CN105375514A - 一种有限开关状态预测计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限开关状态预测计算方法及系统，包括测量逆变器各相的输出电压、与逆变器相连的三相电网电压、逆变器各相的输出电流、正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；将输出电压、三相电网电压和输出电流带入无差拍有限开关状态模型，得到并根据逆变器的输出参考电压得到预设参考电压在电压空间矢量中的空间位置；确定空间位置位于电压空间矢量中的扇区以及该扇区内的M个电压矢量；根据M个电压矢量、正母线电容电压V_p、负母线电容电压V_n和无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，将其中最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量。该方法及系统减小了无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量。

Description

一种有限开关状态预测计算方法及系统

技术领域

本发明涉及模型预测计算领域，特别是涉及一种有限开关状态预测计算方法。本发明还涉及一种有限开关状态预测计算系统。

背景技术

随着全球工业化的进程和经济的快速发展，人类对于能源的需求量逐渐增大，对新型可再生能源的开发也越来越重视。逆变器作为可再生能源发电(如光伏发电、风力发电、燃料电池发电等)与电网连接的桥梁，是分布式发电系统的核心，其性能直接影响整个分布式发电系统。目前，三电平三相逆变器因其优越的性能被越来越多的应用到分布式发电系统。

三电平三相并网逆变器多采用无差拍电流控制，该控制方法能够在下一个采样周期实现对给定电流的跟踪，使逆变器具有很好的动态性能。

现有技术中，三电平三相并网逆变器采用无差拍有限开关状态模型预测控制方法来对逆变器下一周期所使用的开关状态(或电压矢量)进行预测，该方法能够利用逆变器的离散化特点，充分考虑到了逆变器的有限种开关状态(逆变器具有特定种类的开关组合)。无差拍有限开关状态模型预测控制方法利用一个预测控制目标函数(CostFunction)对每一种行为(开关组合或电压矢量)的预测结果进行在线评估，选择能使预测控制目标函数最小的电压矢量来实现对逆变器的控制。无差拍有限开关状态模型预测控制方法一般针对开关状态不多的场合(如三相二电平逆变器的开关状态为2³＝8种，二电平三相四桥臂逆变器的开关状态为2⁴＝16种)，在每一个开关周期根据无差拍有限开关状态模型对每一个开关状态进行在线计算和评估。将无差拍有限开关状态模型预测控制方法应用于多电平多相逆变器(如三电平三相四桥臂逆变器，其开关状态为3⁴＝81种；四电平三相逆变器，其开关状态为4³＝64种)时，由于需要在每一个开关周期，均根据无差拍有限开关状态模型对每一种开关状态进行在线计算，计算量相当大。

因此，如何提供一种既能保证精度、又能减少无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量的有限开关状态预测计算方法及系统是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种有限开关状态预测计算方法，不需要对逆变器的电压空间矢量中的全部扇区内的全部电压矢量进行计算，仅需要对预设参考电压所处的扇区内的电压矢量进行计算，在保证精度的基础上大大减小无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量；本发明的另一目的是提供一种有限开关状态预测计算系统。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种有限开关状态预测计算方法，用于多电平三相逆变器，包括：

测量当前周期内的所述逆变器各相的输出电压、与所述逆变器相连的三相电网电压、所述逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；

将所述输出电压、所述三相电网电压以及所述输出电流带入无差拍有限开关状态模型中，得到所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)；

根据所述输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置；

确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区；

确定位于所述扇区内的M个电压矢量；

根据M个所述电压矢量、所述正母线电容电压V_p和所述负母线电容电压V_n以及所述无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，确定M个所述预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值，并将所述最小的预测控制目标函数值对应的所述电压矢量作为下一周期的电压矢量。

优选地，所述确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区之前还包括：

将所述电压空间矢量平均分为6个扇区。

优选地，所述确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区之前还包括：

将所述电压空间矢量平均分为24个扇区。

优选地，所述根据所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置的过程具体为：

将所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)带入预设参考电压关系式，得到所述预设参考电压；

根据所述预设参考电压得到所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的角度值；

根据所述角度值得到所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的空间位置；

其中，所述预设参考电压关系式为：

$u_{ref}^{*}\left(k\right)=u_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)$

