CN105071678A - 一种有限开关状态模型预测控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限开关状态模型预测控制方法，应用于多电平三相并网逆变器，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述逆变器的直流母线正极相连，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值不大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述逆变器的直流母线负极相连，以保证在逆变器输出电流的最大或最小这一段时间逆变器停止开通或关断，这样大大减少了逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率。本发明还公开了一种与上述方法对应的有限开关状态模型预测控制装置。

Description

一种有限开关状态模型预测控制方法及装置

技术领域

本发明涉及模型预测控制技术领域，更具体的说，是涉及一种有限开关状态模型预测控制方法及装置。

背景技术

近年来，随着DSP(DigitalSignalProcessing，数字信号处理)和FPGA(Field－ProgrammableGateArray，即现场可编程门阵列)技术的发展，有限开关状态模型预测控制在电力电子变换器方面得到了广泛的应用。

有限开关状态模型预测控制用一个目标函数对每一种行为(电力电子开关组合)预测结果进行评估，选择能满足目标函数最小的开关组合来实现对电力电子变换器的控制。

在有限开关状态模型预测控制的目标函数增加不同项，可以实现不同的控制目标。如在目标函数中增加离散化数字滤波器，使输出电流频谱集中于设定频率处，对输出电流开关频率固定起到了一定的作用；在目标函数中加入开关状态变化次数的约束条件，减小开关频率、降低了开关损耗；将共模电压的计算公式添加在目标函数中，达到了对共模电压的抑制作用。

由于有限开关状态没有PWM(PulseWidthModulation，脉冲宽度调制)控制模块和控制灵活等特点，近年来在多相多电平逆变器(如三相三电平、三相四电平等)大功率变流器(几百KW以上，如风力发电等)得到广泛的应用。

对于大功率变流器，开关损耗是大功率变流器的主要损耗。在不影响输出电压和输出电流质量，减少开关损耗是有限开关状态模型预测控制在大功率变流器应用的关键。

但是，现有技术中，针对多电平三相并网逆变器，并不存在一种有限开关状态模型预测控制方法能够有效减少其开关损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种有限开关状态模型预测控制方法及装置，以克服现有技术中由于不存在一种有限开关状态模型预测控制方法能够有效减少多电平三相并网逆变器的开关损耗问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种有限开关状态模型预测控制方法，应用于多电平三相并网逆变器，所述方法包括：

计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出电流；

根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压；

比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值；

如果大于，则将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线正极相连；

如果不大于，则将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线负极相连。

优选的，在所述比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值之前，所述方法还包括：

确定所述三相输出电流中的最大值、最小值以及中间值；

确定所述三相输出参考电压中的最大值、最小值以及中间值。

优选的，所述根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压的过程包括：

根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电流；

根据所述三相输出参考电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。

一种有限开关状态模型预测控制装置，应用于多电平三相并网逆变器，所述装置包括：

第一计算单元，用于计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出电流；

第二计算单元，用于根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压；

比较单元，用于比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值；

处理单元，用于当所述比较单元输出为大于时，则将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线正极相连；当所述比较单元输出为不大于时，则将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线负极相连。

优选的，所述装置还包括：

确定单元，用于在所述比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值之前，确定所述三相输出电流中的最大值、最小值以及中间值；确定所述三相输出参考电压中的最大值、最小值以及中间值。

优选的，所述第二计算单元具体包括：

第一计算子单元，用于根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电流；

第二计算子单元，用于根据所述三相输出参考电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种有限开关状态模型预测控制方法，应用于多电平三相并网逆变器，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述逆变器的直流母线正极相连，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值不大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述逆变器的直流母线负极相连，以保证在逆变器输出电流的最大或最小这一段时间逆变器停止开通或关断，这样大大减少了逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率。本发明还公开了一种与上述方法对应的有限开关状态模型预测控制装置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明公开的一种有限开关状态模型预测控制方法实施例1流程示意图；

图2为本发明公开的一种二极管钳位型三电平三相并网逆变发电系统的结构示意图；

图3为本发明公开的二极管钳位型三电平三相并网逆变器电压空间矢量示意图；

图4为本发明公开的减少逆变器开关损耗的有限开关状态模型预测控制策略示意图；

图5为本发明公开的一种有限开关状态模型预测控制装置实施例1结构示意图。

具体实施方式

为下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，这仅仅是描述本发明的实施例中对相同属性的对象在描述时所采用的区分方式。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，以便包含一系列单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它单元。

