一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法及系统

1.本发明属于新能源并网发电技术领域，尤其涉及一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法及系统。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
3.风能、光伏阵列和燃料电池等可再生能源在减少温室效应和二氧化碳排放方面发挥着至关重要的作用。而变换器作为连接可再生能源和与电网(或负荷)的核心装备，在分布式发电系统和微电网中发挥着重要作用。因此，研发变换器对于发展能源技术意义重大。为了有效控制变换器，除了经典的线性控制策略外，众多非线性控制策略也被广泛研究。其中，模型预测控制可不依赖调制器，仅采用成本函数评估输出状态。此外，模型预测控制因其具有实现简单、多目标优化、灵活度高等优势特点而备受关注。
4.尽管模型预测方法潜力巨大，但存在一些不足有待改进。例如，采用单矢量模型预测方法的变换器控制精度较低，使变换器输出电气状态(电压/电流)波动较大；虽然多矢量模型预测方法能够提升控制精度，但现有的多矢量确定方法评估过程复杂，矢量选取繁琐，而且依赖高性能计算资源，存在控制效果不佳的问题，均不能实现对电网(或负荷)的稳定控制。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法及系统，通过基于球形译码理论的二维空间搜索树，有效减少了矢量搜索的计算量，提高了对电网的控制性能。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.本发明的第一个方面提供一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其包括：
8.在一个控制周期内，获取变换器的二维空间平面电压矢量；
9.基于所述二维空间平面电压矢量，以电压矢量幅值为区分标准，搭建基于球形译码理论的二维空间搜索树；
10.在所述二维空间搜索树的第一层内搜索出保留节点；
11.在二维空间搜索树中搜索所述保留节点下的第二层内的所有节点，得到主输出矢量；
12.在二维空间搜索树中搜索所述保留节点和所述保留节点下的第二层内的除主输出矢量外的所有节点，得到副输出矢量；
13.将主输出矢量和副输出矢量合成变换器的期望输出值后，计算出下一控制周期内变换器的开关状态，以实现变换器对电网的控制。
14.进一步地，所述二维空间平面电压矢量的获取步骤为：
15.获取变换器的开关状态和输出侧三相电气状态；
16.基于变换器的开关状态，将输出侧三相电气状态整理为三维空间立体电压矢量；
17.将三维空间立体电压矢量转化为二维空间平面电压矢量。
18.进一步地，所述保留节点的获取方法为：
19.对于所述二维空间搜索树的第一层内的所有节点，计算与电压输出期望值的欧几里得距离；
20.最小欧几里得距离对应的第一层内的节点为保留节点。
21.进一步地，所述电压输出期望值基于所述变换器的参考值计算得到。
22.进一步地，所述主输出矢量的获取方法为：
23.在所述保留节点下的第二层内的所有节点中，选取与变换器的电压输出期望值的欧几里得距离最小的节点作为主输出矢量。
24.进一步地，所述副输出矢量的获取方法为：
25.在所述保留节点和所述保留节点下的第二层内的除主输出矢量外的所有节点中，选取与变换器的电压输出期望值的欧几里得距离最小的节点作为副输出矢量。
26.进一步地，所述下一控制周期内变换器的开关状态，基于所述变换器的期望输出值，结合中点电位状态计算得到。
27.本发明的第二个方面提供一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测系统，其包括：
28.数据获取模块，其被配置为：在一个控制周期内，获取变换器的二维空间平面电压矢量；
29.搜索树搭建模块，其被配置为：基于所述二维空间平面电压矢量，以电压矢量幅值为区分标准，搭建基于球形译码理论的二维空间搜索树；
30.保留节点搜索模块，其被配置为：在所述二维空间搜索树的第一层内搜索出保留节点；
31.主输出矢量搜索模块，其被配置为：在二维空间搜索树中搜索所述保留节点下的第二层内的所有节点，得到主输出矢量；
32.副输出矢量搜索模块，其被配置为：在二维空间搜索树中搜索所述保留节点和所述保留节点下的第二层内的除主输出矢量外的所有节点，得到副输出矢量；
33.控制模块，其被配置为：将主输出矢量和副输出矢量合成变换器的期望输出值后，计算出下一控制周期内变换器的开关状态，以实现变换器对电网的控制。
