，0)。矢量的作用顺序也应当遵循开关 切换次数最小原则，通常应先让最优开关矢量作用，后让占空比优化矢量作用。但当是上一次 控制周期使用的占空比优化矢量与这一次将要使用的占空比优化矢量一样，则应该先让占空比 优化矢量作用，再让最优开关矢量作用，以降低开关频率。该通过扇区分区方法，可把经典的 模型预测算法所需遍历的27个电压矢量减少到某个扇区内的10个矢量，又由于零矢量与非零 矢量已绑定，可以继续剔除零矢量只保留非零矢量，即每个控制周期只需遍历7个非零矢量， 可以明显减小由于计算延时带来的误差影响。
4)确定矢量作用的时间：设最优开关矢量u1与占空比优化矢量u0的作用时间为T1与T0； 在两相静止坐标α-β系下，当u1与u0分别作用到逆变器时，并网电流iα、iβ对时间t的导数分别 为kα1、kα0与kβ1、kβ0；采样时间为Ts。则下一个采样周期时，并网电流iα(k+1)＝iα(k)+kα1·T1+kα0·T0，iβ(k+1)＝iβ(k)+kβ1·T1+kβ0·T0；在每个控制周期内， 使代价函数G最小的u1与u0的最优矢量作用时间T1与T0满足：
Figure BDA0002849223070000071
T1＝Ts-T0。因此 最优矢量作用时间T1的表达式：
Figure BDA0002849223070000072
其 中：△kα＝kα1-kα0，△kβ＝kβ1-kβ0，可以从下式
Figure BDA0002849223070000073
得到，由计算得到的T1介于0到 Ts之间，当T1大于Ts，则令T1等于Ts；当T1小于0，则令T1等于0，T指代针对每一确定矢 量的时间常量，t为一般化的时间变量。
5)直流母线中点电位平衡：本实施例基于三电平拓扑，还需对中点电位平衡进行讨论， 由于在每个控制周期内最终使用的是两个真实空间矢量，即最优开关矢量与占空比优化矢量， 其中占空比优化矢量为零矢量，故其不影响中点电位平衡，具体包括：
5.1)控制直流母线电容间电压平衡作为控制的次要目标被表达在代价函数G中，其中直 流母线电容电压差△VC的预测式为可从：
Figure BDA0002849223070000074
修改为：
Figure BDA0002849223070000075
5.2)但当使用上式作为每个真实空间矢量对直流母线电容间电压平衡的作用效果影响的 判断依据的话，则需要对每个真实空间矢量都计算一次最优作用时间，这会加大方法的计算量， 影响方法的控制效果，实际工程中，继续使用
Figure BDA0002849223070000076
对 直流母线电容间电压平衡效果影响不大。
为验证本发明的正确性及有效性，搭建一台实验样机，具体样机参数如表1所示：
表1样机参数
Figure BDA0002849223070000077
Figure BDA0002849223070000081
实施例主控制器采用DSP+FPGA的体系，其中主控芯片为DSP，采用TMS320F28335DSP 芯片作为核心运算及采样控制，FPGA采用CycloneEP1C12Q24017NFPGA芯片作为双口RAM 并行处理数据。
两种方法的稳态结果如图6(a)至(h)所示。在图6中，左边一列为经典的模型预测方法 下的稳态实验结果图，从上到下依次为三相并网电流波形、A相并网电流波形、A相并网电流 波形、A相并网电流波形与直流母线电容电压值、动态响应波形。右边一列为与之对应的本方 法下的稳态实验结果图。观察图6中(a)到图(f)，对比左边一列与右边一列，可知本方法能明显 改善并网电流纹波，其中单个并网电流周期的波形图对比如图(e)与(f)所示，并用红色虚线圆框 圈出本方法的明显改善之处。(g)与(h)展示的是方法对直流母线电容中点电位平衡的控制效果， 可见经典的模型预测方法与本方法都能很好的控制直流母线电容中点电位平衡。观察图6中(a) 到图(f)，对比左边一列与右边一列，可知本发明所述算法能明显改善并网电流纹波，其中单个 并网电流周期的波形图对比如图(e)与(f)所示，并用红色虚线圆框圈出DCO-MPC算法的明显改 善之处。(g)与(h)表明FCS-MPC算法与DCO-MPC算法都能很好的控制直流母线电容中点电位 平衡。
两种方法的动态结果如图7(a)至(h)所示。在图7中，左边一列为经典的模型预测方法 下的动态实验结果图，从上到下依次为三相并网电流动态响应波形、A相并网电流动态响应波 形、三相并网电流动态响应波形、A相并网电流动态响应波形。右边一列为与之对应的本方法 下的稳态实验结果图。
为与仿真对应，将逆变器输出的并网电流在dq0旋转坐标系下d轴参考电流值从15增 加到25，两种方法的结果如图6中(a)至(d)所示；从25减小到15，两种方法的结果如图7中 (e)至(h)所示，其中切换参考值的过渡过程在图中用虚线圆框圈出。从图可见本方法，其动态 响应几乎与经典的模型预测方法基本一致，仅在数个周期就达到给定值，证本方法的可行性与 快速性。对比实验结果与第3节仿真结果，可以看出本发明所提DCO-MPC算法与经典的 FCS-MPC算法相比，具有更强的波抑制能力且保持了模型预测算法的快速性，这验证了本发明 所提算法的可行性与有效性。