所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的角度值为：

$\mathrm{\θ}=arctan\left(u_{\mathrm{\β}o}^{*}/u_{\mathrm{\α}o}^{*}\right).$

优选地，所述无差拍有限开关状态模型的获取过程为：

根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到所述逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程，所述第一动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=u_{\mathrm{\α}o}-e_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=u_{\mathrm{\β}o}-e_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，L为所述逆变器与三相电网之间的滤波电感，R为所述逆变器与所述三相电网之间的总电阻，i_α和i_β为所述逆变器的输出电流在所述αβ坐标系下的α、β分量，e_α和e_β为所述逆变器的三相电网电压在所述αβ坐标系下的α、β分量，u_αo和u_βo为所述逆变器的输出电压在所述αβ坐标系下的α、β分量；

以T_s作为采样周期，将所述第一动态电压方程离散化，得到离散动态电压方程，其中所述离散动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{i_{\mathrm{\α}}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)}{T_s}=u_{\mathrm{\α}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ L\frac{i_{\mathrm{\β}}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)}{T_s}=u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

依据所述离散动态电压方程得到k+1时刻的预测电流关系式，其中，所述预测电流关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{\mathrm{\α}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

依据所述预测电流关系式以及无差拍关系式得到所述逆变器的输出参考电压关系式，其中，所述无差拍关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)=i_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)=i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)\end{array}\right.$

和为k+1时刻所述逆变器的参考电流，根据k时刻、k-1时刻和k-2时刻的参考电流以及线性插值关系式得到k+1时刻的所述参考电流，其中，所述线性插值关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)=3i_{\mathrm{\α}}^{*}\left(k\right)-3i_{\mathrm{\α}}^{*}(k-1)+i_{\mathrm{\α}}^{*}(k-2)\\ i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)=3i_{\mathrm{\β}}^{*}\left(k\right)-3i_{\mathrm{\β}}^{*}(k-1)+i_{\mathrm{\β}}^{*}(k-2)\end{array}\right.$

所述输出参考电压关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

根据所述逆变器的开关状态、CLARKE变换矩阵T_3/2以及所述逆变器的直流母线电压V_dc得到所述逆变器在所述αβ坐标系下的输出电压关系式，其中，所述输出电压关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}\\ u_{\mathrm{\β}o}\end{array}\right]=\frac{V_{dc}}{2}{T}_{3/2}\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]$

以T_s作为采样周期，分别对所述逆变器的正母线电容电压关系式以及负母线电容电压关系式进行离散化，分别得到离散正母线电容电压关系式以及离散负母线电容电压关系式，其中：

所述正母线电容电压关系式为：

$V_p\left(t\right)=V_p\left(0\right)+\frac{1}{2C}{\∫}_{0^{+}}^t{i}_o\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

所述负母线电容电压关系式为：

$V_n\left(t\right)=V_n\left(0\right)-\frac{1}{2C}{\∫}_{0^{+}}^t{i}_o\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

所述离散正母线电容电压关系式为：

$V_p(k+1)=V_p\left(k\right)+\frac{T_s}{2C}{i}_o\left(k\right)$

所述离散负母线电容电压关系式为：

$V_n(k+1)=V_n\left(k\right)-\frac{T_s}{2C}{i}_o\left(k\right)$

其中，C为所述逆变器的直流母线电容，i_o(k)为直流母线的中性点电流，i_o(k)根据所述逆变器的开关状态以及中性点电流关系式得到，其中，所述中性点电流关系式为：

$i_o\left(k\right)=\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==0)\·i_x$

根据输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)、输出电压u_αo和u_βo、正母线电容电压V_p(k+1)、负母线电容电压V_n(k+1)以及预测控制目标函数关系式得到预测控制目标函数值，其中，所述预测控制目标函数关系式为：

$g\left(k\right)=\left(\right|u_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)-u_{ao}\left(k\right)|+|u_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)-u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)\left|\right)+{\mathrm{\λ}}_v\left(\right|V_p(k+1)-V_n(k+1)\left|\right)$

其中，λ_v为所述直流母线的中性点电压平衡的权重系数。

优选地，所述根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到所述逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程的过程具体为：

根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到所述逆变器的输出电流在abc坐标系下的第二动态电压方程，其中，所述第二动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=u_{ao}-e_a-{\mathrm{Ri}}_a+u_{on}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=u_{bo}-e_b-{\mathrm{Ri}}_b+u_{on}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=u_{co}-e_c-{\mathrm{Ri}}_c+u_{on}\end{array}\right.$

