一种有限开关状态预测计算方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及模型预测计算领域，特别是涉及一种有限开关状态预测计算方法。本 发明还涉及一种有限开关状态预测计算系统。
【背景技术】
[0002] 随着全球工业化的进程和经济的快速发展，人类对于能源的需求量逐渐增大，对 新型可再生能源的开发也越来越重视。逆变器作为可再生能源发电（如光伏发电、风力发 电、燃料电池发电等）与电网连接的桥梁，是分布式发电系统的核心，其性能直接影响整个 分布式发电系统。目前，三电平三相逆变器因其优越的性能被越来越多的应用到分布式发 电系统。
[0003] 三电平三相并网逆变器多采用无差拍电流控制，该控制方法能够在下一个采样周 期实现对给定电流的跟踪，使逆变器具有很好的动态性能。
[0004] 现有技术中，三电平三相并网逆变器采用无差拍有限开关状态模型预测控制方法 来对逆变器下一周期所使用的开关状态（或电压矢量）进行预测，该方法能够利用逆变器 的离散化特点，充分考虑到了逆变器的有限种开关状态（逆变器具有特定种类的开关组 合）。无差拍有限开关状态模型预测控制方法利用一个预测控制目标函数（Cost Funct ion)对每一种行为（开关组合或电压矢量）的预测结果进行在线评估，选择能使预测控制 目标函数最小的电压矢量来实现对逆变器的控制。无差拍有限开关状态模型预测控制方法 一般针对开关状态不多的场合（如三相二电平逆变器的开关状态为23= 8种，二电平三相 四桥臂逆变器的开关状态为24= 16种），在每一个开关周期根据无差拍有限开关状态模型 对每一个开关状态进行在线计算和评估。将无差拍有限开关状态模型预测控制方法应用于 多电平多相逆变器（如三电平三相四桥臂逆变器，其开关状态为34= 81种；四电平三相逆 变器，其开关状态为43= 64种）时，由于需要在每一个开关周期，均根据无差拍有限开关 状态模型对每一种开关状态进行在线计算，计算量相当大。
[0005] 因此，如何提供一种既能保证精度、又能减少无差拍有限开关状态模型以及预测 控制目标函数的计算量的有限开关状态预测计算方法及系统是本领域技术人员目前需要 解决的问题。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种有限开关状态预测计算方法，不需要对逆变器的电压空 间矢量中的全部扇区内的全部电压矢量进行计算，仅需要对预设参考电压所处的扇区内的 电压矢量进行计算，在保证精度的基础上大大减小无差拍有限开关状态模型以及预测控制 目标函数的计算量；本发明的另一目的是提供一种有限开关状态预测计算系统。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供了一种有限开关状态预测计算方法，用于多电 平三相逆变器，包括：
[0008] 测量当前周期内的所述逆变器各相的输出电压、与所述逆变器相连的三相电网电 压、所述逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压vp和负母线电容电压vn;
[0009] 将所述输出电压、所述三相电网电压以及所述输出电流带入无差拍有限开关状态 模型中，得到所述逆变器的输出参考电压u'GO和u%? ;
[0010] 根据所述输出参考电压u'Jk)和u'Jk)得到预设参考电压在所述逆变器的电 压空间矢量中的空间位置；
[0011] 确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区；
[0012] 确定位于所述扇区内的Μ个电压矢量；
[0013] 根据Μ个所述电压矢量、所述正母线电容电压Vp和所述负母线电容电压V η以及所 述无差拍有限开关状态模型得到Μ个预测控制目标函数值，确定Μ个所述预测控制目标函 数值中最小的预测控制目标函数值，并将所述最小的预测控制目标函数值对应的所述电压 矢量作为下一周期的电压矢量。
[0014] 优选地，所述确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区之前还包括：
[0015] 将所述电压空间矢量平均分为6个扇区。
[0016] 优选地，所述确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区之前还包括：
[0017] 将所述电压空间矢量平均分为24个扇区。
[0018] 优选地，所述根据所述逆变器的输出参考电压u'Jk)和u'Jk)得到预设参考电 压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置的过程具体为：
[0019] 将所述逆变器的输出参考电压u'Jk)和u'Jk)带入预设参考电压关系式，得到 所述预设参考电压；
[0020] 根据所述预设参考电压得到所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的角度 值；
[0021] 根据所述角度值得到所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的空间位置；
