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e_A、e_B、 e_C，直流母线电压V_dc，直流母线电容C₁与C₂，功率开关管S_A1～S_C4。

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＝e^j2π/3，则在两相静止坐标 α-β系下可得到系统的逆变器输出电压矢量电网电压矢量并网电流矢量则图2所示的系统在两相静止 坐标α-β系下的数学模型为：其数学模型离散为： 其中：i(k+1)、u(k+1)、e(k+1)分别为系统第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)是系统第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，即直流母线电容的离散表达式 为：其中：V_Ci(k+1)是对下一个采样周期时直流母线电容C_i(i＝1,2) 的电压预测值；V_Cx(k)、i_Cx(k)分别是第k个采样周期时直流母线电容C_i(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S_A、S_B、S_C决定：

其中：S_x(x＝A，B，C)是NPC逆变器的x相的开关 函数；S_xi(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(S_A，S_B，S_C)，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：

其中：直流母线电容电压差 △V_C＝V_C1-V_C2；ΔV_C(k+1)和S_ABC(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；ΔV_C(k)、i_ABC(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：并用i_ref(k+1)代替i(k+1)，则得到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i_ref(k+1)，则需要逆变器输出参考电压矢量u(k+1)＝u_ref(k+1)，使并网电流 从i(k)增加△i_L＝L*△u_L(k+1)/T_s达到i_ref(k+1)，其中u_L(k+1)是电感上的电压矢量。当逆变器输 出的矢量是与u_ref(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 i_ref(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 △i_L1＝L*△u_L1(k+1)/T_s达到i_L1(k+1)达到，此时存在电流跟踪误差G₁＝|i_ref(k+1)–i_L1(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u_ref(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△i_L1，再增加△i_L0达到i_L10(k+1)，使其更接近于i_ref(k+1)，此时存在电流跟踪误差 G₁₀＝|i_ref(k+1)–i_L10(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＝[i_{ref_α}(k+1)-i_α(k+1)]²+[i_{ref_β}(k+1)-i_β(k+1)]²，G₂＝|ΔV_C(k+1)|，其中：λ₂是NPC 逆变器的代价函数G₂权重系数；i_ref_α(k+1)、i_ref_β(k+1)分别是对下一个采样周期时，预测的参 考电流矢量i_ref(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u_ref(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i_α、i_β对时间t的导数分别 为k_α1、k_α0与k_β1、k_β0；采样时间为Ts。则下一个采样周期时，并网电流i_α(k+1)＝i_α(k)+k_α1·T₁+k_α0·T₀，i_β(k+1)＝i_β(k)+k_β1·T₁+k_β0·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：T₁＝T_s-T₀。因此 最优矢量作用时间T₁的表达式：

其 中：△k_α＝k_α1-k_α0，△k_β＝k_β1-k_β0，可以从下式得到，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△V_C的预测式为可从：修改为：

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

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。