[发明专利]混合多电平变流器及其可变开关频率轨迹优化控制方法

摘要

本发明公开了一种混合多电平变流器及其可变开关频率轨迹优化控制方法，混合多电平变流器连接在直流电网和三相交流电网之间，其可变开关频率轨迹优化控制方法包括以下步骤S1、建立混合多电平变流器微分方程模型；S2、推导从第k+1到第k+δ步的离散化状态方程；S3、确定输出电流预测值的可行采样点集合；S4、求取目标函数fθ(k)的最优值fθ，opt(k)，将可行预测点对应的开关函数向量Sθ，opt[k]作为混合多电平变流器第k步的开关信号，完成在数字信号处理器的数据装载，在电流轨迹最优预测点对应的时刻发出PWM开关信号。本发明能够实现上、下桥臂各个全桥逆变器和半桥逆变器的子模块直流母线电容电压稳定控制、交流侧电流的快速轨迹跟踪和可变开关频率优化控制。

主权项

混合多电平变流器可变开关频率轨迹优化控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1、建立混合多电平变流器微分方程模型：以桥臂电流为状态变量建立混合多电平变流器的桥臂电流状态方程，以各子模块直流母线电压为状态变量建立混合多电平变流器子模块的直流母线电压状态方程；具体过程如下：设Vdc为直流电网电压，idc为直流电网电流，usa、usb、usc分别为交流电网A相、B相、C相电压，uaM、ubM、ucM为混合多电平变流器输出多电平电压，Ls和Rs分别为交流线路电感和线路电阻,Lm和Rm分别为桥臂电感和桥臂电阻，iaT、ibT、icT分别为混合多电平变流器A相、B相、C相上桥臂电流，iaB、ibB、icB分别为混合多电平变流器A相、B相、C相下桥臂电流，iz0,a、iz0,b、iz0,c分别为混合多电平变流器A相、B相、C相的环流电流；根据基尔霍夫定律，建立混合多电平变流器的A相、B相、C相微分方程如下：LmdiaTdt+LmdiaBdt=-RmiaT-RmiaB-Σj=12Nuc,ajsaj+Vdc---(1)]]>LmdibTdt+LmdibBdt=-RmibT-RmibB-Σj=12Nuc,bjsbj+Vdc---(2)]]>LmdicTdt+LmdicBdt=-RmicT-RmicB-Σj=12Nuc,cjscj+Vdc---(3)]]>其中，uc,ij和sij分别为第i相第j个子模块的直流母线电压和子模块开关函数；根据基尔霍夫定律，交流电网A相、B相、C相输出电流为：ii＝iiT‑iiB   (4)根据基尔霍夫定律，定义多电平变流器A相、B相、C相环流电流为：iz0,i=iiT2+iiB2-idc3---(5)]]>根据多电平变流器电压回路特性，定义函数fa、fb、fc分别为：fa=Σj=1Nuc,ajsaj+RmiaT+LmdiaTdt+Rsia+Lsdiadt+usa---(6)]]>fb=Σj=1Nuc,bjsbj+RmibT+LmdibTdt+Rsib+Lsdibdt+usb---(7)]]>fc=Σj=1Nuc,cjscj+RmicT+LmdicTdt+Rsic+Lsdicdt+usc---(8)]]>根据基尔霍夫定律，分别令fa＝fb,fb＝fc,fc＝fa，整理后得到如下方程：(Lm+Ls)diaTdt-LsdiaBdt-(Lm+Ls)dibTdt+LsdibBdt=-(Rm+Rs)iaT+RsiaB+(Rm+Rs)ibT-RsibB-Σj=1Nuc,ajsaj+Σj=1Nuc,bjsbj-usa+usb---(9)]]>(Lm+Ls)dibTdt-LsdibBdt-(Lm+Ls)dicTdt+LsdicBdt=-(Rm+Rs)ibT+RsibB+(Rm+Rs)icT-RsicB-Σj=1Nuc,bjsbj+Σj=1Nuc,cjscj-usb+usc---(10)]]>(Lm+Ls)dicTdt-LsdicBdt-(Lm+Ls)diaTdt+LsdiaBdt=-(Rm+Rs)icT+RsicB+(Rm+Rs)iaT-RsiaB-Σj=1Nuc,cjscj+Σj=1Nuc,ajsaj-usc+usa---(11)]]>定义多电平变流器各桥臂电流的状态变量为：Xi＝[iaT