一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统与流程

本公开涉及变流器控制技术相关技术领域，具体的说，是涉及一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

并网变流器是一种将电能从直流转换为交流、实现馈网的功率变换装置。中性点钳位型三电平变流器通过中性钳点和串联直流电容器来产生三种电平，与两电平变流器相比，在同等单管开关频率下，具有更小的谐波电流、桥臂上开关器件承受的反向电压和开关损耗减半等优势，在低压380v-690v的光伏、风电及储能的并网变流器系统中得到广泛应用。

并网变流器的控制方法包括传统基于调制器和线性控制器的控制方法和直接模型预测控制方法。直接模型预测控制方法是依赖于高速微型处理器的功率变换器和电机高性能的控制方法。通过建立被控对象的离散化模型，预测被控系统变量未来的演变规律，根据应用场景和工况要求，构建代价函数，评价变流器的开关状态，在相应的优化准则下选择最优开关组合，控制变流器的实际输出，实现系统的高性能控制。不同于传统基于调制器和线性控制器的控制方法，直接模型预测控制将“开关调制”和“目标优化”两个环节合二为一，直接送出开关序列。省去调制器，极大地降低了控制系统的实现复杂度，但会导致变流器的开关频率难以固定、频谱分布宽杂。为了满足并网标准，变流器的输出端通常配有相应的滤波器，而滤波器的设计需要依据输出电流和输出分布频谱，变流器的开关频率难以固定、频谱分布宽导致滤波器的设计难度大、系统控制效果差。因此，现有模型预测控制方法虽然具有极快的暂态响应特性、较强的多变量控制能力以及处理系统非线性的能力，却存在开关频率变化大这一问题，一方面导致各个开关的使用寿命相差大，对散热器的设计增加了较大困难，另一方面使输出电流的频谱在频域上分布不集中，容易引起系统产生谐振，给滤波器的设计增加了较大困难。

发明人发现，现有的模型预测控制方法，根据有无借助调制器，分成两类：第一类是基于调制器的类脉宽调制方法，在α-β坐标系中挑选电压矢量组合，通过代价函数求出各矢量最优的作用时间占空比；第二类是不借助调制器的方法，包括对开关动作进行简单的惩罚、借助陷波器等手段。第一类模型预测控制方法，基于调制器的类脉宽调制方法，开关频率基本维持稳定，尽管频谱分布与传统的脉宽调制技术效果相似，但丢失了模型预测控制的优势特点，尤其在桥臂数量增加时，控制算法复杂度大幅提高，难以通用推广。第二类模型预测控制方法，对开关动作进行简单的惩罚，在一定程度上降低了开关的平均动作频率，陷波滤波器能清除较大部分的谐波成分，但没有解决电流的频谱在频域上分布不够集中这一根本问题，限制平均开关动作频率的同时也降低了电流质量，且难以发挥开关器件的物理极限。设计十分复杂，且在工况发生变化时，相关参数需要重新设计，不灵活。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法及系统，针对中性点钳位型三电平并网变流器进行控制，基于传统的模型预测控制方法，提出新的开关周期定义，通过控制开关周期，间接控制开关频率，在保持模型预测控制方法的快速暂态性等优势特点的同时，修订预测控制的目标函数，能够使得输出电流的频谱与脉宽调制效果相似，实现频谱整形，且依然能够良好的追踪参考电流和平衡母线电容电压，可以极大简化滤波器、散热装置的设计，提高系统的寿命和可靠性。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，包括如下步骤：

定义变流器的开关控制周期；

按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；

获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；

根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；

根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。

一个或多个实施例提供了一种针对三电平并网变流器的模型预测控制系统，包括：

定义模块：被配置为用于定义变流器的开关控制周期；

代价函数建立模块：被配置为用于按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；

获取模块：被配置为用于获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；

计算模块：被配置为用于根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；

控制输出模块：被配置为用于根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开基于传统的模型预测控制方法，提出新的开关周期定义，通过控制开关周期，间接控制开关频率，在保持模型预测控制方法的快速暂态性等优势特点的同时，改进预测控制的目标函数，增加开关频率约束项，能够使得输出电流的频谱与脉宽调制效果相似，实现频谱整形，且依然能够良好的追踪参考电流和平衡母线电容电压，可以极大简化滤波器、散热装置的设计，提高系统的寿命和可靠性。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1中性点钳位型三电平并网变流器的功率电路拓扑；

