适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法和系统与流程

本发明涉及电力电子与自动控制技术领域，尤其是涉及适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法和系统。

背景技术

高压大功率电力电子变流器的损耗通常来自于开关管的通态损耗与开关损耗，其中开关损耗是主损耗，为了提高系统效率，通常降低开关频率，如mw级变流器的开关频率通常被限制在1khz左右，开关损耗的降低会造成一系列的不利影响，如系统低次谐波增加，稳定性下降，有功与无功电流之间产生交叉耦合等。

模型预测控制的主要特点在于它使用系统模型来预测控制变量未来的变化，根据预先定义的最优化准则，控制器将通过这些信息来确定最优的操作方式。模型预测控制的过程中通常需要求取不同开关状态下的系统输出，对于传统的两电平或三电平变流器而言，可能出现的开关种类较少计算量不高。随着变流器应用场合电压等级的升高，多电平变流器如h桥级联变流器与模块化多电平变流器得到了广泛的关注，然而多电平变流器内开关数量众多，如三相九电平级联h桥变流器的开关数量可达到1600000种以上，若逐个计算各种开关状态对应的系统输出响应显然是无法完成，有方案提出通过对开关状态进行筛选，减小系统的运算量，但是计算量依然与变流器内子模块数量成正比，不适用于子模块数量较多的场合。同时多电平变流器中含有大量的电容，工作过程中容易出现电容电压不均衡现象，危害系统稳定性，有方案提出通过在代价函数中增加若干项以维持电容电压均衡，但是代价函数构建复杂且权重系数设计较复杂。

综上所述，目前的现有技术缺少一种级联h桥变流器的模型预测控制策略。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供级联h桥变流器的模型预测控制策略方法和系统，可以更加有效地实现对三相h桥级联变流器所有子模块的开关状态计算，极大地减少了算法执行时间和控制系统的复杂度。

第一方面，本发明实施例提供了适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法，包括：

获取采样值和参数值，其中，所述采样值包括变流器的子模块指令值和子模块实时值；

根据所述子模块指令值和所述子模块实时值的差值得到差值排序结果，并预测下一时刻的输出电压指令值；

将所述子模块实时值根据所述排序结果构建阶梯扇区，并划分子模块的工作状态；

根据所述输出电压指令值和所述阶梯扇区得到斩波状态子模块电容电压指令值，并根据所述斩波状态子模块电容电压指令值选择所述子模块的最终开关状态。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述子模块指令值根据不同的系统环境进行获取，其中，所述系统环境包括光伏发电系统。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述根据所述子模块指令值和所述子模块实时值的差值得到差值排序结果，并预测下一时刻的输出电压指令值包括：

将所述子模块指令值和所述子模块实时值做差得到第一差值；

将所述第一差值通过排序算法比较大小得到所述排序结果；

根据当前时刻的所述采样值和所述参数值预测下一采样时刻的所述变流器的所述输出电压指令值，其中，所述当前时刻采样值还包括电网电压采样值、变流器输出电流采样值。

结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据下式计算变流器所述输出电压指令值：

其中，u^*(k)为所述输出电压指令值，r为所述变流器并网侧等效电阻，l为所述变流器并网侧等效电感，ts为所述采样周期，e(k)为所述电网电压采样值，i(k)为所述变流器输出电流采样值，i^*(k+1)为所述下一采样时刻变流器输出电流指令值。

结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，所述下一采样时刻变流器输出电流指令值根据电压外环控制器获得当前时刻桥臂输出电压指令值进行推算得出。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，工作状态包括正向投入、反向投入和未知状态，所述阶梯扇区包括阶梯电压值，所述将所述子模块实时值根据所述排序结果构建阶梯扇区，并划分子模块的工作状态包括：