iaB ibT ibB icT icB]T将公式(1)～(3)及(9)～(11)写成如下状态空间方程：HidXidt=WiXi+KiS+Di---(12)]]>其中，系数矩阵Hi、Wi、Ki，输入向量S及扰动向量Di分别表示为：Hi=LmLm000000LmLm000000LmLmLm+Ls-Ls-Lm-LsLs0000Lm+Ls-Ls-Lm-LsLs-Lm-LsLs00Lm+Ls-Ls]]>Wi=-Rm-Rm000000-Rm-Rm000000-Rm-Rm-Rm-RsRsRm+Rs-Rs0000-Rm-RsRsRm+Rs-RsRm+Rs-Rs00-Rm-RsRs]]>Ki=KaTKaB000000KbTKbB000000KcTKcBKaT0-KbT00000KbT0-KcT0-KaT000KcT0]]>S＝[sa1,...,sa(2N),sb1,...,sb(2N),sc1,...,sc(2N)]TDi＝[Vdc,Vdc,Vdc,‑usa+usb,‑usb+usc,‑usc+usa]T在矩阵Ki中，向量KaT、KaB、KbT、KbB、KcT、KcB分别表示为：KaT＝[uc,a1,uc,a2,...,uc,aN]，KaB＝[uc,a(N+1),uc,a(N+2),...,uc,a(2N)]KbT＝[uc,b1,uc,b2,...,uc,bN]，KbB＝[uc,b(N+1),uc,b(N+2),...,uc,b(2N)]KcT＝[uc,c1,uc,c2,...,uc,cN]，KcB＝[uc,c(N+1),uc,c(N+2),...,uc,c(2N)]定义混合多电平变流器各桥臂电流状态方程的输出向量为：Yi＝[ia ib ic iz0,a iz0,b iz0,c]T设混合多电平变流器各桥臂电流状态方程的输出方程为：Yi＝ZiXi   (13)由式(4)、(5)可知，系数矩阵Zi表示为：Zi=1-10000001-10000001-11612-130-130-1301612-130-130-1301612]]>定义混合多电平变流器各桥臂各子模块直流母线电压的状态变量为：Xc＝[uc,a1,...,uc,a(2N),uc,b1,...,uc,b(2N),uc,c1,...,uc,c(2N)]T根据各个子模块开关模式，得到如下状态方程：dXcdt=WcXc+KcS---(14)]]>其中，系数矩阵Wc、Kc分别表示为：Wc=-1CcapRdcI6N,Kc=1CcapiaTIN0N0N0N0N0N0NiaBIN0N0N0N0N0N0NibTIN0N0N0N0N0N0NibBIN0N0N0N0N0N0NicTIN0N0N0N0N0N0NicBIN]]>在矩阵Wc、Kc中，0N为N阶零矩阵，IN为N阶单位矩阵，I6N为6N阶单位矩阵,Rdc为子模块直流母线电容Ccap等效的并联电阻，用于等效子模块的功率损耗；S2、根据桥臂电流状态方程依次推导从第k+1到第k+δ步的离散化状态方程，推导桥臂电流的离散化状态变量及其输出变量，根据直流母线电压状态方程依次推导从第k+1到第k+δ步的离散化状态方程，求取离散化状态变量及其输出变量；具体过程如下：将状态方程(12)离散化，得：Xi[k+1]＝MiXi[k]+GiS[k]+Fi   (15)其中，系数矩阵Mi、Gi、Fi分别表示为：Mi=eHi-1WiTs,Gi=Wi-1Hi(eHi-1WiTs-I6)Hi-1Ki,Fi=Wi-1Hi(eHi-1WiTs-I6)Hi-1Di]]>由公式(13)得到第k+1步的混合多电平变流器桥臂电流状态方程的离散化输出方程为：Yi[k+1]＝ZiMiXi[k+1]+ZiGiS[k]+ZiFi   (16)将式(14)离散化，第k+1步的子模块直流母线电压状态方程的离散化方程为：Xc[k+1]＝McXc[k]+GcS[k]   (17)其中，系数矩阵Mc、Gc分别表示为：第k+1步的子模块直流母线电压状态方程的输出向量为：Yc[k+1]＝I6NXc[k+1]   (18)由公式(15)推导多电平变流器各桥臂电流的状态变量Xi第k+2步预测值：Xi[k+2]=Mi2Xi[k]+(Mi+1){GiS[k]+Fi}---(19)]]>依次迭代，推导出Xi第k+δ步的预测值为：Xi[k+δ]=MiδXi[k]+Σj=0δ-1Mij·{GiS[k]+Fi}---(20)]]>推导出电容电压状态向量Xc第k+δ步的预测值为：Xc[k+δ]=MiδXc[k]+Σj=0δ-1Mij·{GcS[k]}---(21);]]>S3、定义混合多电平变流器第i相输出电流轨迹跟踪偏差函数，由递推关系求取偏差函数与前一个采样点偏差函数值的变化趋势，作为电流轨迹跟踪的约束条件，确定A相、B相、C相输出电流预测值的可行采样点集合Θ；具体过程如下：定义第i相输出电流轨迹跟踪偏差函数为：fi,err(k)＝|ii(k)‑ii,ref(k)‑ε|+|ii(k)‑ii,ref(k)+ε|‑2ε   (22)在稳态情况下，如果电流ii(k)在允许的纹波范围内，则有fi,err(k)＝0成立；在动态过程中，如果ii(k)超过了允许的纹波范围，则有fi,err(k)>0成立，因此将fi,err(k)的符号作为电流轨迹跟踪的约束条件，在第k个采样点得到A相输出电流的实际值，利用公式(15)预测k+1及后续时刻A相、B相、C相的输出电流值，根据电流轨迹跟踪偏差函数(22)评估第k+1及后续时刻的电流变化趋势，确定可行的预测采样点；设A、B、C三相输出电流预测的采样点个数量分别为AMAX、BMAX、CMAX，将A、B、C三相所有预测采样点的集合定义为：Θ＝{a1,a2,...,aAMAX,b1,b2,...,bBMAX,c1,c2,...,cCMAX}；S4、根据混合多电平变流器离散化状态方程及其递推关系式求取环流电流向量第k步及第k+δθ步的离散表达式和二阶范数；所述环流电流向量为：Yz0＝[iz0,a iz0,b iz0,c]T；S5、定义混合多电平变流器各个子模块直流母线电压波动量的状态变量，然后求取各个子模块直流母线电压波动量状态变量第k步及第k+δθ步的离散表达式和二阶范数；定义各个子模块直流母线电压波动量的状态变量为：Xc,ripple＝[uc,a1‑Uc,ref,...,uc,aN‑Uc,ref,uc,b1‑Uc,ref,...,uc,c1‑Uc,ref,...,uc,cN‑Uc,ref]T其中，Uc,ref为各个子模块直流母线电压的参考值；S6、根据第k‑1步输入向量S[k‑1]和预测的所有可行采样点集合Θ对应的输入向量Sθ[k]，以及环流电流向量的二阶范数和各个子模块直流母线电压波动量状态变量的二阶范数，求取目标函数fθ(k)的最优值fθ,opt(k)，将可行预测点对应的开关函数向量Sθ,opt[k]作为混合多电平变流器第k步的开关信号，完成在数字信号处理器的数据装载，在电流轨迹最优预测点对应