一种基于准Z源逆变器的模型预测控制方法及设备与流程

本发明涉及一种基于准z源逆变器的模型预测控制方法，属于准z源逆变器控制领域。

背景技术：

1、准z源逆变器是一种新型阻抗源逆变器。其通过在传统三相逆变器的直流侧添加电感和电容所形成，并通过电感电容的充放电同时提高了逆变器的可靠性，避免了传统逆变器死区导致的输出波形畸变。它利用独特的阻抗源网络，在单级转换拓扑中同时实现逆变器的升降压和交直流转换。此外，准z源逆变器具有比电压源逆变器更独特的开关状态，即直通状态。利用这种状态，其可以大幅提高输入电压的利用率，其拓扑结构如图2所示。这种拓扑结构不仅有效地保护了电路，而且提高了开关器件的可靠性，还能降低系统代价，提高系统效率。但是由于多出的电压矢量和过大的计算量，造成了对于准z源逆变器的控制难度大大增加，而且输出波形的质量还影响到下一步并网的顺利进行。

2、现有技术中利用模型预测算法实现对准z源逆变器的控制，模型预测算法将电感电流、电容电压、负载电流作为控制对象，迭代计算这三者的预测值并输入至代价函数计算系统预测值与参考值之间的偏差即代价值，取最优代价值所对应的开关矢量作用于系统，可以实现系统控制对象达到最优状态。但所述三个控制变量预测值的计算较为繁杂，其流程如图5所示。同时现有技术将电感电流、电容电压和输出电流3个控制对象组合成一个代价函数，需要调制3个权重系数，耗时且繁琐。

3、因此，需要一种计算量更小的准z源逆变器模型预测控制方法。

4、公开号为cn111817595a的专利《一种无权重系数的准z源逆变器模型预测控制方法》公开了：对准z源逆变器进行电压、电流信号的采集；建立准z源逆变器的数学模型；由此建立准z源逆变器各个控制对象的预测模型，并添加延时补偿策略；对各个控制对象的参考值进行计算；根据级联模型预测控制方法并结合电感电流的特殊性由此确定了准z源逆变器控制对象的优先级。但该方法计算量较大，需进一步降低。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的问题，本发明设计了一种基于准z源逆变器的模型预测控制方法，基于电压矢量与电容电压，构建仅包含1个权重系数的代价函数，易于调制，减少工作量。同时，根据电压矢量预测值确认扇区，无需逐一计算所有备选电压矢量的代价值，进一步减少计算量。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、技术方案一

4、一种基于准z源逆变器的模型预测控制方法，包括以下步骤：

5、预先构建预测模型和代价函数；所述代价函数包括电压矢量预测值与输出值的差值、电容电压预测值与参考值的加权差值；

6、获取控制变量采样值，所述控制变量包括负载电流、电感电流、电容电压；

7、输入控制变量采样值至预测模型，计算电压矢量预测值、电感电流预测值、电容电压预测值；

8、将电压矢量空间划分为若干扇区，各扇区内有一零矢量、一有效矢量和一直通矢量；所述直通矢量和零矢量为各扇区共有矢量；

9、根据所述电压矢量预测值的相角判断其所在扇区；

10、根据所述电感电流预测值，判断是否输出直通矢量；

11、若判断结果为输出直通矢量，则在下一采样周期输出直通矢量；

12、若判断结果为输出非直通矢量，则根据所述电容电压预测值，通过代价函数分别计算零矢量和所述扇区内有效矢量的代价值；在下一采样周期的前半程输出所述扇区的有效矢量，后半程输出所述扇区有效矢量与零矢量中的代价值较小者。

13、进一步地，所述计算电压矢量预测值，以公式表达为：

14、

15、式中，v*(k)表示电压矢量预测值；r表示负载电阻；l表示负载电感；ts表示采样周期；i*(k+1)表示负载电流参考值；i(k)表示负载电流采样值。

16、进一步地，所述计算电感电流预测值、电容电压预测值，以公式表达为：

17、x(k+1)＝a0x(k)+b0u(k)

18、y(k)＝cx(k)