其中，u_on为所述直流母线的中性点o与三相电网电压的中性点n之间的电压；

当所述三相电网的三相电网电压平衡时，根据平衡电压关系式以及所述逆变器的输出总电流关系式得到u_on的关系式，其中，所述平衡电压关系式为：

e_a+e_b+e_c＝0

所述逆变器的输出总电流关系式为：

i_a+i_b+i_c＝0

所述u_on的关系式为：

u_on＝-(u_ao+u_bo+u_co)/3

根据所述u_on的关系式得到所述第二动态电压方程的矩阵关系式，其中，所述第二动态电压方程的矩阵关系式为：

$L\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{ao}\\ u_{bo}\\ u_{co}\end{array}\right]-R\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

根据所述第二动态电压方程的矩阵关系式、所述CLARKE变换矩阵T_3/2以及所述CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3得到所述逆变器的输出电流在所述αβ坐标系下的所述第一动态电压方程；

其中，所述CLARKE变换矩阵T_3/2为：

$T_{3/2}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$

所述CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3为：

$T_{2/3}={\left(T_{3/2}\right)}^T=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right].$

优选地，所述逆变器的开关状态为：

S_a∈{-1,0,1}，S_b∈{-1,0,1}，S_c∈{-1,0,1}；

其中，-1表示所述逆变器该相的电压输出端与所述逆变器的直流母线的电压负极相连，0表示所述逆变器该相的电压输出端与所述直流母线的中性点相连，1表示所述逆变器该相的电压输出端与所述逆变器的直流母线的电压正极相连。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种有限开关状态预测计算系统，用于多电平三相逆变器，包括：

测量单元，用于测量当前周期内的所述逆变器各相的输出电压、与所述逆变器相连的三相电网电压、所述逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；

输出参考电压计算单元，用于将所述输出电压、所述三相电网电压以及所述输出电流带入无差拍有限开关状态模型中，得到所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)；

电压矢量获取单元，用于根据所述输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置；还用于确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区；还用于确定位于所述扇区内的M个电压矢量；

电压矢量确定单元，用于根据M个所述电压矢量、所述正母线电容电压V_p和所述负母线电容电压V_n以及所述无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，确定M个所述预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值，并将所述最小的预测控制目标函数值对应的所述电压矢量作为下一周期的电压矢量。

优选地，所述逆变器为三电平三相逆变器。

本发明提供了一种有限开关状态预测计算方法及系统，用于多电平三相逆变器。该方法中根据逆变器的输出参考电压得到了一个预设参考电压，再根据该预设参考电压在电压空间矢量中的空间位置，判断该预设参考电压在电压空间矢量中所处的扇区，确定该扇区内与预设参考电压接近的M个电压矢量，根据该扇区内的M个电压矢量进行计算，得到M个预测控制目标函数值，进而将M个预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量。因此，本发明不需要对逆变器的电压空间矢量中的全部扇区内的全部电压矢量进行计算，即不需要将逆变器的全部开关状态代入进行在线计算，而是仅需要对预设参考电压所处的扇区内的电压矢量进行计算，在保证精度的基础上大大减小了无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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一些实施例，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为本发明提供的一种有限开关状态预测计算方法的过程的流程图；

图2为本发明提供的一种有限开关状态预测计算方法中的三电平三相逆变器的电路示意图；

图3为本发明提供的一种有限开关状态预测计算方法中的电压空间矢量的分布示意图；

图4为本发明提供的一种有限开关状态预测计算系统的结构示意图；

图5为本发明提供的三电平三相逆变器输出的a相电网电压e_a、a相输出电流i_a、正母线电容电压V_p、负母线电容电压V_n以及逆变器输出线电压u_ab稳态仿真波形；

图6为本发明提供的三电平三相逆变器输出的a相电网电压e_a、a相输出电流i_a、正母线电容电压V_p、负母线电容电压V_n以及逆变器输出线电压u_ab动态仿真波形。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种有限开关状态预测计算方法，不需要对逆变器的电压空间矢量中的全部扇区内的全部电压矢量进行计算，仅需要对预设参考电压所处的扇区内的电压矢量进行计算，在保证精度的基础上大大减小无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量；本发明的另一核心是提供一种有限开关状态预测计算系统。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本发明提供了一种有限开关状态预测计算方法，用于多电平三相逆变器，参见图1所示，图1为本发明提供的一种有限开关状态预测计算方法的过程的流程图；该方法包括：

步骤s101：测量当前周期内的逆变器各相的输出电压、与逆变器相连的三相电网电压、逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；