图2是本公开实施例1的控制方法流程图；

图3是本公开实施例1的单个开关的上升型周期tu和下降型周期td定义说明示意图：

图4是本公开实施例1的控制方法中最优输出电压矢量计算方法流程图；

图5是本公开实施例1的中性点钳位型三电平并网变流器的输出电压矢量图；

图6是本公开实施例1的代价函数jt控制机理演示图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1和2所示，一种针对三电平并网变流器的模型预测控制方法，包括如下步骤：

步骤1、定义变流器的开关控制周期；

步骤2、按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪、电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；

步骤3、获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；所述电路参数数值包括变流器输出电压变流器输出电流ik、网侧电压ek以及直流电容器电压差vok；

步骤4、根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小值对应的下一开关控制周期的最优输出电压矢量；

步骤5、根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭；

循环执行步骤3-5，按照计算的最优输出电压矢量，输出每一个开关控制周期最优的开关状态组合，进而实现变流器的输出的循环控制，直到变流器停止运行。

本实施例的模型预测控制方法，在控制目标中设置了达到电流追踪和电容电压平衡的基础上，增加了桥臂上的开关器件的动作频率或者开关频率的约束，引入与开关动作有关的系统变量，根据开关频率变换而输出不同的控制信号控制变流器的开关器件，解决了传统模型预测控制方法因为开关频率不固定导致的输出频谱宽杂分布、谐波影响严重、滤波器设计复杂问题。

下面对上述步骤进行具体说明：

如图1所示，为中性点钳位型三电平并网变流器的功率电路拓扑，x∈{a，b，c}代表桥臂变量，i∈{1，2}为开光管变量，单个桥臂的上两个开关管门极控制信号表示为s^xi(0代表断开，1代表导通)，下两个开关管门极控制信号表示为即上两个开关和下两个开关的状态是互补的，以直流中性点为电压参考点，两个等值电容c1和c2的连接为直流中性点，根据拓扑结构单个桥臂的开关状态与输出电压vx的关系可以如下：

其中，vdc为直流侧直流电源的电压，s^x1为第x桥臂第1开关管的控制信号，s^x2为第x桥臂第2开关管的控制信号，控制信号等于1代表开关管导通，等于0代表开关管断开，vx为x桥臂的输出电压，ux表示桥臂的输出电压的正负性的参数。

通过clarke变换将系统变量转为α-β坐标系变量，clarke变换可以通过如下公式变换：

式中，xabc为clarke变换之前三相静止abc坐标系的变量，xαβ为变换之后两相静止α-β坐标系的变量，tc为变换系数。

以直流中性点n为参考点，根据基尔霍夫电压定律，在α-β坐标系下可得输出电压为：

式中，vαβ在α-β坐标系下的系统输出电压，iαβ在α-β坐标系下的系统输出电流，r表示并网线路上的电阻值，l表示并网线路上的电感值，是网侧电压矢量。α、β下标表示对应的参量是在二维静态坐标系，三相变量转化为一个1×2的矢量。

在足够高的采样频率下，对电流微分式进行离散化，可选的，可以采用欧拉前项方程进行离散化，得到负载方程如下：

式中，iαβ(k+1)是第k+1个采样时刻在α-β坐标系下的系统输出电流，k是采样时刻，ts表示控制周期时长，l表示并网线路上的电感值，iαβ(k)第k个采样时刻在α-β坐标系下的系统输出电流，vαβ(k)第k个采样时刻在α-β坐标系下的系统输出电压，第k个采样时刻在α-β坐标系下的网侧电压矢量。

k指的是采样时刻，一个控制周期的起点就是一次采样时刻，一个控制周期内只采样一次，所以相邻采样时刻内的时间为一个控制周期，算法在一个控制周期内执行，第k个采样时刻之后执行控制操作的控制周期为第k个控制周期。

在直流侧的电容满足如下方程：

c为电容值，通常该种变流器的直流侧两个电容值相同，是三相电流矢量，uabc是三相桥臂输出电压极性矢量，通过欧拉前项方程进行离散化，上述方程变为：

式中，vo(k+1)为第k+1次采样时刻，直流侧电容电压差；vo(k)为第k次采样时刻，直流侧电容电压差；ts表示控制周期时长，c为电容值，变流器输出端的三相电流矢量，uabc是三相桥臂输出电压极性矢量。

步骤1中，定义开关控制周期，可以如图3所示，为单个开关的上升型周期tu和下降型周期td定义说明图。本实施例将相邻的开关导通动作间隔定义为上升型周期tu，相邻的开关切断动作间隔定义为下降型周期td，将tu和td的算数平均数定义为开关周期，即为由于单个桥臂的上两个开关与下两个开关状态互补，所以只需要控制三个桥臂的上6个开关，即可实现对所有12个开关的动作控制。

