适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了适用于级联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斩波状态子模块的最终开关状态。本发明专利技术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。

Model predictive control strategy and method for cascaded H bridge converters

The present invention provides a model predictive control strategy method and system for cascaded H-bridge converter, including acquiring sampling values and parameter values, sampling values including sub-module instruction values and sub-module real-time values of the converter, and obtaining the difference ranking results according to the difference between sub-module instruction values and sub-module real-time values, and predicting the next time. The real-time output voltage instruction value of the sub-module is constructed according to the sorting result, and the working state of the sub-module is divided. The capacitance voltage instruction value of the sub-module in chopper state is obtained according to the output voltage instruction value and the step sector, and the chopper state sub-module is selected according to the capacitance voltage instruction value of the sub-module in chopper state. The final switch state. The invention can more effectively calculate the switching state of all sub-modules of the three-phase H-bridge cascade converter, greatly reducing the execution time of the algorithm and the complexity of the control system.

【技术实现步骤摘要】
适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法和系统
本专利技术涉及电力电子与自动控制
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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。本专利技术提供本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，根据下式计算变流器的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。5.根据权利要求4所述的适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，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。7.根据权利要求6所述的适用于级联H桥变流器的模型预测控制策略方法，其特征在于，当变流器输出电流方向由所述变流器中性点指向网侧时，根据下式计算所述阶梯扇区：Ustep1＝KUc1_sort-Uc2_sort-Uc3_sort-...-UcN_sort；...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐瑭，
申请(专利权)人：唐瑭，
类型：发明
国别省市：安徽,34