本发明采用基于无差拍原理的扇区分区方法，选择出每个控制周期需遍历的7个真实开 关矢量，然后依据代价函数遴选出最优开关矢量和其绑定的占空比优化矢量，并分别以最优矢 量作用时间来依次作用于逆变器。实现能在尽量保持较小计算量的情况下，还具有固定的开关 频率与并网电流纹波显著减少等特点。本方法较之经典的模型预测方法有较大改善，且具有较 大应用价值。
本发明的基于无差拍原理的扇区分区方法，使得经典的三电平并网逆变器模型预测方法 的遍历27个电压矢量减少到某个扇区内的10个矢量，再结合本方法的占空比优化思想，把零 矢量(占空比优化矢量)与最优开关矢量(非零矢量)绑定使用，并分别使其作用最优矢量时间， 可以使得开关频率固定，并网电流更接近参考电流，且每个控制周期只需遍历7个非零矢量， 可以明显减小由于计算延时带来的影响。
本发明的占空比优化矢量的选择遵循开关切换次数最小原则，如当最优开关矢量是(1， 1，-1)时，其占空比优化矢量为(1，1，1)；而最优开关矢量是三个开关函数不相等时，如(1， 0，-1)，则占空比优化矢量应为(0，0，0)；矢量的作用顺序也应当遵循开关切换次数最小原则， 通常应先让最优开关矢量作用，后让占空比优化矢量作用。但当是上一次控制周期使用的占空 比优化矢量与这一次将要使用的占空比优化矢量一样，则应该先让占空比优化矢量作用，再让 最优开关矢量作用，以降低开关频率。
本发明的占空比优化矢量与最优开关矢量的作用时间基于对代价函数G求对其关于时 间t的偏导数得其最优最优时间的原理得到。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式 对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围 内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (9)

1.一种三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征在于，根据三电平并网逆变器的数学离散模型基于无差拍原理的扇区分区方法预测得到最优开关矢量与占空比优化矢量，即非零电压矢量与零电压矢量，再按开关切换次数最小原则，使这两个矢量分别以最优矢量时间作用于逆变器，使得并网电流跟踪给定值；在每个控制周期中，从待输出电压矢量中遴选代价函数取值最小的电压矢量；
所述的基于无差拍原理的扇区分区方法是指：通过变形式：
Figure FDA0003536127470000011
并用iref(k+1)代替i(k+1)，则得到
Figure FDA0003536127470000012
即当想要在对下一个采样周期时，使并网电流矢量达到iref(k+1)，则需要逆变器输出参考电压矢量u(k+1)＝uref(k+1)，使并网电流从i(k)增加△iL＝L*△uL(k+1)/Ts达到iref(k+1)，其中uL(k+1)是电感上的电压矢量；当逆变器输出的矢量是与uref(k+1)的幅值与相角接近的逆变器最优开关矢量，则也能使并网电流矢量接近iref(k+1)；
所述的开关切换次数最小原则是指：先让最优开关矢量作用，后让占空比优化矢量作用，即首先输出与参考电压矢量uref(k+1)的幅值和相角最接近的逆变器最优开关矢量，并使其作用T1时间，然后再输出与其绑定的开关切换次数最小的占空比优化矢量，并使其作用T0时间，则能够让并网电流i(k)先增加△iL1，再增加△iL0达到iL10(k+1)，使其更接近于iref(k+1)，上一次控制周期使用的占空比优化矢量与这一次将要使用的占空比优化矢量一样，则应该先让占空比优化矢量作用，再让最优开关矢量作用，以降低开关频率。
2.根据权利要求1所述的三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征是，所述的三电平并网逆变器的数学离散模型为：
Figure FDA0003536127470000013
其中：i(k+1)、u(k+1)、e(k+1)分别为***第k个采样周期对k+1时刻，即对下一个采样周期，并网电流矢量、逆变器输出电压矢量及电网矢量的预测；i(k)为***第k个采样周期时的并网电流矢量，Ts为采样时间，L为电感，R为寄生电阻。
3.根据权利要求1或2所述的三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征是，根据无差拍原理，当三电平并网逆变器在下一时刻能够达到并网电流参考值iref(k+1)，则用iref(k+1)代替i(k+1)，则逆变器输出电压矢量的预测为
Figure FDA0003536127470000021
其中：Ts为采样时间，L为电感，R为寄生电阻，当逆变器输出参考电压矢量u(k+1)＝uref(k+1)时，能够使得并网电流矢量在下一个采样周期达到iref(k+1)；当逆变器输出的矢量是与uref(k+1)的幅值与相角接近的逆变器最优开关矢量，则也能使并网电流矢量接近iref(k+1)。