步骤2中，以达到电流追踪、电容电压平衡为目标，按照定义的开关周期确定开关频率约束项，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数，可以如下：

jj＝λi(ir-ip，j)²+λvvop，j+λk((kup，j-kr)²+(kdp，j-kr)²)(5)

其中，λi电流追踪项的加权系数，ir为变流器的输出电流的参考值，ip，j为第j种开关组合时变流器的输出电流预测值，λv直流电容电压平衡项的加权系数，vop，j第j种开关组合时直流侧电容电压差的预测值，λk开关频率约束项的加权系数，kup，j第j种开关组合时上升型周期中包含控制周期的个数，kr控制周期的个数参考值，kdp，j第j种开关组合时下降型周期中包含控制周期的个数。

公式(5)中，第一项为电流追踪项，约束实际电流与参考电流的差值，第二项为直流电容电压平衡项，维持直流中性点的稳定，第三项为开关频率约束项：用于使得开关动作频率趋于稳定。

代价函数中对开关频率进行限制的约束项为：

jt＝((tu-tr)²+(td-tr)²)λt＝((ku-kr)²+(kd-kr)²)λk

式中，td下降型周期，tu上升型周期，tr下降型周期或上升型周期参考周期，λt对开关周期约束项的加权系数，ku上升型周期中包含控制周期的个数，kd下降型周期中包含控制周期的个数，kr控制周期的个数参考值。大写的k含义为某个开关器件在某次采样时刻的上升型或下降型周期等于多少个控制周期。

本公开的开关周期约束项为了减少浮点运算量，提高处理器效率，提取了公因数tr，变成了最终代价函数中的频率约束项。

如图6所示，为在参考值kr＝15时的代价函数jt控制机理说明图。当k无论增加还是减少都远远小于参考值kr时，开关维持原有状态会导致k增加而δjt负值较大，基于选取使代价函数最小的开关状态这一原则，开关更倾向于不动作；当k靠近但小于参考值kr时，由开关动作引起的δjt对代价函数整体影响不大，尽管jt仍然鼓励开关状态维持不变，但开关动作与否主要受电流追踪项和直流电容电压平衡项的影响；而当k大于参考值kr时，开关不动导致k增加而δjt为正，开关更倾向于发生动作，且随着k值的增大，这种对开关动作的激励逐渐增大。

传统的模型预测控制为达到电流追踪和电容电压平衡，主要预测输出电压矢量对电流的影响和冗余矢量的筛选，而本实施例方法的控制目标还包括桥臂上的开关器件的动作频率，进而间接达到频谱整形目的。

可选的，为引入与开关动作有关的系统变量，可以将三个桥臂的电压组合转化为对应的开关状态矩阵引入本实施例的控制方法中。

如图5所示，为中性点钳位型三电平并网变流器的输出电压矢量图，由于单个桥臂的输出电压只有三种状态，所以该种变流器共有27个输出电压状态，其中包括8个输出电压相同、对直流中性点影响不同的冗余矢量。三个桥臂的输出电压组合为每一组输出分别包含了三电平并网变流器的三个桥臂的输出电压，字母的上标表示系统变量矩阵的维数，例如代表在第k次采样时刻，变流器的三相输出电压a，b，c表示三相，分别根据桥臂的输出电压va、vb、vc，参照公式1可以获得对应桥臂的开关管的开关状态矩阵

如表1所示，为开关动作与开关周期计数值k的关系图。根据公式(1)，将转化为相应的开关状态矩阵同理，将转化为相应的开关矩阵根据与或非的逻辑规则，在开关导通动作发生时才会为0，否则为1，所以在开关导通动作发生时重置为1，否则增加1，表示了上升型周期在第k次控制周期时等于多少个采样周期；同理，只有在开关切断动作发生时才会为0，否则为1，所以在开关切断动作发生时重置为1，否则增加1，表示了下降型周期在第k次控制周期时等于多少个采样周期。

表1

步骤4中，根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小对应的下一开关控制周期的最优输出电压矢量的方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤3中进行了数据的采集，获取当前时刻采集即第k次采样时刻的变流器输出端的电路参数数值，所述电路参数数值包括变流器输出电压状态变流器输出电流ik、网侧电压ek以及直流电容器电压差vok；

