基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制方法及装置

摘要

本发明公开了一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制方法及装置，用于电压源型三相逆变器控制其输出电压，首先采集逆变器当前时刻的输出电压电流和滤波器电流，计算下一采样时刻的预测电压，遍历8组开关状态并选取最小成本函数对应的开关状态作为最优开关状态，然后比较最优开关状态与当前开关状态，若两者不同则计算最优开关状态的延迟切换时间，最后，经过延迟切换时间后，开关状态切换至最优开关状态，完成本周期控制动作。本发明提出的控制方法可在不改变最优开关状态、不增加切换频率的前提下提升逆变器输出电压的电能质量，同时，本发明中关于切换延迟时间的计算量小，实现简单，不需要额外增加采样输入以及计算新的预测值。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制方法及装置。

背景技术

上世纪80年代以来，模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）便应用于化工、炼油等工业现场。因其具有建模简单、参数整定难度小、鲁棒性强等优点，近些年被逐渐拓展应用于电力电子控制、电力系统调度等领域。在电力电子领域中，逆变器作为常见控制对象具有开关状态数目有限且离散的特点，适合采用有限控制集模型预测控制（FiniteControl Set-MPC, FCS-MPC），该控制将所有开关状态代入逆变器预测模型，并将成本函数最小的开关状态作为最优开关状态，执行切换动作。FCS-MPC无需调制环节、且运算量相对较小，是目前广泛应用最广泛的逆变器MPC方法。

FCS-MPC在逆变器采样时刻到来时同步切换到新的开关状态，并保持该状态直至下一采样周期到来，由于采样周期内仅采用单一的开关状态，使得其输出电压的电能质量较差、总谐波畸变率偏大，通过减小采样周期可降低总谐波畸变率，但系统运算量和开关切换频率都将增大。因此，如何在不增加开关切换频率的前提下，提升FCS-MPC的电能质量是电力电子控制领域的研究热点。

发明内容

本发明针对上述问题，提出一种基于延迟切换的逆变器改进有限控制集模型预测控制MPC方法及装置，优化了逆变器开关状态的切换时刻，在采样周期到来后延续当前时刻的开关状态一段时间后再切换为最优开关状态，在不改变最优开关状态、不增加切换频率的前提上提升逆变器输出电压的电能质量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制方法，包括如下步骤：

步骤1：采集逆变器输出三相电压、输出三相电流和滤波器三相电流，并变换至两相静止αβ坐标系分别得到输出电压、输出电流和滤波器电流，建立αβ坐标系下的逆变器离散化预测模型，计算预测输出电压：

步骤2：遍历逆变器开关状态，根据逆变器离散化预测模型中计算的成本函数，选取最小成本函数对应的开关状态作为最优开关状态，并与当前开关状态比较，若相等，则不需要切换开关状态，若不相等，则根据最优开关状态对应的预测输出电压、当前开关状态对应的预测输出电压和参考电压计算延迟切换时间T

步骤3：延续当前时刻的开关状态T

进一步地，建立αβ坐标系下的逆变器离散化预测模型如下：

其中Ts表示采样周期，

进一步地，所述步骤2中计算延迟切换时间T

最优开关状态

其中，

其中，

进一步地，将经过延迟切换时间T

进一步地，当最优开关状态

进一步地，经过延迟切换时间T

其中，

进一步地，延迟切换时间最晚为下一采样周期，因此延迟系数

本发明还提供了一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制装置，该装置包括逆变器离散化预测模型构建模块、延迟切换时间计算模块和开关状态切换模块；

所述逆变器离散化预测模型构建模块用于采集逆变器输出三相电压、输出三相电流和滤波器三相电流，并变换至两相静止αβ坐标系分别得到输出电压、输出电流和滤波器电流，建立αβ坐标系下的逆变器离散化预测模型，计算预测输出电压：

所述延迟切换时间计算模块用于遍历逆变器开关状态，根据逆变器离散化预测模型中计算的成本函数，选取最小成本函数对应的开关状态作为最优开关状态，并与当前开关状态比较，若相等，则不需要切换开关状态，若不相等，则根据最优开关状态对应的预测输出电压、当前开关状态对应的预测输出电压和参考电压计算延迟切换时间T

所述开关状态切换模块用于在延续当前时刻的开关状态T

本发明的有益效果：

（1）本发明可使逆变器在不改变最优开关状态、不增加切换次数的前提上，仅通过推迟最优开关状态的切换时刻，提升输出电压电能质量。

（2）本发明中状态切换延迟时间的计算量小，实现简单，其计算过程仅依赖原有逆变器离散化预测模型，不需要额外增加采样输入以及计算新的预测值。

附图说明

图1为基于延迟切换的逆变器改进有限控制集模型预测控制实现流程图。

图2是逆变器由LC逆变器接入交流母线模型。

图3是采用本发明控制下，逆变器输出电压分析图。

图4是采用传统有限控制集MPC下，逆变器输出电压分析图。

图5为本发明一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。

如图1所示，本发明提供了一种基于开关状态延迟切换的逆变器改进有限控制集模型预测控制方法，具体实施方案如下：

步骤1：采集如图2所示LC逆变器接入交流母线模型时的逆变器输出三相电压Vo

其中Ts表示采样周期，

步骤2：根据步骤1中的逆变器离散化预测模型，遍历逆变器的8组开关状态，选取最小成本函数对应的开关状态作为最优开关状态记为

其中，

进一步的，所述步骤2中延迟切换时间的求取作进一步说明：

当最优开关状态

将其与参考输出电压Vo

其中，

步骤3：延续当前开关状态T

为体现本发明的控制效果，将采用传统FCS-MPC的逆变器与采用本发明控制方法的逆变器作对比，采样频率均为10k，参考输出电压幅值均为311V，频率为50Hz。如图3所示为采用传统有限控制集MPC下，逆变器输出电压情况，用matlab的快速傅里叶变换分析功能对稳态下逆变器a相输出电压进行分析，得出其幅值为307.6V，总谐波畸变率为1.19%；如图4所示为采用本发明的控制下，逆变器输出电压情况，同样用matlab的频谱分析功能对稳态下逆变器a相输出电压进行分析，得出其幅值为308.3V，总谐波畸变率为1.00%。可以看出，采用本发明控制的逆变器其输出电压幅值更接近参考至，且其总谐波畸变率也更小，从而在不改变最优开关状态、不增加切换次数的前提下，提升了逆变器输出电压电能质量。

与前述一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制方法的实施例相对应，本发明还提供了一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制装置的实施例。

如图5所示，本发明还提供了一种基于延迟切换的逆变器有限控制集MPC控制装置，该装置包括逆变器离散化预测模型构建模块、延迟切换时间计算模块和开关状态切换模块；

所述逆变器离散化预测模型构建模块用于采集逆变器输出三相电压、输出三相电流和滤波器三相电流，并变换至两相静止αβ坐标系分别得到输出电压、输出电流和滤波器电流，建立αβ坐标系下的逆变器离散化预测模型，计算预测输出电压：

所述延迟切换时间计算模块用于遍历逆变器开关状态，根据逆变器离散化预测模型中计算的成本函数，选取最小成本函数对应的开关状态作为最优开关状态，并与当前开关状态比较，若相等，则不需要切换开关状态，若不相等，则根据最优开关状态对应的预测输出电压、当前开关状态对应的预测输出电压和参考电压计算延迟切换时间T

所述开关状态切换模块用于在延续当前时刻的开关状态T

上述装置中各个模块的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。

对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。