34.本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法中的步骤。
35.本发明的第四个方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法中的步骤。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
37.本发明提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其为实现对电
网或负荷的控制，以电压矢量幅值为划分依据，提出基于球形译码理论的二维空间搜索树，优化模型预测的评估过程，能够有效降低模型预测控制的复杂程度，提升电压/电流控制的可靠性。
38.本发明提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其将变换器的电压矢量分成两组，分别对应搜索树的两层结构，能够有效减少节点(矢量)搜索次数，减少矢量搜索的计算量，降低模型预测计算量，提高对电网(或负荷)的控制性能。
39.本发明提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其在一个控制周期内始终使用同一种成本函数，即关于电压期望值的欧几里得距离，统一的成本函数极大地简化了模型预测的计算过程，降低模型预测方法对高性能计算资源的依赖。
40.本发明提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其在一个控制周期内，为实现对电网(或负荷)的控制，采用主副矢量(主副节点)合成变换器期望值的方法，能够在一个控制周期内提升变换器对电压/电流的跟踪精度。
41.本发明提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其在一个控制周期内，树搜索过程的欧几里得距离被多次复用，节约了计算资源，进一步提升主副矢量的选取速度。
42.本发明提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，其在离散域下，实现变换器双矢量的最优控制，适用于数字控制器，这对变换器的电压/电流控制应用研究具有十分重要的意义。
附图说明
43.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
44.图1是本发明实施例一的基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法流程图；
45.图2是本发明实施例一的二维空间平面电压矢量示意图；
46.图3是本发明实施例一的二维空间搜索树示意图；
47.图4是本发明实施例一的变换器电压和电流控制波形示意图。
具体实施方式
48.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
49.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
50.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发明的示例性实施方式。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。
51.实施例一
52.本实施例提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
53.步骤1、在一个控制周期(一个时刻)内，获取变换器的开关状态、输出侧三相电气状态(即电网或负荷侧电压状态)和直流侧电压状态。
54.其中，变换器为三电平变换器或电能路由器，不局限于npc型、t型、anpc等三电平拓扑结构。变换器的电压等级可以为低压、中压或高压。
55.本发明不局限于逆变状态，同样适用于整流状态。
56.步骤2、基于变换器的开关状态，将输出侧三相电气状态整理为三维空间立体电压矢量(可以为a-b-c坐标系下的电压矢量)。
57.步骤3、通过变换将三维空间立体电压矢量转化为二维空间平面电压矢量(候选电压矢量)后，以电压矢量幅值为区分标准，搭建基于球形译码理论的二维空间搜索树。
58.二维空间平面电压矢量可以为α-β坐标系下的平面矢量或d-q参考坐标系下的平面矢量。
59.具体的，如图2所示，变换器对应的二维空间平面电压矢量分为6个扇区(i,ii,iii,iv,v,vi)，包括19个候选电压矢量：v
m1
、v
m2
、v
m3
、v
m4
、v
m5
、v
m6
、v
pn1
、v
pn2
、v
pn3
、v
pn4
、v
pn5
、v
pn6
、v
l1
、v
l2
、v
l3
、v