由背景技术可知，现有技术中，针对多电平三相并网逆变器，并不存在一种有限开关状态模型预测控制方法能够有效减少其开关损耗。

为此，本发明公开了一种有限开关状态模型预测控制方法，应用于多电平三相并网逆变器，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述逆变器的直流母线正极相连，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值不大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述逆变器的直流母线负极相连，以保证在逆变器输出电流的最大或最小这一段时间逆变器停止开通或关断，这样大大减少了逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率。本发明还公开了一种与上述方法对应的有限开关状态模型预测控制装置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参阅附图1，为本发明公开的一种有限开关状态模型预测控制方法实施例1流程示意图，该方法应用于多电平三相并网逆变器(如二极管钳位型三电平三相并网逆变器)，该方法具体包括：

S101，计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出电流。

S102，根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。

具体的，该步骤可以包括：

根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电流；

根据所述三相输出参考电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。

S103，比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值；如果大于，则执行S104，如果不大于，则执行S105。

需要说明的是，在所述比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值之前，所述方法还包括：

确定所述三相输出电流中的最大值、最小值以及中间值；

确定所述三相输出参考电压中的最大值、最小值以及中间值。

S104，将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线正极相连；

S105，将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线负极相连。

本实施例公开了一种有限开关状态模型预测控制方法，应用于多电平三相并网逆变器，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述逆变器的直流母线正极相连，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值不大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述逆变器的直流母线负极相连，以保证在逆变器输出电流的最大或最小这一段时间逆变器停止开通或关断，这样大大减少了逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率。

在上述本发明公开的实施例的基础上，本发明具体给出如下示例进行详细说明。

二极管钳位型三电平三相并网逆变发电系统的结构如图2所示。系统由可再生能源(如光伏、风电等)、二极管钳位型三电平三相并网逆变器(以下简称逆变器)、L滤波器、电网构成。可再生能源提供系统的输入功率，逆变器实现有功功率和无功功率的控制，其中，图中：e_a、e_b、e_b分别为三相电网相电压；i_a、i_b、i_c分别为逆变器输出相电流；u_a、u_b、u_c分别为逆变器输出相电压；i₀为逆变器中性点电流；C₁、C₂分别为直流母线电容；V_n、V_p分别为电容C₁和C₂的电压；i_C1、i_C2分别为电容C₁和C₂的电流；U_dc＝V_p+V_n为直流母线电压；i_dc为直流侧输出电流；R、L分别为逆变器输出与电网之间总电阻、滤波电感。

在逆变器中，每相桥臂有三种输出状态：“P”状态、“O”状态和“N”状态，对应的交流侧三种输出相电压分别为U_dc/2、0和-U_dc/2，其中，U_dc为直流母线电压。

为了方便建模，假设所有开关元器件都是理想器件，忽略死区时间，逆变器输出端通过L滤波器与电网相连，三相电网电压的中性点为n，则逆变器可以等效为相应的开关模型。以数字量“1”、“0”、“－1”分别表示逆变器的三种输出状态，引入开关函数，本申请中用S_i表示，则逆变器的输出状态可定义为：

其中，i∈a,b,c，o为直流母线中性点电压标识，S_i不能同时为1、0、－1。则逆变器输出相电压可由直流母线电压U_dc和开关函数S_i表示，其值表示为：

$u_{io}=\frac{S_i}{2}{U}_{dc}---\left(2\right)$

由上式可以推导出逆变器的输出相电压分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{ao}=S_a{U}_{dc}/2\\ u_{bo}=S_b{U}_{dc}/2\\ u_{co}=S_c{U}_{dc}/2\end{array}\right.---\left(3\right)$

逆变器输出线电压u_ab、u_bc、u_ca可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{ab}=u_{an}-u_{bn}=\left(S_a-S_b\right)U_{dc}/2\\ u_{bc}=u_{bn}-u_{cn}=\left(S_b-S_c\right)U_{dc}/2\\ u_{ca}=u_{cn}-u_{an}=\left(S_c-S_a\right)U_{dc}/2\end{array}\right.---\left(4\right)$