步骤s102：将输出电压、三相电网电压以及输出电流带入无差拍有限开关状态模型中，得到逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)；

其中，这里的无差拍有限开关状态模型的获取过程为：

根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程，第一动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=u_{\mathrm{\α}o}-e_{\mathrm{\α}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=u_{\mathrm{\β}o}-e_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，L为逆变器与三相电网之间的滤波电感，R为逆变器与三相电网之间的总电阻，i_α和i_β为逆变器的输出电流在αβ坐标系下的α、β分量，e_α和e_β为逆变器的三相电网电压在αβ坐标系下的α、β分量，u_αo和u_βo为逆变器的输出电压在αβ坐标系下的α、β分量；

另外，这里的αβ坐标系为静止αβ坐标系。

以T_s作为采样周期，将第一动态电压方程离散化，得到离散动态电压方程，其中离散动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{i_{\mathrm{\α}}\left(k+1\right)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)}{T_s}=u_{\mathrm{\α}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ L\frac{i_{\mathrm{\β}}\left(k+1\right)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)}{T_s}=u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

依据离散动态电压方程得到k+1时刻的预测电流关系式，其中，预测电流关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{\mathrm{\α}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

依据预测电流关系式以及无差拍关系式得到逆变器的输出参考电压关系式，其中，无差拍关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)=i_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)=i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)\end{array}\right.$

和为k+1时刻逆变器的参考电流，根据k时刻、k-1时刻和k-2时刻的参考电流以及线性插值关系式得到k+1时刻的参考电流，其中，线性插值关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)=3i_{\mathrm{\α}}^{*}\left(k\right)-3i_{\mathrm{\α}}^{*}(k-1)+i_{\mathrm{\α}}^{*}(k-2)\\ i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)=3i_{\mathrm{\β}}^{*}\left(k\right)-3i_{\mathrm{\β}}^{*}(k-1)+i_{\mathrm{\β}}^{*}(k-2)\end{array}\right.$

输出参考电压关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)+{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

至此得到了直流跟踪模型，该模型为无差拍有限开关状态模型的一部分。

其中，线性插值关系式是通过线性插值定理得到的。

根据逆变器的开关状态、CLARKE变换矩阵T_3/2以及逆变器的直流母线电压V_dc得到逆变器在αβ坐标系下的输出电压关系式，其中，输出电压关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}\\ u_{\mathrm{\β}o}\end{array}\right]=\frac{V_{dc}}{2}{T}_{3/2}\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]$

为方便对方案进行理解，下面假设多电平三相逆变器为三电平三相逆变器时，建立模型的过程作介绍：

参见图2所示，图2为本发明提供的一种有限开关状态预测计算方法中的三电平三相逆变器的电路示意图。在三电平三相逆变电路的任何一相的桥臂中，根据不同的开关组合，可以得到以下三种输出状态：“P”状态、“O”状态和“N”状态。以a相桥臂为例：(1)“P”状态：此时开关管S_a1与S_a2同时导通，S_a3与S_a4同时关断，逆变器的电压输出端a相对于直流母线的中性点o的电位为u_ao＝V_dc/2；(2)“O”状态：此时开关管S_a2与S_a3同时导通，开关管S_a1与S_a4同时关断，逆变器的电压输出端a相对于直流母线的中性点o的电位u_ao＝0；(3)“N”状态：此时开关管S_a3与S_a4同时导通，开关管S_a1与S_a2同时关断，逆变器的电压输出端a相对于直流母线的中性点o的电位u_ao＝-V_dc/2。

因此，令变量S_a，S_b，S_c代表逆变器的每一相的开关状态，S_a∈{-1,0,1}，S_b∈{-1,0,1}，S_c∈{-1,0,1}，其中，“1”代表逆变器该相的电压输出端与逆变器的直流母线的电压正极P点相连，“0”代表逆变器该相的电压输出端与直流母线的中性点o点相连，“-1”代表逆变器该相的电压输出端与逆变器的直流母线的电压负极N点相连。

其中，三电平三相逆变器的开关状态为：

S_j＝[S_aS_bS_c]^T，其中j＝0,...,26。

以T_s作为采样周期，分别对逆变器的正母线电容电压关系式以及负母线电容电压关系式进行离散化，分别得到离散正母线电容电压关系式以及离散负母线电容电压关系式，其中：

正母线电容电压关系式为：

$V_p\left(t\right)=V_p\left(0\right)+\frac{1}{2C}{\∫}_{0^{+}}^t{i}_o\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