l4
、v
l5
、v
l6
和v0；本专利以电压矢量幅值为区分标准将候选电压矢量分为两组，如表1所示，二维空间下的平面矢量被分为两组候选电压矢量，第一组候选电压矢量和第二组候选电压矢量；基于球形译码理论，将第一组候选电压矢量和第二组候选电压矢量搭建为二维空间搜索树，用来寻找双电压矢量，如图3所示，二维空间搜索树分为两层，第一层节点l1对应第一组候选电压矢量，第二层节点l2对应第二组候选电压矢量。
60.表1、二维空间下的平面矢量的分组
61.类别候选电压矢量第一组v
m1
,v
m2
,v
m3
,v
m4
,v
m5
,v
m6
第二组v
pn1
,v
pn2
,v
pn3
,v
pn4
,v
pn5
,v
pn6
,v
l1
,v
l2
,v
l3
,v
l4
,v
l5
,v
l6
,v062.步骤4、搜索树第一层内搜索保留节点，即在步骤3得到的二维空间搜索树的第一层内搜索出保留节点。具体的，采用成本函数计算变换器的电压输出期望值与二维空间搜索树的第一层内的所有节点(第一层内的所有候选电压矢量)的欧几里得距离，基于欧几里得距离选取保留节点(焦点节点)v
save
(k+1)。换句话说，保留节点的获取方法为：对于二维空间搜索树的第一层内的所有节点，计算与电压输出期望值的欧几里得距离；最小欧几里得距离对应的第一层内的节点为保留节点。
63.其中，将二维空间搜索树的第一层内最小欧几里得距离对应的节点，作为保留节点，其在二维空间平面下的离散域表达式为：
[0064][0065]
其中，v
αβ1
(k+1)为二维空间搜索树的第一层内的所有节点；v
*αβ
(k+1)为变换器的电压输出期望值；f
cfsave
(k+1)表示二维空间搜索树的第一层内的节点与变换器的电压输出期望值的欧几里得距离；h
cfsave
(k+1)表示二维空间搜索树的第一层内的节点与变换器的电
压输出期望值的欧几里得距离的最小值。
[0066]
保留节点(焦点节点)对应期望主副输出矢量所在的扇区，将搜索范围缩小。
[0067]
步骤5、在搜索树第二层内搜索保留节点下的子节点，确定主节点(主输出矢量)，即在二维空间搜索树中搜索保留节点下的第二层内的所有节点，得到主输出矢量。具体的，采用成本函数计算变换器的电压输出期望值与保留节点下的第二层内的所有节点(保留节点下的第二层内的所有候选电压矢量)的欧几里得距离，基于欧几里得距离选取主节点(主输出矢量)v
main
(k+1)。
[0068]
在二维空间搜索树的保留节点下的第二层内的所有节点中，选取与变换器的电压输出期望值的欧几里得距离最小的节点作为主输出矢量。
[0069]
其中，保留节点下的第二层内节点与变换器的电压输出期望值的欧几里得距离f
cfsec
(k+1)在二维空间平面下的表达式为：
[0070][0071]
其中，v
αβ2
(k+1)为保留节点下的第二层内的节点。
[0072]
因此，主节点v
main
(k+1)在二维空间平面下的表达式为：
[0073]vmain
(k+1)＝arg[h
cfmain
(k+1)]
[0074]
＝arg{min[h
cfsave
(k+1),f
cfsec
(k+1)]}
[0075]
其中，h
cfmain
(k+1)表示电压输出期望值与保留节点下的第二层内的节点的欧几里得距离的最小值。
[0076]
步骤6、确定副节点(副输出矢量)，即在二维空间搜索树中搜索保留节点和该保留节点下的第二层内的除主节点外的所有节点，得到副输出矢量。在步骤4得到的保留节点和该保留节点下的第二层内的除步骤5得到的主节点外的所有节点中，选取与变换器的电压输出期望值的欧几里得距离最小的节点作为副节点(副输出矢量)v
sub
(k+1)，其在二维空间平面下的表达式为：
[0077]vsub
(k+1)＝arg[h
cfsub
(k+1)]
[0078]
＝arg[min h
sec
(k+1)]
[0079]
其中，将保留节点和该保留节点下的第二层内的除主节点外的所有节点作为候选副节点，h
cfsub
(k+1)表示电压输出期望值与候选副节点的欧几里得距离的最小值，h
sec
(k+1)为候选副节点与电压输出期望值的欧几里得距离集合，即
[0080]
在步骤4、步骤5和步骤6中，欧几里得距离通过统一成本函数f
cf
(k+1)计算得到：
[0081][0082]
其中，v
αβ
(k+1)为变换器的候选电压矢量(二维空间平面电压矢量)，v
*αβ
(k+1)为变换器的电压输出期望值，变换器的电压输出期望值基于所述变换器的参考值计算得到，具体的，k+1时刻变换器的电压输出期望值v
*αβ
(k+1)基于变换器k+1时刻的参考值x
*αβ
(k+1)和k时刻变换器的状态值x
αβ