将式(4)写成矩阵形式可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{ab}\\ u_{bc}\\ u_{ca}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{u}_{an}-u_{bn}\\ u_{bn}-u_{cn}\\ u_{cn}-u_{an}\end{array}\right]=\frac{U_{dc}}{2}\left[\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\\ -1& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]---\left(5\right)$

逆变器输出线电压表示矩阵形式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{ab}\\ u_{bc}\\ u_{ca}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -1& 0\\ 0& 1& -1\\ -1& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]---\left(6\right)$

由于逆变器输出的三相线电压满足：u_ab+u_bc+u_ca＝0，则逆变器输出的相电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{an}=(u_{ab}-u_{ca})/3\\ u_{bn}=(u_{bc}-u_{ab})/3\\ u_{cn}=(u_{ca}-u_{bc})/3\end{array}\right.---\left(7\right)$

将式(7)写成矩阵形式可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -1\\ -1& 1& 0\\ 0& -1& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{ab}\\ u_{bc}\\ u_{ca}\end{array}\right]---\left(8\right)$

由上述式(3)、式(6)、式(8)联合可得逆变器输出的相电压与直流母线电压U_dc、开关函数S_i的关系为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{an}\\ u_{bn}\\ u_{cn}\end{array}\right]=\frac{U_{dc}}{6}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]---\left(9\right)$

根据图1的参考方向，可以确定，逆变器输出电流在三相静止abc坐标系下的动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=u_{an}-e_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_a\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=u_{bn}-e_b-{\mathrm{Ri}}_b\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=u_{cn}-e_c-{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.---\left(10\right)$

其中，L为逆变器输出滤波电感、u_an、u_bn、u_cn为逆变器输出相电压，e_a、e_b、e_c为三相电网电压，i_a、i_b、i_c为逆变器输出电流，R为逆变器与电网之间总的电阻。

假定采样周期T_s，需要说明的是，T_s比较小，具体值可根据实际应用确定，本申请不作任何限定，根据前向欧拉公式，将式(10)离散化可得：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{i_a\left(k+1\right)-i_a\left(k\right)}{T_s}=u_{an}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ L\frac{i_b\left(k+1\right)-i_b\left(k\right)}{T_s}=u_{bn}\left(k\right)-e_b\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ L\frac{i_c\left(k+1\right)-i_c\left(k\right)}{T_s}=u_{cn}\left(k\right)-e_c\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array}\right.---\left(11\right)$

则逆变器在(k+1)时刻预测电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{an}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_b(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{bn}\left(k\right)-e_b\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\]+i_b\left(k\right)\\ i_c(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{cn}\left(k\right)-e_c\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\]+i_c\left(k\right)\end{array}\right.---\left(12\right)$

假定在k+1时刻逆变器电流达到给定电流，即

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a\left(k+1\right)=i_a^{*}\left(k+1\right)\\ i_b\left(k+1\right)=i_b^{*}\left(k+1\right)\\ i_c\left(k+1\right)=i_c^{*}\left(k+1\right)\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，为(k+1)时刻逆变器的给定电流(即参考电流)。

需要说明的是，在(k+1)时刻逆变器的给定电流可由(k)时刻的给定电流、(k-1)时刻的给定电流、以及(k-2)时刻的给定电流通过线性插值定理得到：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_a^{*}\left(k+1\right)=i_a^{*}\left(k\right)-2i_a^{*}\left(k-1\right)+i_a^{*}\left(k-2\right)\\ i_b^{*}\left(k+1\right)=i_b^{*}\left(k\right)-2i_b^{*}\left(k-1\right)+i_b^{*}\left(k-2\right)\\ i_c^{*}\left(k+1\right)=i_c^{*}\left(k\right)-2i_c^{*}\left(k-1\right)+i_c^{*}\left(k-2\right)\end{array}\right.---\left(14\right)$

根据式(12)和式(13)，可得逆变器输出参考电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{an}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_a^{*}\left(k+1\right)-i_a\left(k\right)\]+e_a\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_a\left(k\right)\\ u_{bn}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_b^{*}\left(k+1\right)-i_b\left(k\right)\]+e_b\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_b\left(k\right)\\ u_{cn}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_c^{*}\left(k+1\right)-i_c\left(k\right)\]+e_c\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_c\left(k\right)\end{array}\right.---\left(15\right)$

根据图1，可得逆变器母线电容电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{C2}=i_{dc}-i_P\\ i_{C1}=i_{C2}-i_o=i_{dc}-i_P-i_o\end{array}\right.---\left(16\right)$