负母线电容电压关系式为：

$V_n\left(t\right)=V_n\left(0\right)-\frac{1}{2C}{\∫}_{0^{+}}^t{i}_o\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

离散正母线电容电压关系式为：

$V_p(k+1)=V_p\left(k\right)+\frac{T_s}{2C}{i}_o\left(k\right)$

离散负母线电容电压关系式为：

$V_n(k+1)=V_n\left(k\right)-\frac{T_s}{2C}{i}_o\left(k\right)$

其中，C为逆变器的直流母线电容，i_o(k)为直流母线的中性点电流，i_o(k)根据逆变器的开关状态以及中性点电流关系式得到，其中，中性点电流关系式为：

$i_o\left(k\right)=\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==0)\·i_x$

至此，得到了直流母线中性点平衡模型，该模型为无差拍有限开关状态模型的一部分。

根据输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)、输出电压u_αo和u_βo、正母线电容电压V_p(k+1)、负母线电容电压V_n(k+1)以及预测控制目标函数关系式得到预测控制目标函数值，其中，预测控制目标函数关系式为：

$g\left(k\right)=\left(\right|u_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)-u_{ao}\left(k\right)|+|u_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)-u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)\left|\right)+{\mathrm{\λ}}_v\left(\right|V_p(k+1)-V_n(k+1)\left|\right)$

其中，λ_v为直流母线的中性点电压平衡的权重系数，这里的λ_v取0.2。当然，本发明对λ_v的具体数值不做限定，工作人员可以根据实际情况自行设定。

进一步可知，这里的根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程的过程具体为：

根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到逆变器的输出电流在abc坐标系下的第二动态电压方程，其中，第二动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=u_{ao}-e_a-{\mathrm{Ri}}_a+u_{on}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=u_{bo}-e_b-{\mathrm{Ri}}_b+u_{on}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=u_{co}-e_c-{\mathrm{Ri}}_c+u_{on}\end{array}\right.$

其中，u_on为直流母线的中性点o与三相电网电压的中性点n之间的电压；abc坐标系为三相静止坐标系。

当三相电网的三相电网电压平衡时，根据平衡电压关系式以及逆变器的输出总电流关系式得到u_on的关系式，其中，平衡电压关系式为：

e_a+e_b+e_c＝0

逆变器的输出总电流关系式为：

i_a+i_b+i_c＝0

u_on的关系式为：

u_on＝-(u_ao+u_bo+u_co)/3

根据u_on的关系式得到第二动态电压方程的矩阵关系式，其中，第二动态电压方程的矩阵关系式为：

$L\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{ao}\\ u_{bo}\\ u_{co}\end{array}\right]-R\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

根据第二动态电压方程的矩阵关系式、CLARKE变换矩阵T_3/2以及CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3得到逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程；

其中，CLARKE变换矩阵T_3/2为：

$T_{3/2}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$

CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3为：

$T_{2/3}={\left(T_{3/2}\right)}^T=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right].$

另外，根据第二动态电压方程的矩阵关系式、CLARKE变换矩阵T_3/2以及CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3得到逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程的过程具体为：

根据CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3得到逆变器输出电流的转换关系式、输出电压的转换关系式以及三相电网电压的转换关系式，其中，输出电流的转换关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=T_{2/3}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

输出电压的转换关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{ao}\\ u_{bo}\\ u_{co}\end{array}\right]=T_{2/3}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}\\ u_{\mathrm{\β}o}\end{array}\right]$

三相电网电压的转换关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]=T_{2/3}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

将输出电流的转换关系式、输出电压的转换关系式以及三相电网电压的转换关系式带入第二动态电压方程的矩阵关系式中得到动态电压方程转换关系式，其中，动态电压方程转换关系式为：

${\mathrm{LT}}_{2/3}\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\·T_{2/3}\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}\\ u_{\mathrm{\β}o}\end{array}\right]-R\·T_{2/3}\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]-T_{2/3}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

令动态电压方程转换关系式的等号两边均左乘CLARKE变换矩阵T_3/2即可得到逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程。

步骤s103：根据输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在逆变器的电压空间矢量中的空间位置；