19、

20、

21、式中，x(k+1)和x(k)分别代表下一采样周期时刻和当前时刻控制变量值；u(k)为当前时刻的输入变量值；rl表示电感杂散电阻；l表示负载电感；ts表示采样周期；c、i均表示单位矩阵；d＝1表示直通状态，d＝0表示非直通状态。

22、进一步地，所述判断是否输出直通矢量，包括如下步骤：

23、输入非直通状态下电感电流预测值、直通状态下电感电流预测值至不等式；所述不等式为：

24、

25、式中，il1_nst(k+1)、il1_st(k+1)分别表示非直通状态下电感电流预测值、直通状态下电感电流预测值；

26、若不等式成立，则在下一采样周期输出直通矢量；否则，在下一采样周期输出非直通矢量。

27、进一步地，所述代价函数，以公式表达为：

28、

29、式中，v*(k)表示电压矢量预测值、vn(k)表示电压矢量输出值；vc1(t+ts)、分别表示电容电压预测值、电容电压参考值；λ为权重系数。

30、技术方案二

31、一种基于准z源逆变器的模型预测控制设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有指令和预测模型，所述指令适于由处理器加载并执行如下步骤：

32、获取控制变量采样值，所述控制变量包括负载电流、电感电流、电容电压；

33、输入控制变量采样值至预测模型，计算电压矢量预测值、电感电流预测值、电容电压预测值；

34、将电压矢量空间划分为若干扇区，各扇区内有一零矢量、一有效矢量和一直通矢量；所述直通矢量和零矢量为各扇区共有矢量；

35、根据所述电压矢量预测值的相角判断其所在扇区；

36、根据所述电感电流预测值，判断是否输出直通矢量；

37、若判断结果为输出直通矢量，则在下一采样周期输出直通矢量；

38、若判断结果为输出非直通矢量，则根据所述电容电压预测值，通过代价函数分别计算零矢量和所述扇区内有效矢量的代价值；在下一采样周期的前半程输出所述扇区的有效矢量，后半程输出所述扇区有效矢量与零矢量中的代价值较小者。

39、进一步地，所述计算电压矢量预测值，以公式表达为：

40、

41、式中，v*(k)表示电压矢量预测值；r表示负载电阻；l表示负载电感；ts表示采样周期；i*(k+1)表示负载电流参考值；i(k)表示负载电流采样值。

42、进一步地，所述计算电感电流预测值、电容电压预测值，以公式表达为：

43、x(k+1)＝a0x(k)+b0u(k)

44、y(k)＝cx(k)

45、

46、

47、式中，x(k+1)和x(k)分别代表下一采样周期时刻和当前时刻控制变量值；u(k)为当前时刻的输入变量值；rl表示电感杂散电阻；l表示负载电感；ts表示采样周期；c、i均表示单位矩阵；d＝1表示直通状态，d＝0表示非直通状态。

48、进一步地，所述判断是否输出直通矢量，包括如下步骤：

49、输入非直通状态下电感电流预测值、直通状态下电感电流预测值至不等式；所述不等式为：

50、

51、式中，il1_nst(k+1)、il1_st(k+1)分别表示非直通状态下电感电流预测值、直通状态下电感电流预测值；

52、若不等式成立，则在下一采样周期输出直通矢量；否则，在下一采样周期输出非直通矢量。

53、进一步地，所述代价函数，以公式表达为：

54、

55、式中，v*(k)表示电压矢量预测值、vn(k)表示电压矢量输出值；vc1(t+ts)、分别表示电容电压预测值、电容电压参考值；λ为权重系数。

56、与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：

57、本发明对电压矢量、电容电压、电感电流进行预测，实现对负载电流、电感电流、电容电压的跟踪控制，具有良好的参考跟踪能力，能有效减少计算量且具有良好的动静态性能。

58、本发明基于电压矢量与电容电压，构建仅包含1个权重系数的代价函数，易于调制，减少工作量。同时，根据电压矢量预测值确认扇区，无需逐一计算所有备选电压矢量的代价值，进一步减少计算量。

59、本发明每半个采样周期进行矢量选择，降低输出负载电流的总谐波系数(thd)。