将所述子模块实时值按照所述排序结果构建所述阶梯电压值；

在所述阶梯电压值和所述输出电压指令值进行比较后，将桥臂内子模块的所述工作状态划分为所述正向投入、所述反向投入和所述未知状态。

结合第一方面的第五种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，当变流器输出电流方向由变流器中性点指向网侧时，根据下式计算所述阶梯扇区：

ustep1＝kuc1_sort-uc2_sort-uc3_sort-...-ucn_sort；

ustep2＝uc1_sort+kuc2_sort-uc3_sort-...-ucn_sort；

ustep3＝uc1_sort+uc2_sort+kuc3_sort-...-ucn_sort；

ustepn＝uc1_sort+uc2_sort+uc3_sort+...+kucn_sort；

其中，ustepn为对应的各个所述阶梯扇区，ucn_sorn为经过排序得到的各个子模块的电压值，系数为+表示子模块工作状态为正向投入，输出电压为正向方波信号，系数为-表示所述子模块工作状态为反向投入，输出电压为反向方波信号，±k为所述子模块处于斩波状态，输出电压与开关状态未知。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，当变流器输出电流方向由网侧指向变流器中性点时，根据下式计算所述阶梯扇区：

ustep1＝-kuc1_sort+uc2_sort+uc3_sort+...+ucn_sort；

ustep2＝-uc1_sort-kuc2_sort+uc3_sort+...+ucn_sort；

ustep3＝-uc1_sort-uc2_sort-kuc3_sort+...+ucn_sort；

ustepn＝-uc1_sort-uc2_sort-uc3_sort-...-kucn_sort。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第八种可能的实施方式，其中，所述根据所述输出电压指令值和所述阶梯扇区得到斩波状态子模块电容电压指令值，并根据所述斩波状态子模块电容电压指令值选择子模块的最终开关状态包括：

将所述输出电压指令值与各个所述阶梯扇区比较，选取所需使用的扇区，并将变流器的所述输出电压指令值与所述扇区的边界做差得到第二差值，所述第二差值为处于未知状态的子模块所需输出的电压指令值；

根据不同的所述开关状态与斩波状态的所述子模块实时值求得不同所述开关状态下的变流器输出电压值；

选取使变流器的所述输出电压值最逼近所述电压指令值的斩波状态子模块的所述开关状态作为所述斩波状态子模块的所述最终开关状态。

第二方面，本发明实施例提供了适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略系统，包括：

获取单元，用于获取采样值和参数值，其中，所述采样值包括变流器的子模块指令值、子模块实时值；

预测单元，用于根据所述子模块指令值和所述子模块实时值的差值得到差值排序结果，并预测下一时刻的输出电压指令值；

计算单元，用于将所述子模块实时值根据所述排序结果构建阶梯扇区，并划分子模块的工作状态；

选择单元，用于根据所述输出电压指令值和所述阶梯扇区得到斩波状态子模块电容电压指令值，并根据所述斩波状态子模块电容电压指令值选择最终开关状态。

本发明提供了适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法和系统，包括：获取采样值和参数值，采样值包括变流器的子模块指令值和子模块实时值；根据子模块指令值和子模块实时值的差值得到差值排序结果，并预测下一时刻的输出电压指令值；将子模块实时值根据排序结果构建阶梯扇区，并划分子模块的工作状态；根据输出电压指令值和阶梯扇区得到斩波状态子模块电容电压指令值，并根据斩波状态子模块电容电压指令值选择最终开关状态。本发明可以更加有效地实现对三相h桥级联变流器所有子模块的开关状态计算，极大地减少了算法执行时间和控制系统的复杂度。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法控制流程图；

图2为本发明实施例提供的步骤s102方法流程图；

图3为本发明实施例提供的步骤s104方法流程图；

图4为本发明实施例提供的适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略系统。

图标：

10-获取单元；20-预测单元；30-计算单元；40-选择单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前，模型预测控制的主要特点在于它使用系统模型来预测控制变量未来的变化，根据预先定义的最优化准则，控制器将通过这些信息来确定最优的操作方式。模型预测控制的过程中通常需要求取不同开关状态下的系统输出，对于传统的两电平或三电平变流器而言，可能出现的开关种类较少计算量不高。随着变流器应用场合电压等级的升高，多电平变流器如h桥级联变流器与模块化多电平变流器得到了广泛的关注，然而多电平变流器内开关数量众多，如三相九电平级联h桥变流器的开关数量可达到1600000种以上，若逐个计算各种开关状态对应的系统输出响应显然是无法完成，有方案提出通过对开关状态进行筛选，减小系统的运算量，但是计算量依然与变流器内子模块数量成正比，不适用于子模块数量较多的场合。同时多电平变流器中含有大量的电容，工作过程中容易出现电容电压不均衡现象，危害系统稳定性，有方案提出通过在代价函数中增加若干项以维持电容电压均衡，但是代价函数构建复杂且权重系数设计较复杂。综上所述，目前的现有技术缺少一种级联h桥变流器的模型预测控制策略。基于此，本发明实施例提供的适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法和系统，可以更加有效地实现对三相h桥级联变流器所有子模块的开关状态计算，极大地减少了算法执行时间和控制系统的复杂度。