其中，步骤s103的过程具体为：

将逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)带入预设参考电压关系式，得到预设参考电压；

根据预设参考电压得到预设参考电压在电压空间矢量中的角度值；

根据角度值得到预设参考电压在电压空间矢量中的空间位置；

其中，预设参考电压关系式为：

$u_{ref}^{*}\left(k\right)=u_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)$

预设参考电压在电压空间矢量中的角度值为：

$\mathrm{\θ}=arctan(u_{\mathrm{\β}o}^{*}/u_{\mathrm{\α}o}^{*}).$

步骤s104：确定空间位置位于电压空间矢量中的扇区；

作为优选地，步骤s104之前还包括：

将电压空间矢量平均分为6个扇区。这里还可以进一步将6个扇区中的每个扇区都平均分成4份，即将电压空间矢量平均分为24个扇区。当然，本发明对具体如何划分扇区并不做具体限定，只要划分的扇区能够满足预测计算要求即可。

步骤s105：确定位于扇区内的M个电压矢量；

步骤s106：根据M个电压矢量、正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n以及无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，确定M个预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值，并将最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量。

可以理解的是，根据M个电压矢量来计算M个预测控制目标函数值，实际上是根据M个电压矢量所对应的逆变器的开关状态来计算；将最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量，实际上是将最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量所对应的开关状态，作为下一周期逆变器的开关状态。

例如，当逆变器为三电平三相逆变器时，将电压空间矢量平均分为6个大扇区，每个大扇区又平均分为4个小扇区，参见图3所示，图3为本发明提供的一种有限开关状态预测计算方法中的电压空间矢量的分布示意图；表1给出了当预设参考电压位于各个小扇区时，该小扇区内的电压矢量情况。

当预设参考电压位于位于第Ⅰ大扇区的第2小扇区时，确定最接近预设参考电压矢量的电压矢量为V₃、V₄、V₅、V₆、V₁₆，分别将以上5个电压矢量对应的开关状态带入无差拍有限开关状态模型进行计算，得到5个预测控制目标函数值，其中最小的预测控制目标函数值对应的开关状态即为逆变器下一周期的开关状态。

表1为各扇区内的电压矢量情况

此时，对无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数进行的计算次数为5次，相比现有技术需要对全部的27个电压矢量对应的开关状态均进行计算，本发明提供的方法在保证精度的情况下大大减少了计算量，提高了计算效率。从表1可以看出，当参考电压矢量在其他扇区时，参与无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算的电压矢量个数为4—7个，对于三电平三相并网逆变器来说，正常情况下预设参考电压位于第2、第3、第4小扇区。因此，该方法中带入无差拍有限开关状态模型进行计算的电压矢量个数一般为4-5个(与传统27个电压矢量)，大大提高了有限开关状态模型预测控制方法的效率。

另外，该方法在多相多桥臂(如三电平四桥臂、四电平三桥臂、四电平四桥臂等)逆变器中有很好的应用价值。

本发明提供了一种有限开关状态预测计算方法，用于多电平三相逆变器。该方法中根据逆变器的输出参考电压得到了一个预设参考电压，再根据该预设参考电压在电压空间矢量中的空间位置，判断该预设参考电压在电压空间矢量中所处的扇区，确定该扇区内与预设参考电压接近的M个电压矢量，根据该扇区内的M个电压矢量进行计算，得到M个预测控制目标函数值，进而将M个预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量。因此，本发明不需要对逆变器的电压空间矢量中的全部扇区内的全部电压矢量进行计算，即不需要将逆变器的全部开关状态代入进行在线计算，而是仅需要对预设参考电压所处的扇区内的电压矢量进行计算，在保证精度的基础上大大减小了无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量。

本发明还提供了一种有限开关状态预测计算系统，用于多电平三相逆变器，参见图4所示，图4为本发明提供的一种有限开关状态预测计算系统的结构示意图；该系统包括：

测量单元21，用于测量当前周期内的逆变器各相的输出电压、与逆变器相连的三相电网电压、逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；

输出参考电压计算单元22，用于将输出电压、三相电网电压以及输出电流带入无差拍有限开关状态模型中，得到逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)；

电压矢量获取单元23，用于根据输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在逆变器的电压空间矢量中的空间位置；还用于确定空间位置位于电压空间矢量中的扇区；还用于确定位于扇区内的M个电压矢量；

电压矢量确定单元24，用于根据M个电压矢量、正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n以及无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，确定M个预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值，并将最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量。

