[发明专利]一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法

说明书

本发明的全称为：一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法。本发明为了解决T型三电平LCL型并网逆变器在水平桥臂故障时的容错控制问题，采用模型序列预测控制，通过采集逆变器测电流，将故障运行方式分为健康状态和非健康状态两种。健康状态采用模型序列预测控制，用矢量效果表来筛选备选矢量，备选矢量则用于了控制并网电流的代价函数；模型序列预测容错控制设计了先控制中点电压、后控制并网电流的两个代价函数。最后将得到的最优开关矢量反馈回并网逆变器中，让逆变器在故障下中点电压平衡，并输出高质量电流，提高了并网控制系统的可靠性。

技术领域

本发明属于电力电子变换器故障控制技术领域，具体涉及一种基于序列模型预测控制的并网逆变器容错控制方法。

背景技术

现目前，并网逆变器作为将直流电转化为高质量交流电的桥梁，在新能源分布式发电系统中起到了重要的作用。T型三电平逆变器由于其出色的效率和可控性而受到广泛关注。T型三电平逆变器与传统的两电平逆变器相比，具有更低的网侧电流总谐波畸变和更高的功率，在低压领域得到了广泛应用。

近年来，围绕电力变换器可靠性这一主题的研究大量涌现，因为它对于电力电子系统的稳定和高效运行非常重要。此外，对于T型三电平逆变器系统，最可能出现的故障有两种：电力电子器件的短路故障和开路故障。短路故障会对电力电子设备造成严重损坏，并影响其他电力设备。因此，有必要通过硬件设备强制停止操作，不能通过软件控制策略实现容错。另一方面，开路故障可能是由于热循环和门极驱动错误导致的，一般不会引起严重的问题，但可能会导致降低输出网侧电流的质量，也会导致连接直流侧的电容电压波动或不平衡。因此，开路故障下保证逆变器正常工作的容错控制策略是十分必要的。

现有的T型三电平并网逆变器容错控制方法大致可以分为两类：一是在逆变器中添加冗余组件。当开关发生故障时，冗余电路将接管故障电路继续运行。然而，这是一种不经济而且低效的方法，因为需要添加额外的组件，如IGBT，继电器和晶闸管等。另一种方案是改变调制算法，一般为空间矢量脉宽调制(SVPWM)模式的调制算法。一般情况下，由于SVPWM调制的限制，该方法在故障诊断后，在每个采样时间都需要重新计算每个矢量的持续时间，方法较为复杂。

有限控制集模型预测控制是解决容错控制问题的一个较好的方法，与传统控制方法相比，其不需要PWM调制，而是通过设计一个优化问题即代价函数直接输出最优开关序列。但采用传统模型预测控制也会面临两个问题：一是多目标代价函数的权重因子选取问题，二是计算量较大的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为实现T型三电平LCL型并网逆变器水平开关桥臂开路故障时的容错运行，提供了一种基于序列模型预测控制的容错控制方法。

为了实现上述的目的，本发明采用如下技术方案。

根据图1所示的拓扑结构图，通过电压传感器和电流传感器采集三相交流电压v_g、三相网侧电流i₂、直流母线侧两个电容的电压u_p和u_n。并通过卡尔曼滤波器来估计三相逆变器侧电流i₁和三相滤波电容电压v_C。将中点电压定义为u_n和u_p之差，为了保证直流母线的两个电容始终均分直流电源的电压，中点电压应尽量保持为0。

根据T型三电平并网逆变器水平桥臂故障后的A相逆变器侧电流i_1a的流向分析，将电流为正时的状态称为非健康状态，其他情况时称为健康状态。在健康状态时，逆变器尽管出现故障仍可以如未故障一样正常工作，而非健康状态的网侧电流和中点电压都受到了很大的影响。因此，两种状态将采用不同的控制策略。控制的目标有两个：中点电压的平衡，网侧电流关于其参考值的跟踪。

在健康状态下，采用序列模型预测控制，具体内容如下：