实施例一：

参照图1，适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法包括：

步骤s101，获取采样值和参数值，其中，采样值包括变流器的子模块指令值和子模块实时值；

步骤s102，根据子模块指令值和子模块实时值的差值得到差值排序结果，并预测下一时刻的输出电压指令值；

步骤s103，将子模块实时值根据排序结果构建阶梯扇区，并划分子模块的工作状态；

步骤s104，根据输出电压指令值和阶梯扇区得到斩波状态子模块电容电压指令值，并根据斩波状态子模块电容电压指令值选择斩波状态子模块的最终开关状态。

具体地，本发明实施例提供一种适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法，步骤包括：将各子模块电容电压实时值与指令值做差，差值通过排序算法比较大小得到排序结果；根据当前时刻采样结果预测下一时刻变流器输出电压指令值；将子模块电容电压实时值按照排序结果构建阶梯扇区，阶梯电压与变流器输出电压指令值比较后将桥臂内子模块工作状态划分为正向投入、反向投入与未知三种状态；将变流器输出电压指令值与其对应阶梯扇区做差，差值即为斩波状态子模块电容电压指令值，选择不同的开关状态使其所产生的电压逼近指令值。

进一步地，子模块指令值根据不同的系统环境进行获取，其中，系统环境包括光伏发电系统。

具体地，子模块电容指令值根据不同的使用环境获得，如光伏发电系统中，电容两端连接光伏电池板，各模块电容电压指令值由其对应光伏电池板最大功率点获取。

需要说明的是，第一，特定情况下，各子模块电容电压指令值无需保持一致，此时通过子模块电容电压实时值排序，反而会破坏系统的稳定，故通过子模块电容电压实时值与指令值的差值排序；

第二，排序算法执行的频率越高，子模块电容电压的稳定性越好，但是会增加开关频率，因此可在子模块电容电压波动的允许范围内，适当降低排序算法的执行频率，换取开关损耗的降低。

进一步地，参照图2，步骤s102包括：

步骤s201，将子模块指令值和子模块实时值做差得到第一差值；

步骤s202，将第一差值通过排序算法比较大小得到排序结果；

步骤s203，根据当前时刻的采样值和参数值预测下一采样时刻的变流器的输出电压指令值，其中，当前时刻采样值还包括电网电压采样值、变流器输出电流采样值。

进一步地，根据下式计算变流器的输出电压指令值：

其中，u^*(k)为输出电压指令值，r为变流器并网侧等效电阻，l为变流器并网侧等效电感，ts为采样周期，e(k)为电网电压采样值，i(k)为变流器输出电流采样值，i^*(k+1)为下一采样时刻变流器输出电流指令值。

进一步地，下一采样时刻变流器输出电流指令值根据电压外环控制器获得当前时刻桥臂输出电压指令值进行推算得出。

具体地，根据式(1)计算变流器输出电压指令值，根据电压外环控制器获得当前时刻桥臂输出电流指令i^*(k)，再推算出i^*(k+1)。

进一步地，工作状态包括正向投入、反向投入和未知状态，阶梯扇区包括阶梯电压值，步骤s103包括：

将子模块实时值按照排序结果构建阶梯电压值；

在阶梯电压值和输出电压指令值进行比较后，将桥臂内子模块的工作状态划分为正向投入、反向投入和未知状态。

具体地，得到阶梯电压值的方法、步骤不受限制。在本实施例中，阶梯电压值可以通过以下步骤得到：将子模块电容电压值按照对应的差值的大小进行排序处理；根据排序处理的结果按照预设规则进行计算得到阶梯电压值。

进一步地，当变流器输出电流方向由所述变流器中性点指向网侧时，根据下式计算阶梯扇区：

ustep1＝kuc1_sort-uc2_sort-uc3_sort-...-ucn_sort；(2)

ustep2＝uc1_sort+kuc2_sort-uc3_sort-...-ucn_sort；(3)

ustep3＝uc1_sort+uc2_sort+kuc3_sort-...-ucn_sort；(4)

ustepn＝uc1_sort+uc2_sort+uc3_sort+...+kucn_sort；(5)