作为优选地，这里的逆变器可以为三电平三相逆变器，进一步的可以为T型三电平三相并网逆变器。当然，本发明对具体采用的逆变器的类型不做特别限定。

另外，可以通过建立仿真模型来对本发明提供的有限开关状态预测计算系统进行仿真，通过对仿真模型进行稳态实验和动态实验，来判断该系统的性能。

其中，仿真参数为：直流电源电压为E_dc＝650V，直流输入电阻R_dc＝1Ω，逆变器与三相电网之间的滤波电感L＝2mH，直流母线电容C＝2000mF，逆变器与三相电网之间的总电阻R＝0.01Ω，PWM开关频率为20K。其中，与逆变器相连的可再生能源由直流电源与直流输入电阻等效。

稳态实验：

当前周期给定d轴电流和q轴的参考电流分别为：

参见图5所示，图5为三电平三相逆变器输出的a相电网电压e_a、a相输出电流i_a、正母线电容电压V_p、负母线电容电压V_n以及逆变器输出线电压u_ab稳态仿真波形。

动态实验：

当前周期给定d轴电流和q轴的参考电流分别为在t＝0.25S时给定d轴电流和q轴的参考电流变为

参见图6所示，图6为三电平三相逆变器输出的a相电网电压e_a、a相输出电流i_a、正母线电容电压V_p、负母线电容电压V_n以及逆变器输出线电压u_ab动态仿真波形。

从图5和图6的仿真波形可以看出：逆变器的a相输出电流正弦度很好，有很好的静态性能；a相输出电流和a相电网电压同相位，实现了功率因数为1的逆变；三电平三相逆变器的中性点电压波动小于5V，说明所发明方法具有很好的中性点平衡功能；当前周期给定的参考电流突然增加20A后，该系统不到5ms即达到给定值，说明系统有很好的动态性能。

本发明提供了一种有限开关状态预测计算系统，用于多电平三相逆变器。该系统中根据逆变器的输出参考电压得到了一个预设参考电压，再根据该预设参考电压在电压空间矢量中的空间位置，判断该预设参考电压在电压空间矢量中所处的扇区，确定该扇区内与预设参考电压接近的M个电压矢量，根据该扇区内的M个电压矢量进行计算，得到M个预测控制目标函数值，进而将M个预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值对应的电压矢量作为下一周期的电压矢量。因此，本发明不需要对逆变器的电压空间矢量中的全部扇区内的全部电压矢量进行计算，即不需要将逆变器的全部开关状态代入进行在线计算，而是仅需要对预设参考电压所处的扇区内的电压矢量进行计算，在保证精度的基础上大大减小了无差拍有限开关状态模型以及预测控制目标函数的计算量。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

结合本文中所公开的实施例描述的方法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种有限开关状态预测计算方法，用于多电平三相逆变器，其特征在于，包括：

测量当前周期内的所述逆变器各相的输出电压、与所述逆变器相连的三相电网电压、所述逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；

将所述输出电压、所述三相电网电压以及所述输出电流带入无差拍有限开关状态模型中，得到所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)；

根据所述输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置；

确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区；

确定位于所述扇区内的M个电压矢量；

根据M个所述电压矢量、所述正母线电容电压V_p和所述负母线电容电压V_n以及所述无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，确定M个所述预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值，并将所述最小的预测控制目标函数值对应的所述电压矢量作为下一周期的电压矢量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区之前还包括：

将所述电压空间矢量平均分为6个扇区。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区之前还包括：

将所述电压空间矢量平均分为24个扇区。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置的过程具体为：

将所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)带入预设参考电压关系式，得到所述预设参考电压；

根据所述预设参考电压得到所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的角度值；

根据所述角度值得到所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的空间位置；

其中，所述预设参考电压关系式为：

$u_{ref}^{*}\left(k\right)=u_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)+{\mathrm{ju}}_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)$

所述预设参考电压在所述电压空间矢量中的角度值为：

$\mathrm{\θ}=arctan(u_{\mathrm{\β}o}^{*}/u_{\mathrm{\α}o}^{*}).$

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述无差拍有限开关状态模型的获取过程为：

根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到所述逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程，所述第一动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\α}}}{dt}=u_{\mathrm{\α}o}-e_{\mathrm{\α}}-R{i}_{\mathrm{\α}}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\β}}}{dt}=u_{\mathrm{\β}o}-e_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{Ri}}_{\mathrm{\β}}\end{array}\right.$