(k)计算得到，其计算可参考专利《用于电能路由器功率逆变电路的模型预测电压控制方法》(申请号：2022105492628)。
[0083]
关于电压期望值的欧几里得距离主要是应用于变换器的模型预测评估中，即利用
二维空间搜索树确定主输出矢量和副输出矢量。
[0084]
步骤7、主副节点合成期望输出值。将主输出矢量和副输出矢量合成变换器的期望输出值，并结合直流侧电压状态来优化调整变换器的开关状态，得到下一控制周期内变换器的开关状态，实现变换器的控制，进而实现变换器对电网(或负荷)的控制，即实现对电网(或负荷)的电压、电流或功率控制。
[0085]
变换器开关状态根据中点电位状态等因素做出优化调整，进而得到最优的变换器输出电压，最终实现变换器的参考值(电压或电流)的最优跟踪。
[0086]
如图4所示，为变换器输出电压(va,vb,vc)和电流波形(i
oa
,i
ob
,i
oc
)的示意图，由仿真结果可以看到，采用本发明的控制方法的变换器能实现电压电流控制，性能良好，可以有效提升变换器的性能。
[0087]
本实施例为实现对电网(或负荷)的控制，以电压矢量幅值为划分依据，提出基于球形译码理论的二维空间搜索树，优化变换器控制的评估过程，能够有效降低变换器控制的复杂程度，提升电压/电流控制的可靠性。
[0088]
本实施例将变换器的电压矢量分成两组，分别对应搜索树的两层结构，能够有效减少节点(矢量)搜索次数，减少矢量搜索的计算量，降低变换器控制的计算量，提高对电网(或负荷)的控制性能。
[0089]
本实施例在一个控制周期内始终使用同一种成本函数，即关于电压期望值的欧几里得距离，统一的成本函数极大地简化了变换器控制的计算过程，降低变换器控制方法对高性能计算资源的依赖。
[0090]
本实施例在一个控制周期内，为实现对电网(或负荷)的控制，采用主副矢量(主副节点)合成变换器期望值的方法，能够在一个控制周期内提升变换器对电压/电流的跟踪精度。
[0091]
本实施例在一个控制周期内，树搜索过程的欧几里得距离被多次复用，节约了计算资源，进一步提升主副矢量的选取速度。
[0092]
本实施例在离散域下，实现变换器双矢量的最优控制，适用于数字控制器，这对变换器的电压/电流控制应用研究具有十分重要的意义。
[0093]
实施例二
[0094]
本实施例提供了一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测系统，其具体包括如下模块：
[0095]
数据获取模块，其被配置为：在一个控制周期内，获取变换器的二维空间平面电压矢量；
[0096]
搜索树搭建模块，其被配置为：基于所述二维空间平面电压矢量，以电压矢量幅值为区分标准，搭建基于球形译码理论的二维空间搜索树；
[0097]
保留节点搜索模块，其被配置为：在所述二维空间搜索树的第一层内搜索出保留节点；
[0098]
主输出矢量搜索模块，其被配置为：在二维空间搜索树中搜索所述保留节点下的第二层内的所有节点，得到主输出矢量；
[0099]
副输出矢量搜索模块，其被配置为：在二维空间搜索树中搜索所述保留节点和所述保留节点下的第二层内的除主输出矢量外的所有节点，得到副输出矢量；
[0100]
控制模块，其被配置为：将主输出矢量和副输出矢量合成变换器的期望输出值后，计算出下一控制周期内变换器的开关状态，以实现变换器对电网的控制。
[0101]
此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。
[0102]
实施例三
[0103]
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法中的步骤。
[0104]
实施例四
[0105]
本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的一种基于球形译码理论的双矢量统一模型预测方法中的步骤。
[0106]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0107]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0108]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0109]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0110]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0111]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。