去权重系数的三相八开关模型预测控制方法和装置

摘要

本说明书一个或多个实施例提供一种去权重系数的三相八开关模型预测控制方法和装置，其中的方法包括：确定电压矢量，结合负载电流流过第一电容和第二电容形成的第一电压和第二电压，预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移；结合三相八开关逆变器的电阻与电感，预测k+1时刻电流值；对平衡中点电位产生平衡作用的代价函数进行去权重系数处理，同时用于补偿在实际实施当中，处理器计算时间导致的延迟作用，从而在k+1时刻输出最优矢量。本发明模型预测电流控制时无需对权重系数进行调整。

说明书

技术领域

本说明书一个或多个实施例涉及模型预测控制技术领域，尤其涉及一种 去权重系数的三相八开关模型预测控制方法和装置。

背景技术

模型预测控制随着微电子技术的发展受到越来越多国内外电子人士的关 注，三相八开关逆变器由于其较为简单的容错拓扑结构和较低的成本，也得 到了广泛的运用。

由于三相中的故障相直接与母线中点链接，导致中点电位偏移，使得输 出电压电流失衡，为了保证其输出性能以及系统故障后稳定运行，则需要采 用有效的容错控制方法，现有的模型预测控制即目前较常采用的一种容错控 制方法，然而，该种方法存在以下问题：在预测过程中需要引入至少一个个 权重系数，而且对于权重系数的调整只能通过试数法实现，因此其调整相当 耗费时间。

目前业内还没有能够解决上述问题的方法或者装置出现。

发明内容

有鉴于此，本说明书一个或多个实施例的目的在于提出一种去权重系数 的三相八开关模型预测控制方法和装置，以解决目前三相八开关逆变器模型 预测控制过程中调整耗时的问题。

基于上述目的，本说明书一个或多个实施例提供了一种去权重系数的三 相八开关模型预测控制方法，包括：

确定电压矢量，结合负载电流流过第一电容和第二电容形成的第一电压 和第二电压，预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移；

结合三相八开关逆变器的电阻与电感，预测k+1时刻电流值；

对平衡中点电位产生平衡作用的代价函数进行去权重系数处理，同时用 于补偿在实际实施当中，处理器计算时间导致的延迟作用，从而在k+1时刻 输出最优矢量。

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述确定电 压矢量，包括：

通过开关函数和电压矢量公式确定备选电压矢量，得到1个零矢量及6 个小矢量；

从所述1个零矢量及6个小矢量中选取最优矢量。

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述预测k+1 时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移，包括：

通过以下电压偏移公式预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移：

其中，k为时刻，U

通过以下电流预测公式计算k+1时刻的电流的预测值：

其中，i的实部与虚部分别为i

通过上述公式，计算出电压电容差ΔU

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述对所述 第一电压和所述第二电压进行平衡，对平衡所需的代价函数进行去权重操作， 包括：

对代价函数进行改写，以使最终的代价函数中包括

式中，i

结合上述说明，在本发明实施例另一种可能的实施方式中，所述选取所 述电压矢量中的最优矢量，使k时刻得到的最优电压矢量得到延迟补偿，包 括：

对k+2时刻的定子电流分量i

所述优化后的代价函数变为：

将所述电压矢量代入上式，选择使代价函数最小的电压矢量，则该k+2 时刻预测矢量即作为k+1时刻的输出。

第二方面，本发明示例性实施例还提供了一种去权重系数的三相八开关 模型预测控制装置，包括：

电压预测模块，用于确定电压矢量，结合负载电流流过第一电容和第二 电容形成的第一电压和第二电压，预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电 压偏移；

电流预测模块，用于结合三相八开关逆变器的电阻与电感，预测k+1时 刻电流值；

延迟补偿模块，用于对平衡中点电位产生平衡作用的代价函数进行去权 重系数处理，同时用于补偿在实际实施当中，处理器计算时间导致的延迟作 用，从而在k+1时刻输出最优矢量。

上述的装置，所述电压预测模块还用于：

通过开关函数和电压矢量公式确定备选电压矢量，得到1个零矢量及6 个小矢量；从所述1个零矢量及6个小矢量中选取最优矢量。

上述的装置，所述电压预测模块还用于：

通过以下电压偏移公式预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移：

其中，k为时刻，U

通过以下电流预测公式计算k+1时刻的电流的预测值：

其中，i的实部与虚部分别为i

通过上述公式，计算出电压电容差ΔU

上述的装置，所述延迟补偿模块还用于：

对代价函数进行改写，以使最终的代价函数中包括

式中，i的实部与虚部分别为i

上述的装置，所述延迟补偿模块还用于：

对k+2时刻的定子电流分量i

所述优化后的代价函数变为：

将所述电压矢量代入上式，选择使代价函数最小的电压矢量，则该k+2 时刻预测矢量即作为k+1时刻的输出。

从上面所述可以看出，本说明书一个或多个实施例提供的去权重系数的 三相八开关模型预测控制方法和装置，基于统一代价函数量纲的思想，针对 电流与中点电位控制，通过去权重系数，解决了目前三相八开关逆变器模型 预测控制过程中调整耗时的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案， 下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本说明书一个或多个实施例，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为本说明书一个或多个实施例的三相八开关逆变器拓扑示意图；