三电平中性点平衡控制的目的为实现母线电容能量平衡，直流母线电流i_dc为0，则

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{C2}=-i_P\\ i_{C1}=i_{C2}-i_o=-i_P-i_o\end{array}\right.---\left(17\right)$

根据逆变器输出的开关函数可得中性点电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_P=\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==1)\·i_x\\ i_o=\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==0)\·i_x\end{array}\right.---\left(18\right)$

由式(17)和(18)可得逆变器流过母线的电容电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{C2}=-\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==1)\·i_x=\underset{x=a,b,c}{\Σ}{K}_{2x}\·i_x\\ i_{C1}=-\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==1)\·i_x-\underset{x=a,b,c}{\Σ}\left(S_x==0\right)\·i_x=\underset{x=a,b,c}{\Σ}{K}_{1x}\·i_x\end{array}\right.---\left(19\right)$

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{K}_{1x}=Sign(-1-S_x)\\ K_{2x}=Sign(0-S_x)\·Sign(S_x+1)\end{array}\right.,$ 其中，Sign为符号函数，其输出为-1，0，1。

逆变器直流母线电容电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_p\left(t\right)=V_p\left(0\right)+{\∫}_{0^{+}}^t{i}_{C2}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}\\ V_n\left(t\right)=V_n\left(0\right)+{\∫}_{0^{+}}^t{i}_{C1}\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}\end{array}\right.---\left(20\right)$

假定离散化步长为T_s，将式(20)离散化可得：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_p(k+1)=V_p\left(k\right)+\frac{T_s}{C_2}{i}_{C2}\left(k\right)\\ V_n(k+1)=V_n\left(k\right)+\frac{T_s}{C_1}{i}_{C1}\left(k\right)\end{array}\right.---\left(21\right)$

由式(19)和式(20)可知：通过逆变器输出的开关函数和逆变器输出电流可以预测出三电平中性点电压，无需测量三电平三相逆变器母线电容电流i_C1和i_C2。

对于逆变器来说，控制目标有多个，其一目标是实现以给定电流精确快速跟踪，这是有限开关状态模型预测控制的主要目标；另一方面，逆变器要实现对中点电压的平衡。为实现逆变器对给定电流精确跟踪以及中性点电压平衡，有限开关状态模型预测控制目标函数的选择为：

$\begin{array}{c}g\left(k\right)=\left(\left|u_{an}^{*}\left(k\right)-u_{an}\left(k\right)\right|+\left|u_{bn}^{*}\left(k\right)-u_{bn}\left(k\right)\right|+\left|u_{cn}^{*}\left(k\right)-u_{cn}\left(k\right)\right|\right)+\\ {\mathrm{\λ}}_v\left(\left|V_p\left(k+1\right)-V_n\left(k+1\right)\right|\right)\end{array}---\left(21\right)$

其中λ_v为目标函数中性点电压平衡的权重系数，该值可以根据不同的需求进行设置。在本发明中，λ_v＝2。

逆变器的开关损耗取决于逆变器开通和关断时流过逆变器的电流，逆变器在开通和关断时逆变器的电流越大，其逆变器的开关损耗越大。为了减少逆变器的开关损耗，在逆变器输出电流的最大或最小这一段时间逆变器停止开通或关断。

逆变器输出参考电压中的最大值、最小值、中间值定义为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\max }^{*}\left(k\right)=Max\[u_{an}^{*}\left(k\right),u_{bn}^{*}\left(k\right),u_{cn}^{*}\left(k\right)\]\\ u_{mid}^{*}\left(k\right)=Mid\[u_{an}^{*}\left(k\right),u_{bn}^{*}\left(k\right),u_{cn}^{*}\left(k\right)\]\\ u_{\min }^{*}\left(k\right)=Min\[u_{an}^{*}\left(k\right),u_{bn}^{*}\left(k\right),u_{cn}^{*}\left(k\right)\]\end{array}\right.---\left(22\right)$

其中函数Max、Mid、Min分别是取函数的最大值、中间值和最小值。

逆变器输出电流的最大值、中间值和最小值分别表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\max }\left(k\right)=Max\[i_a\left(k\right),i_b\left(k\right),i_c\left(k\right)\]\\ i_{mid}\left(k\right)=Mid\[i_a\left(k\right),i_b\left(k\right),i_c\left(k\right)\]\\ i_{\min }\left(k\right)=Min\[i_a\left(k\right),i_b\left(k\right),i_c\left(k\right)\]\end{array}\right.---\left(23\right)$