式(2)-(5)中，ustepn为对应的各个阶梯扇区，ucn_sorn为经过排序得到的各个子模块的电压值，±k为所述子模块处于斩波状态，输出电压与开关为所述未知状态，系数+为所述子模块的所述工作状态为正向投入，输出电压为正向方波信号，系数-为所述子模块的所述工作状态为反向投入，输出电压为反向方波信号。

具体地，前述的预设规则的具体内容不受限制。在本实施例中，可以通过以下计算得到阶梯扇区。其中，ustepn表示对应的各阶梯扇区值；ucn_sorn表示经过排序得到的各子模块电容电压值；参数k的取值范围为[-1，1]。

进一步地，当变流器输出电流方向由网侧指向变流器中性点时，根据下式计算阶梯扇区：

ustep1＝-kuc1_sort+uc2_sort+uc3_sort+...+ucn_sort；(6)

ustep2＝-uc1_sort-kuc2_sort+uc3_sort+...+ucn_sort；(7)

ustep3＝-uc1_sort-uc2_sort-kuc3_sort+...+ucn_sort；(8)

ustepn＝-uc1_sort-uc2_sort-uc3_sort-...-kucn_sort。(9)

式中，±k表示模块处于斩波状态，输出电压与开关为未知状态，系数+表示子模块的工作状态为正向投入，输出电压为正向方波信号，系数-表示子模块的工作状态为反向投入，输出电压为反向方波信号。

具体地，根据子模块的输出电流的方向不同，阶梯扇区值的获取方式还可以通过以下计算公式进行计算。式中负号表示该子模块处于反向输出状态，输出电压与电压指令值相反，对应子模块开关状态为-1，正号表示该子模块处于正向输出状态，输出电压与电压指令值相同，对应子模块开关状态为+1，k表示该子模块处于未知状态。

进一步地，参照图3，步骤s104包括：

步骤s301，将输出电压指令值与各个阶梯扇区比较，选取所需使用的扇区，并将变流器的输出电压指令值与扇区的边界做差得到第二差值，第二差值为处于未知状态的子模块所需输出的电压指令值；

步骤s302，根据不同的开关状态与斩波状态的子模块实时值求得不同开关状态下的输出电压值；

步骤s303，选取使变流器输出电压值最逼近电压指令值的斩波状态子模块的开关状态作为斩波状态子模块的最终开关状态。

具体地，首先，将变流器输出电压指令值与各阶梯扇区比较，选取所需使用的扇区，将变流器输出电压指令值与扇区边界做差，得到未知状态子模块所需输出的电压指令值uref。

其次，根据不同的开关状态sn与斩波状态子模块电容电压实时值udci，求得不同开关状态下输出电压值uoutn，如式(10)，式中sn的共包含两种情况(+1、-1)

uoutn＝udcisn(10)

最后，选取使uoutn最逼近uref的开关状态为对应未知子模块最终开关状态。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、对于三相h桥级联变流器而言，无论桥臂内级联子模块数量多少，在一个控制周期内最多只需要通过一次排序算法与8次计算(步骤s2)就可以完成所有子模块的开关状态计算，极大的减少了算法的执行时间。

2、传统的模型预测控制在维持子模块电容电压平衡时，控制算法结构复杂，本发明通过排序算法与阶梯扇区选择法可有效降低控制系统的复杂度。

实施例二：

参照图4，适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略系统包括：

获取单元10，用于获取采样值和参数值，其中，采样值包括变流器的子模块指令值、子模块实时值；

预测单元20，用于根据子模块指令值和子模块实时值的差值得到差值排序结果，并预测下一时刻的输出电压指令值；

计算单元30，用于将子模块实时值根据排序结果构建阶梯扇区，并划分子模块的工作状态；

选择单元40，用于根据输出电压指令值和阶梯扇区得到斩波状态子模块电容电压指令值，并根据斩波状态子模块电容电压指令值选择斩波状态子模块的最终开关状态。

本发明实施例提供的适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略系统，与上述实施例提供的适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

本发明实施例所提供的适用于级联h桥变流器的模型预测控制策略方法以及系统的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。

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，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

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取存储介质中。基于这样的理解，本发明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)执行本发明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。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。