步骤41、根据当前采集时刻的变流器的电路参数数值，计算当前控制周期结束时，变流器的直流电容器电压差vok+1和输出电流值ik+1；具体的，可以通过公式(3)和公式(4)计算。

步骤42、根据计算获得的当前控制周期结束时变流器的输出直流电容器电压差vok+1和输出电流值ik+1，滚动代入下一控制周期变流器所有的输出电压状态预测下一控制周期结束时变流器的输出电流ip，j和直流电容器电压差vop，j；

对于中性点钳位型三电平变流器有27个输出电压状态，如图5所示，对应每一个状态计算可以获得一种电压输出组合。

步骤43、根据下一控制周期变流器所有的输出电压状态，计算下一控制周期每个输出电压状态时应的开关状态矩阵根据上一时刻和当前时刻采集的变流器输出电压矢量，计算上一时刻和当前时刻输出电压状态对应的开关状态矩阵；

具体的，上一时刻变流器的输出电压状态为根据公式(1)计算的对应的开关状态矩阵当前时刻变流器的输出电压状态为根据公式(1)计算的对应的开关状态矩阵

步骤44、根据预测的下一控制周期结束时变流器的输出电流ip，j和直流电容器电压差vop，j、下一控制周期每个输出电压状态对应的开关状态矩阵以及上一时刻和当前时刻输出电压状态对应的开关状态矩阵，计算下一周期每个输出电压状态下的代价函数的数值；

其中，输出电流ip，j和直流电容器电压差vop，j分别用于计算代价函数的电流追踪项和直流电容电压平衡项。

代价函数中开关频率约束项，计算方法为：

根据上一时刻和当前时刻的变流器的开关状态矩阵和计算当前时刻上升沿周期和下降沿周期的采样周期数，计算公式如下：

下一控制周期每个输出电压状态对应的开关状态矩阵和计算当前时刻上升沿周期和下降沿周期的采样周期数，计算下一控制周期每个输出电压状态对应的上升沿周期和下降沿周期的采样周期数，计算公式如下：

其中，代表第j个输出电压状态。

步骤45、从计算获得的下一周期每个输出电压状态下的代价函数的数值，最小代价函数数值对应的变流器输出电压状态为变流器下一开关控制周期的最优输出电压矢量。

本实施例通过人为引入一个控制周期延迟，通过本控制周期采集的数据预测下一周期的输出电压的最优控制，降低了同一控制周期内采样时刻与开关矢量输出时刻之间由于执行控制算法带来的时间延迟，提高了变流器的控制效率。

可选的，为避免出现直流短路，步骤42中，下一控制周期变流器所有的输出电压状态的约束条件为：桥臂的输出电压数值逐级变化，约束条件为

桥臂的输出电压数值逐级变化是指单个桥臂的电压变化量为该桥臂电压可变化量的最小值，本实施例中最小值为即避免桥臂的输出电压状态出现两级阶跃，即避免从到或到

通过本实施例的控制方法，可以对变流器的输出进行整形，提高并网变流器系统的控制效果，可以极大简化滤波器、散热装置的设计，降低成本；同时可以提升系统中各个装置的寿命和可靠性。

实施例2

本实施例提供一种针对三电平并网变流器的模型预测控制系统，包括：

定义模块：被配置为用于定义变流器的开关控制周期；

代价函数建立模块：被配置为用于按照定义的开关周期确定开关频率约束项，以达到电流追踪以及电容电压平衡为目标，建立控制变流器的开关器件开关的代价函数；

获取模块：被配置为用于获取当前开关控制周期内采集的变流器输出端的电路参数数值；

计算模块：被配置为用于根据获取的当前开关控制周期内变流器输出端的电路参数数值，获得代价函数最小时下一开关控制周期的最优输出电压矢量；

控制输出模块：被配置为用于根据最优输出电压矢量，计算获得下一开关控制周期内变流器的开关管的开关状态，根据开关状态产生触发信号控制变流器的开关器件的开闭。

实施例3

本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

实施例4

本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

本公开所提出的电子设备可以是移动终端以及非移动终端，非移动终端包括台式计算机，移动终端包括智能手机(smartphone，如android手机、ios手机等)、智能眼镜、智能手表、智能手环、平板电脑、笔记本电脑、个人数字助理等可以进行无线通信的移动互联网设备。

应理解，在本公开中，该处理器可以是中央处理单元cpu，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器dsp、专用集成电路asic，现成可编程门阵列fpga或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

该存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本公开所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或者直接耦合或者通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。