[发明专利]一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法

说明书

本发明公开了一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，属电力电子与电力传动领域，该算法选取共模电压幅值较小的基本电压矢量作为控制集，使共模电压幅值减小一半，迭代次数由27次减少为19次；通过构造与基本电压矢量幅值、方向相同，中点电流不同或均为0的虚拟电压矢量，形成一对冗余矢量控制中点电位平衡。相较于传统模型预测控制算法，本算法同时实现了共模电压抑制和中点电位平衡控制，省去了权重项的设计，减少了输出电流谐波含量，解决了中点电位拉偏后再控制平衡的暂态过程中电流畸变问题，具有算法简单，适用性强的优点。

技术领域

本发明涉及电力电子与电力传动领域中二极管箝位型三电平变换器调制与控制领域，具体涉及一种无权重项设计即可实现共模电压抑制和中点电位平衡控制，具有低谐波含量的二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法。

背景技术

二极管箝位型三电平变换器以其输出电压谐波含量少，耐压等级高等优点逐渐被工业广泛应用于中、高压场合。二极管箝位型三电平变换器输出侧产生较大的共模电压，会在电动机的转轴上感应出高幅值的轴电压，形成轴电流，从而破坏电气绝缘，缩短电机的使用寿命。另外高频共模电压会产生高频漏电流，产生电磁干扰，影响周围电气设备的正常工作。另外，由于电路拓扑固有的问题，存在上、下分压电容不均衡的情况，从而导致逆变器输出电压畸变，电流谐波含量增加。

随着现代控制理论及数字控制器的快速发展，模型预测控制以其动态响应快、控制简单灵活、便于处理非线性约束等优点，近年来受到广泛关注。针对二极管箝位型三电平变换器，传统的模型预测控制算法中，未考虑共模电压抑制，且控制集包含全部基本电压矢量，循环迭代次数较多；另外，通过目标函数的约束进行中点电位平衡的控制，但需要额外设计权重项，权重项会影响输出电流的谐波，尤其在中点电位拉偏后控制平衡的暂态过程中，电流畸变严重，同时权重系数的取值又难以计算。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提供一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测算法，在抑制共模电压的基础上，省去中点电位平衡控制权重项的设计，控制中点电位平衡，进一步减少输出电流谐波含量，减小计算量。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种二极管箝位型三电平变换器高性能模型预测控制算法，其包括以下步骤：

S1，根据二极管箝位型三电平变换器拓扑结构，27组开关组合在两相静止坐标系下对应27个基本电压矢量。

S2，舍弃共模电压幅值为和的基本电压矢量共8个，其中为直流母线电压的采样值，剩余19个基本电压矢量组成控制集。

S3，分别计算所述19个基本电压矢量作用时的中点电流，对于每一个中点电流不为0的基本电压矢量，构造一个幅值和方向相同、但中点电流不同的虚拟电压矢量，形成一对冗余，而对于每一个中点电流为0的基本电压矢量，其冗余虚拟电压矢量为其本身。

S4，建立系统预测模型公式，在k时刻分别代入所述控制集19个基本电压矢量，得到19个k+1时刻的预测输出电流。

S5，设计不含中点电位平衡控制权重项的评价函数，将目标输出电流、与所述19个k+1时刻预测输出电流代入评价函数进行循环计算，选取出使评价函数值最小的基本电压矢量作为最优基本电压矢量，最优基本电压矢量对应的冗余虚拟电压矢量称之为最优虚拟电压矢量。

S6，建立中点电位预测模型，在k时刻计算所述最优基本电压矢量、所述最优虚拟电压矢量作用后k+1时刻中点电压预测值，选取出最接近于0或等于0的电压矢量作为最优电压矢量输出到调制模块，并按照设计的脉冲序列作用于开关器件。

进一步地，所述S1中基本电压矢量在两相静止坐标系中定义为：