4.根据权利要求1所述的三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征是，所述的预测得到最优开关矢量与占空比优化矢量是指：作用矢量选择基于代价函数G＝G1+λ2G2，其中：
Figure FDA0003536127470000022
其中：△VC为直流母线电容电压差，λ2为三电平并网逆变器的中点电位平衡的次要控制目标代价函数G2的权重系数，通过调制G2的权重系数λ2调制中点电位平衡的效果，权重系数λ2的调整方式以根据实际应用场景来确定；iref_α(k+1)、iref_β(k+1)分别为对下一个采样周期时，预测的参考电流矢量iref(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；iα(k+1)、iβ(k+1)分别为对下一个采样周期时，预测的并网电流矢量i(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值。
5.根据权利要求4所述的三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征是，通过适当增大代价函数G中的权重参数λ2以抵消算法带来的偏差。
6.根据权利要求2所述的三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征是，所述的最优矢量时间，通过以下方式确定：
根据最优开关矢量与占空比优化矢量计算其在一次控制周期中的分别最优作用时间：在两相静止坐标α-β系下，当u1与u0分别作用到逆变器时，并网电流iα、iβ对时间t的导数分别为kα1、kα0与kβ1、kβ0；采样时间为Ts，在每个控制周期内，使代价函数G最小的u1与u0的最优矢量作用时间T1与T0满足
Figure FDA0003536127470000023
最优开关矢量u1的作用时间
Figure FDA0003536127470000024
其中：△kα＝kα1-kα0，△kβ＝kβ1-kβ0，
Figure FDA0003536127470000025
Figure FDA0003536127470000031
u1_α、u1_β是u1分别在两相静止坐标α-β系下α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；u0_α、u0_β是u0分别在两相静止坐标α-β系下α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；iref_α(k+1)、iref_β(k+1)分别为对下一个采样周期时，预测的参考电流矢量iref(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值；iα(k)、iβ(k)为在当前采样周期时，采样得到的并网电流i(k)，分别在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值，则T0＝Ts-T1。
7.根据权利要求6所述的三电平并网逆变器有限控制集模型预测定频方法，其特征是，所述的矢量作用时间T1介于0到Ts之间，当T1大于Ts，则令T1等于Ts；当T1小于0，则令T1等于0。
8.一种实现上述任一权利要求所述方法的***，其特征在于，包括：基于无差拍原理的扇区分区单元、输出电压矢量切换单元、最优矢量作用时间单元和直流母线中点电位平衡单元，其中：基于无差拍原理的扇区分区单元根据参考电流矢量信息得到最优开关矢量和占空比优化矢量信息，即得到能使逆变器输出电流跟踪上参考电流和能使逆变器直流母线电容中点电位平衡的最优开关矢量和占空比优化矢量信息；该信息输入到输出电压矢量切换单元得到需要逆变器输出的矢量组及其输出顺序；最优矢量作用时间单元根据最优开关矢量、占空比优化矢量信息及其输出顺序，计算得出输出的矢量组中各个矢量的作用时间；最后，逆变器根据输出顺序、矢量的作用时间使逆变器依次输出各个矢量；
所述的直流母线中点电位平衡单元的控制的次要目标为控制直流母线电容间电压平衡，其中：直流母线电容电压差△VC的预测式为：
Figure FDA0003536127470000032
9.根据权利要求8所述的***，其特征是，所述的输出电压矢量切换是指：作用矢量选择基于代价函数G＝G1+λ2G2，其中G1＝[iref_α(k+1)-iα(k+1)]2+[iref_β(k+1)-iβ(k+1)]2，G2＝|ΔVC(k+1)|，其中：λ2是三电平并网逆变器的代价函数G2权重系数；iref_α(k+1)、iref_β(k+1)分别是对下一个采样周期时，预测的参考电流矢量iref(k+1)在两相静止坐标α-β系下的α轴上的坐标值和β轴上的坐标值。
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