的时刻发出PWM开关信号，实现混合多电平变流器可变开关频率轨迹跟踪优化控制的目标；定义的优化目标函数：fθ(k)=||Sθ[k]-S[k-1]||2||S[k-1]||2+||Xc,ripple[k+δθ]||2||Xc,ripple[k]||2+||Yz0[k+δθ]||2||Yz0[k]||2,θ∈Θ---(23)]]>其中，Xc,ripple[k+δθ]为Xc,ripple第k+δθ步的采样值，Yz0[k]和Yz0[k+δθ]分别为Yz0第k步和第k+δθ步的采样值，θ为预测采样点集合Θ的元素，S[k‑1]及Sθ[k]分别为第k‑1步输入向量和可行采样点集合Θ对应的输入向量，||x||2为x的二阶范数运算；将预测采样点集合Θ的所有元素θ代入公式(23)，求取目标函数的最小值：fθ,opt(k)＝min{fθ(k)}，θ∈Θ   (24)根据公式(24)求取最优目标函数，其对应的电流轨迹最优预测点k+δθ,opt，将最优目标函数对应的多电平变流器开关函数向量Sθ,opt[k]作为k时刻最终的开关向量，完成在数字控制器的数据装载，在电流轨迹最优预测点k+δθ,opt对应的时刻发出PWM开关信号，第k个PWM开关周期TPWM[k]是采样周期Ts的整数倍，TPWM[k]的数值完全由目标函数优化结果决定，从而实现了混合多电平变流器变开关频率轨迹跟踪优化控制的目标；所述的混合多电平变流器，连接在直流电网和三相交流电网之间，用Mij表示混合多电平变流器第i相第j个模块，其中，i＝a,b,c；j＝1,…,2N，a,b,c表示混合多电平变流器的A、B、C三相，N为每个桥臂子模块的个数，则Mij包括以下子模块：Mi1和Mi(2N)为全桥逆变器构成的有源滤波器子模块，用于抑制混合多电平变流器环流中的谐波分量；所述的全桥逆变器分别包括四个IGBT：T1,ij、T2,ij、T3,ij、T4,ij，四个反并联二极管：D1,ij、D2,ij、D3,ij、D4,ij和子模块直流母线电容：Ccap；T1,ij的发射极与T2,ij的集电极相连，T3,ij的发射极与T4,ij的集电极连接，T1,ij的发射极还连接全桥逆变器交流侧输出端FB1,ij，T3,ij的发射极还连接全桥逆变器交流侧输出端FB2,ij，T1,ij和T3,ij的集电极分别与Ccap的正极相连，T2,ij和T4,ij的发射极分别与Ccap的负极连接，T1,ij、T2,ij、T3,ij、T4,ij分别反并联二极管D1,ij、D2,ij、D3,ij、D4,ij；Mi2,…,Mi(2N‑1)为半桥逆变器子模块，用于合成多电平电压；所述的半桥逆变器模块分别包括两个IGBT：T1,ij、T2,ij，两个反并联二极管：D1,ij、D2,ij和子模块直流母线电容：Ccap；T1,ij的集电极与Ccap的正极相连，T1,ij的发射极与T2,ij的集电极相连，T2,ij的发射极与Ccap的负极连接，T1,ij的发射极还与半桥逆变器交流侧输出端HB1,ij相连，T2,ij的发射极还与半桥逆变器交流侧输出端HB2,ij连接，T1,ij、T2,ij分别反并联二极管D1,ij、D2,ij；混合多电平变流器第i相上桥臂的Maj、Mbj、Mcj内部的各个子模块的交流侧首尾相连，j＝1,…,N，其中，Ma1、Mb1和Mc1的输入端分别与直流电网正极相连，MaN、MbN和McN的输出端分别与桥臂电感连接；混合多电平变流器第i相下桥臂的Maj、Mbj、Mcj内部的各个子模块交流侧首尾相连，j＝N+1,…,2N，其中，Ma(N+1)、Mb(N+1)、Mc(N+1)的输入端分别与另一桥臂电感相连，Ma(2N)、Mb(2N)和Mc(2N)的输出端分别连接直流电网负极。