图2为本说明书一个或多个实施例的方法流程示意图；

图3为本说明书一个或多个实施例的三相八开关逆变器电压空间矢量图 示意图；

图4为本说明书一个或多个实施例延迟补偿原理示意图；

图5为本说明书一个或多个实施例的补偿框架示意图；

图6为本说明书一个或多个实施例不考虑中点电位控制时的ΔU

图7为本说明书一个或多个实施例考虑中点电位控制后ΔU

图8为本说明书一个或多个实施例给定电流波形示意图；

图9为本说明书一个或多个实施例不考虑中点电位控制时三相输出电流 波形示意图；

图10为本说明书一个或多个实施例考虑中点电位控制时三相电流波形 示意图；

图11为本说明书一个或多个实施例考虑中点电位控制时Uab电压波形 示意图；

图12为本说明书一个或多个实施例负载突变后的三相电流波形示意图；

图13为本说明书一个或多个实施例负载突变后的Uab波形示意图；

图14为本说明书一个或多个实施例负载突变后的ΔU

图15(a)为本说明书一个或多个实施例负载突变前谐波分析示意图；

图15(b)为本说明书一个或多个实施例负载突变后谐波分析示意图；

图16为本说明书一个或多个实施例受到扰动后的ΔU

图17为本说明书一个或多个实施例受到扰动后的三相电流波形示意图；

图18为本说明书一个或多个实施例的装置结构示意图；

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施 例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，除非另外定义，本说明书一个或多个实施例使用的技术 术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通 常意义。本说明书一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词 语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包 括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在 该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接” 或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括 电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于 表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也 可能相应地改变。

多电平变流器拥有诸多优点而倍受青睐，其中三电平中点钳位型 (Neutral-Point-Clamped,NPC)逆变器应用最为广泛。相比二电平，这种逆 变器输出的电压波形谐波特性更加良好、dv/dt更小，还有开关损耗更小等优 点，因此，一直是国内外学者研究的热点。

但是，三电平NPC逆变器的功率开关器件要比传统的两电平逆变器多， 也就导致了其发生故障的概率更大，可靠性降低。而三相八开关逆变器 (Eight-Switch Three-Phase Inverter，ESTPI)就是三电平NPC逆变器单相桥 臂故障后的容错重构结构。其结构如图1所示(本专利申请以A相故障为例)， 容错拓扑结构不复杂、成本低，得到广泛的应用。由于A相(故障相)直接 与母线中点链接，势必导致中点电位偏移，使得输出电压电流失衡，为了保 证其输出性能以及系统故障后稳定运行，则需要采用有效的容错控制方法。

近年来，不同的容错控制方法得到提出，其中一类就是模型预测控制。 传统的方法基于模型预测控制，将转矩、磁链与中点电位加入到代价函数中 针对同步电机进行控制，但是该方法需要引入两个权重系数，而目前对于权 重系数的调整仅能通过试数法实现，相当耗费时间。有一些方法，则针对同 步磁阻电机23提出模型预测电流控制与中点电位控制，同样的对电流与中点 电位在代价函数中的关系依赖于权重系数。还有一些方法，从人工试数的经 验出发，用类似于最小二乘法的思想利用算法选出最优的权重系数，但是该 方法同样会耗费时间，且算法相对复杂。

为了降低人工调节的时间成本，近年来，不同的学者提出了各自的方法 消除权重系数的使用，Norambuena等学者提出了顺序法，即先筛选出对转矩 性能最优的两个基础电压矢量，再将已选的两矢量进行对比，选用二者中对 磁链最优的矢量作为最终输出矢量，随后Cristian等学者对该方法与传统的 模型预测方法进行对比，得出该方法与传统方法性能相近的结论，但是以上 两种研究均缺少对二步法的理论分析；而Rojas等学者则将同一个基础电压 矢量同时且分别的代入到单一变量的代价函数中，并对两类七组的代价函数 值进行由小到大排序，综合两类排名选出排名最低的基础矢量为输出量，但 是这种“公平”的方法选出的矢量未必对应具体时刻所需矢量，产生误差较大。