本申请方法通过逆变器输出参考电压和逆变器输出电流i_a(k)、i_b(k)、i_c(k)决定逆变器哪相停止开关动作(即使得该相与直流母线正极或负极相连)。具体的，可使逆变器输出电流绝对值最大那相与直流母线正极或负极相连，这样大大减少了逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率。

结合图3所示的二极管钳位型三电平三相并网逆变器电压空间矢量，其电压矢量的选取与逆变器输出参考电压、输出电流的关系如表1所示。

表1电压矢量的选取与逆变器输出参考电压、输出电流的关系

从表1可以看出：根据参考电压、输出电流，参与预测模型和目标函数计算电压矢量由传统的27个减少到9个。参与计算的9个电压矢量在逆变器输出电流最大或最小这一段时间内停止开关动作，和传统的有限开关状态模型预测相比，大大减少了三电平三相逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率；同时也减少预测模型和目标函数的计算量，提高计算效率。

减少逆变器开关损耗的有限开关状态模型预测控制策略如图4所示，该策略可通过数字信号处理器(DSP)编程实现。

上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置实现，因此本发明还公开了一种装置，下面给出具体的实施例进行详细说明。

请参阅附图5，为本发明公开的一种有限开关状态模型预测控制装置实施例1结构示意图，该装置应用于多电平三相并网逆变器(如二极管钳位型三电平三相并网逆变器)，具体包括：

第一计算单元11，用于计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出电流；

第二计算单元12，用于根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压；

具体的，所述第二计算单元具体包括：

第一计算子单元，用于根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电流；

第二计算子单元，用于根据所述三相输出参考电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。

比较单元13，用于比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值；

在所述比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值之前，可通过确定单元，确定所述三相输出电流中的最大值、最小值以及中间值；确定所述三相输出参考电压中的最大值、最小值以及中间值。

处理单元14，用于当所述比较单元输出为大于时，则将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线正极相连；当所述比较单元输出为不大于时，则将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线负极相连。

综上所述：

本发明公开了一种有限开关状态模型预测控制方法，应用于多电平三相并网逆变器，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述逆变器的直流母线正极相连，当所述逆变器的三相输出电流中最大值的绝对值不大于最小值的绝对值时，将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述逆变器的直流母线负极相连，以保证在逆变器输出电流的最大或最小这一段时间逆变器停止开通或关断，这样大大减少了逆变器的开关损耗，提高逆变器的效率。本发明还公开了一种与上述方法对应的有限开关状态模型预测控制装置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

另外需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。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可读取的存储介质中，如计算机的软盘，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，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的方法。

综上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照上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：其依然可以对上述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种有限开关状态模型预测控制方法，其特征在于，应用于多电平三相并网逆变器，所述方法包括：

计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出电流；

根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压；

比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值；

如果大于，则将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线正极相连；

如果不大于，则将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线负极相连。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值之前，所述方法还包括：

确定所述三相输出电流中的最大值、最小值以及中间值；

确定所述三相输出参考电压中的最大值、最小值以及中间值。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压的过程包括：

根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电流；

根据所述三相输出参考电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。

4.一种有限开关状态模型预测控制装置，其特征在于，应用于多电平三相并网逆变器，所述装置包括：

第一计算单元，用于计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出电流；

第二计算单元，用于根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压；

比较单元，用于比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值；

处理单元，用于当所述比较单元输出为大于时，则将所述输出参考电压中最大值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线正极相连；当所述比较单元输出为不大于时，则将所述输出参考电压中最小值对应的相与所述多电平三相并网逆变器的直流母线负极相连。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

确定单元，用于在所述比较所述三相输出电流中最大值的绝对值是否大于所述三相输出电流中最小值的绝对值之前，确定所述三相输出电流中的最大值、最小值以及中间值；确定所述三相输出参考电压中的最大值、最小值以及中间值。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述第二计算单元具体包括：

第一计算子单元，用于根据所述三相输出电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电流；

第二计算子单元，用于根据所述三相输出参考电流计算所述多电平三相并网逆变器的三相输出参考电压。