[0022] 其中，所述预设参考电压关系式为：
[0024] 所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的角度值为：
[0026] 优选地，所述无差拍有限开关状态模型的获取过程为：
[0027] 根据输出电压ua。、ub。、uc。，三相电网电压e a、eb、ec，以及输出电流ia、ib、i c得到所 述逆变器的输出电流在α β坐标系下的第一动态电压方程，所述第一动态电压方程为：
[0029] 其中，L为所述逆变器与三相电网之间的滤波电感，R为所述逆变器与所述三相电 网之间的总电阻，ia和i e为所述逆变器的输出电流在所述α β坐标系下的α、β分量， ea和e e为所述逆变器的三相电网电压在所述α β坐标系下的a、β分量，u aJP u ^为 所述逆变器的输出电压在所述α β坐标系下的a、β分量；
[0030] 以!；作为采样周期，将所述第一动态电压方程离散化，得到离散动态电压方程，其 中所述离散动态电压方程为：
[0032] 依据所述离散动态电压方程得到k+Ι时刻的预测电流关系式，其中，所述预测电 流关系式为：
[0034] 依据所述预测电流关系式以及无差拍关系式得到所述逆变器的输出参考电压关 系式，其中，所述无差拍关系式为：
[0036] 和$(女+ 1)为k+Ι时亥IJ所述逆变器的参考电流，根据k时亥IJ、k-Ι时亥IJ和 k_2时刻的参考电流以及线性插值关系式得到k+Ι时刻的所述参考电流，其中，所述线性插 值关系式为：
[0038] 所述输出参考电压关系式为：
[0040] 根据所述逆变器的开关状态、CLARKE变换矩阵T3/2以及所述逆变器的直流母线电 SVd。得到所述逆变器在所述α β坐标系下的输出电压关系式，其中，所述输出电压关系式 为：
[0042] 以!；作为采样周期，分别对所述逆变器的正母线电容电压关系式以及负母线电容 电压关系式进行离散化，分别得到离散正母线电容电压关系式以及离散负母线电容电压关 系式，其中：
[0043] 所述正母线电容电压关系式为：
[0045] 所述负母线电容电压关系式为：
[0047] 所述离散正母线电容电压关系式为：
[0049] 所述离散负母线电容电压关系式为：
[0051] 其中，C为所述逆变器的直流母线电容，Uk)为直流母线的中性点电流，Uk)根 据所述逆变器的开关状态以及中性点电流关系式得到，其中，所述中性点电流关系式为：
[0053] 根据输出参考电压〇)和u%?、输出电压uac^Pu ρ正母线电容电压 Vp(k+1)、负母线电容电SVn(k+l)以及预测控制目标函数关系式得到预测控制目标函数 值，其中，所述预测控制目标函数关系式为：
[0055] 其中，λ v为所述直流母线的中性点电压平衡的权重系数。
[0056] 优选地，所述根据输出电压ua。、ub。、u。。，三相电网电压e a、eb、e。，以及输出电流ia、 ib、i。得到所述逆变器的输出电流在α β坐标系下的第一动态电压方程的过程具体为：
[0057] 根据输出电压ua。、ub。、uc。，三相电网电压e a、eb、ec，以及输出电流ia、ib、i c得到所 述逆变器的输出电流在abc坐标系下的第二动态电压方程，其中，所述第二动态电压方程 为：
[0059] 其中，Ucin为所述直流母线的中性点〇与三相电网电压的中性点η之间的电压；
[0060] 当所述三相电网的三相电网电压平衡时，根据平衡电压关系式以及所述逆变器的 输出总电流关系式得到的关系式，其中，所述平衡电压关系式为：
[0061] ea+eb+ec= 0
[0062] 所述逆变器的输出总电流关系式为：
[0063] ia+ib+ic= 〇
[0064] 所述uOT的关系式为：
[0065] uon = - (u ao+ubo+uco) /3
[0066] 根据所述Ucin的关系式得到所述第二动态电压方程的矩阵关系式，其中，所述第二 动态电压方程的矩阵关系式为：
[0068] 根据所述第二动态电压方程的矩阵关系式、所述CLARKE变换矩阵T3/2以及所述 CLARKE变换矩阵的反变换矩阵Τ2/3得到所述逆变器的输出电流在所述α β坐标系下的所 述第一动态电压方程；
[0069] 其中，所述CLARKE变换矩阵Τ3/2为：
[0071] 所述CLARKE变换矩阵的反变换矩阵Τ2/3为：
[0073] 优选地，所述逆变器的开关状态为：
[0074] Sae {-1，〇, 1}，s be {-1，〇, 1}，s ce {-1，〇, 1};
[0075] 其中，-1表示所述逆变器该相的电压输出端与所述逆变器的直流母线的电压负极 相连，0表示所述逆变器该相的电压输出端与所述直流母线的中性点相连，1表示所述逆变 器该相的电压输出端与所述逆变器的直流母线的电压正极相连。
[0076] 为解决上述技术问题，本发明还提供了一种有限开关状态预测计算系统，用于多 电平三相逆变器，包括：
[0077] 测量单元，用于测量当前周期内的所述逆变器各相的输出电压、与所述逆变器相 连的三相电网电压、所述逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压