更有一些方法，为了消去代价函数中的权重系数，则利用关系式计算， 将代价函数中的磁链与转矩都转化为有功转矩与无功转矩；其它诸如：根据 电磁转矩与定转子磁链之间的关系，基于定转子之间的角度关系进行计算， 使得代价函数中只有磁链变量；又如将控制变量转变为对输出电压矢量的控 制。以上所提到的方法，其思路都是通过将所需控制的变量的量纲进行统一 实现无权重系数，但是由于计算的时候常常要把定子磁链幅值确定为不变量， 因此在电机的低速区间会造成误差，影响控制性能。本发明基于统一代价函 数量纲的思想。

本发明示例性实施例提供的一种去权重系数的三相八开关模型预测控制 方法，结合图2所示的基本流程示意图，其步骤主要包括：

在步骤210中，确定电压矢量，结合负载电流流过第一电容和第二电容 形成的第一电压和第二电压，预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏 移；

图3所示为三相八开关逆变器电压空间矢量图，三相八开关逆变器，A 相直接与电容中点相连，定义开关函数S

电压矢量可以表述为

其中，U

在步骤220中，结合三相八开关逆变器的电阻与电感，预测k+1时刻电 流值；

A相直接与直流侧电容中点O相连接，负载电流流过电容C1和C2，引 起中点电压偏移，使得U

根据基尔霍夫电流定律，中点电流i

其中，U

因此，电容电流i

对(4)进行离散化，可得U

因此，将(5)整理可以预测出k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压 偏移。

本发明三相八开关逆变器的负载为阻感负载，对于k+1时刻的电流的预 测值，可以通过下式(7)进行计算[1]：

其中，i

根据传统的模型预测控制方法，由于本发明需要对电流进行控制同时对 电容电压差进行平衡，所以代价函数中应该包含上述变量，代价函数g如下 式所示：

其中，λ为权重系数。目前来说，权重系数的取值仍然是通过试数法得 到，这也是目前模型预测控制的局限性之一。

对式(6)改写为如下式(9)所示，在物理含义上该式表示，k+1时刻 的经过电容的电荷量之差(式子左边)等于k时刻经过两电容的电荷之差减 去流过中点的电荷量(式子右边)。

CΔU

代入式(9)再对原代价函数进行改写，如下式所示:

分子的前两项可理解为理想流过电荷量与k+1时刻流过电荷量之间的差 值，而对于第三项虽然含有

在步骤230中，对平衡中点电位产生平衡作用的代价函数进行去权重系 数处理，同时用于补偿在实际实施当中，处理器计算时间导致的延迟作用， 从而在k+1时刻输出最优矢量。

本发明示例性实施例的一种实施方式中，在七个备选电压矢量当中选取 出使得权重系数最小的最佳矢量，再进行延迟补偿确保实际执行中输出最优 矢量。

离散数字系统中，由于在一周期内计算时间不可被忽略，使得k时刻计 算得出的最优电压矢量不能在k时刻就作用，而是在k+1时刻才开始起作用， 如图4所示。因此，在这种系统存在一拍延迟，如果不对其进行延时补偿， 将会导致系统性能恶化，定子电流和中点电压控制误差变大，最终甚至导致 控制失败。

为了补偿一拍延迟带来的不利影响，需要预测k+2时刻的定子电流分量i

那么将电压矢量代入代价函数式(12)中，选择使代价函数最小的电压矢 量,那么这个k+2时刻预测矢量就作为k+1时刻的输出。

上述各公式中，其中，k为时刻，U

本发明示例性实施例的实施方式中，还包括对上述方法进行的验证步骤：

结合图5所示，为模型预测控制框图如下图所示，其实现的主要流程：

1、对电流与中点电位信号进行采集；

2、将已知的参数与采集到的信号代入到公式(6)与公式(7)对k+1时刻的 电流与中点电压进行预测，然后再对k+2时刻的电流值与中点电压值进行预 测实现延迟补偿；

3、将期望值、预测值与7个电压矢量分别代入到公式(12)无权重系数代 价函数进行计算，选出使得代价函数最小的最优矢量。

利用Matlab/Simulink进行仿真实验，搭建基于模型预测控制算法的三相 八开关逆变器控制系统。Simulink仿真参数如下所示：采样时间T

如下图所示为仿真结果，假如不考虑对中点电位进行控制，如图6所示， 考虑中点电位控制后的

当系统负载发生突变，三相负载电阻在0.8秒时均由10Ω增加为15Ω时， 如图12所示，电流在该时刻短暂的发生了波动，系统在电流发生了波动后迅 速恢复到了新的稳态。虽然，由式(7)所示，电流预测中电阻值在本系统中为 设定的恒定值，其实，这也就是模型预测控制方法对参数具有一定的依赖性 的原因，但是，从仿真结果可见，在参数发生变化后，偏离了原先设定的电 阻值，如图13所示，相电压Uab波形正常，如图14所示，虽然中点电位的 动态幅值有所增大但在允许的范围中，而中点电位仍处在动态平衡当中，如 图15(a)所示为负载突变前后电流谐波分析，由于系统直接输出选择的电 压矢量而未采用脉宽调制等手段降低电流谐波，其谐波含量较大，对比发生 突变前后谐波含量差别相当小，系统仍然能够输出稳定的接近正弦波电流， 保证系统能够稳定运行。这说明系统具有良好的鲁棒性。

而为了验证系统的稳定性，在中点处瞬间受到扰动时，即中点电位发生 突变，其中一个电容的电压突增，中点电位波形与三相电流波形如图15(b) 与图16所示，可见，在0.3秒时受到扰动时候，会引起三相电压的突变，导 致三相电流均有出现小小的波动，但在扰动消失之后，电流迅速地回复到了 扰动前正常的状态，波形保持平稳。这说明系统的稳定性良好，在受到一定 扰动下输出电流波动较小，同时在扰动消失后可快速进行调节恢复到平稳状 态，具有抗干扰能力。

图17为受到扰动后的三相电流波形。

本文在分析了三相八开关逆变器的拓扑结构的基础上，针对电流与中点 电位控制，提出了一种无权重系数的模型预测电流控制方法，并且利用 Matlab/Simulink搭建模型验证了其有效性，所得结论如下：

针对阻感负载，所提出的控制方法仿真结果良好，对比加入对中点电位 控制之前，系统性能稳定运行，中点电位平衡在小范围内波动，输出电压、 电流波形平稳与符合理论结果。

系统在负载突变情况下，能够进入新的稳态，输出电压、电流波形稳定， 系统鲁棒性良好

系统中点电位受到扰动时输出电流波动较小，在受到扰动后能回复到原 来的稳态，说明系统稳定性良好，本文所提的控制方法有效与表现良好。

基于同一发明构思，与上述任意实施例方法相对应的，本说明书一个或 多个实施例还提供了一种去权重系数的三相八开关模型预测控制装置。

参考图18，所述去权重系数的三相八开关模型预测控制装置，包括：

电压预测模块1810，用于确定电压矢量，结合负载电流流过第一电容和 第二电容形成的第一电压和第二电压，预测k+1时刻电压矢量作用产生电压 的电压偏移；

电流预测模块1820，用于结合三相八开关逆变器的电阻与电感，预测k+1 时刻电流值；

延迟补偿模块1830，对平衡中点电位产生平衡作用的代价函数进行去权 重系数处理，同时用于补偿在实际实施当中，处理器计算时间导致的延迟作 用，从而在k+1时刻输出最优矢量。

本发明示例性实施例中，所述电压预测模块1810还用于：

通过开关函数和电压矢量公式确定电压矢量，得到1个零矢量、6个小 矢量以及2个中矢量；选取其中的1个零矢量及6个小矢量作为所述电压矢 量。

本发明示例性实施例中，所述电压预测模块1810还用于：

通过以下电压偏移公式预测k+1时刻电压矢量作用产生电压的电压偏移：

其中，k为时刻，U

通过以下电流预测公式计算k+1时刻的电流的预测值：

其中，i的实部与虚部分别为i

通过上述公式分别计算出电压电容差ΔU

本发明示例性实施例中，所述延迟补偿模块1830还用于：

对代价函数进行改写，以使最终的代价函数中包括

式中，i的实部与虚部分别为i

本发明示例性实施例中，所述延迟补偿模块1830还用于：

对k+2时刻的定子电流分量i

所述优化后的代价函数变为：

将所述电压矢量代入上式，选择使代价函数最小的电压矢量，则该k+2 时刻预测矢量即作为k+1时刻的输出。

上述实施例的装置用于实现前述任一实施例中相应的去权重系数的三相 八开关模型预测控制方法，并且具有相应的方法实施例的有益效果，在此不 再赘述。

另外，为简化说明和讨论，并且为了不会使本说明书一个或多个实施例 难以理解，在所提供的附图中可以示出或可以不示出与集成电路(IC)芯片 和其它部件的公知的电源/接地连接。此外，可以以框图的形式示出装置，以 便避免使本说明书一个或多个实施例难以理解，并且这也考虑了以下事实， 即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本说明书一个 或多个实施例的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解 范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本公开的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的 情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本说明书一个或多个实施例。 因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本公开的具体实施例对本公开进行了描述，但是根据前 面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说 将是显而易见的。例如，其它存储器架构(例如，动态RAM(DRAM))可 以使用所讨论的实施例。

本说明书一个或多个实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内 的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本说明书一个或多个实施例的 精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在 本公开的保护范围之内。