其中，L为所述逆变器与三相电网之间的滤波电感，R为所述逆变器与所述三相电网之间的总电阻，i_α和i_β为所述逆变器的输出电流在所述αβ坐标系下的α、β分量，e_α和e_β为所述逆变器的三相电网电压在所述αβ坐标系下的α、β分量，u_αo和u_βo为所述逆变器的输出电压在所述αβ坐标系下的α、β分量；

以T_s作为采样周期，将所述第一动态电压方程离散化，得到离散动态电压方程，其中所述离散动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{i_{\mathrm{\α}}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)}{T_s}=u_{\mathrm{\α}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-R{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ L\frac{i_{\mathrm{\β}}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)}{T_s}=u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-R{i}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

依据所述离散动态电压方程得到k+1时刻的预测电流关系式，其中，所述预测电流关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{\mathrm{\α}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)-R{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)=\frac{T_s}{L}\[u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)-e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)-R{i}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\]+i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

依据所述预测电流关系式以及无差拍关系式得到所述逆变器的输出参考电压关系式，其中，所述无差拍关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}(k+1)=i_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)\\ i_{\mathrm{\β}}(k+1)=i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)\end{array}\right.$

和为k+1时刻所述逆变器的参考电流，根据k时刻、k-1时刻和k-2时刻的参考电流以及线性插值关系式得到k+1时刻的所述参考电流，其中，所述线性插值关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)=3i_{\mathrm{\α}}^{*}\left(k\right)-3i_{\mathrm{\α}}^{*}(k-1)+i_{\mathrm{\α}}^{*}(k-2)\\ i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)=3i_{\mathrm{\β}}^{*}\left(k\right)-3i_{\mathrm{\β}}^{*}(k-1)+i_{\mathrm{\β}}^{*}(k-2)\end{array}\right.$

所述输出参考电压关系式为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_{\mathrm{\α}}^{*}(k+1)-i_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\mathrm{\]}+e_{\mathrm{\α}}\left(k\right)+R{i}_{\mathrm{\α}}\left(k\right)\\ u_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)=\frac{L}{T_s}\[i_{\mathrm{\β}}^{*}(k+1)-i_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\mathrm{\]}+e_{\mathrm{\β}}\left(k\right)+R{i}_{\mathrm{\β}}\left(k\right)\end{array}\right.$

根据所述逆变器的开关状态、CLARKE变换矩阵T_3/2以及所述逆变器的直流母线电压V_dc得到所述逆变器在所述αβ坐标系下的输出电压关系式，其中，所述输出电压关系式为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}o}\\ u_{\mathrm{\β}o}\end{array}\right]=\frac{V_{dc}}{2}{T}_{3/2}\left[\begin{array}{c}{S}_a\\ S_b\\ S_c\end{array}\right]$

以T_s作为采样周期，分别对所述逆变器的正母线电容电压关系式以及负母线电容电压关系式进行离散化，分别得到离散正母线电容电压关系式以及离散负母线电容电压关系式，其中：

所述正母线电容电压关系式为：

$V_p\left(t\right)=V_p\left(0\right)+\frac{1}{2C}{\∫}_{0^{+}}^t{i}_o\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

所述负母线电容电压关系式为：

$V_n\left(t\right)=V_n\left(0\right)-\frac{1}{2C}{\∫}_{0^{+}}^t{i}_o\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}$

所述离散正母线电容电压关系式为：

$V_p(k+1)=V_p\left(k\right)+\frac{T_s}{2C}{i}_o\left(k\right)$

所述离散负母线电容电压关系式为：

$V_n(k+1)=V_n\left(k\right)-\frac{T_s}{2C}{i}_o\left(k\right)$

其中，C为所述逆变器的直流母线电容，i_o(k)为直流母线的中性点电流，i_o(k)根据所述逆变器的开关状态以及中性点电流关系式得到，其中，所述中性点电流关系式为：

$i_o\left(k\right)=\underset{x=a,b,c}{\Σ}(S_x==0)\·i_x$

根据输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)、输出电压u_αo和u_βo、正母线电容电压V_p(k+1)、负母线电容电压V_n(k+1)以及预测控制目标函数关系式得到预测控制目标函数值，其中，所述预测控制目标函数关系式为：

$g\left(k\right)=\left(\right|u_{\mathrm{\α}o}^{*}\left(k\right)-u_{ao}\left(k\right)|+|u_{\mathrm{\β}o}^{*}\left(k\right)-u_{\mathrm{\β}o}\left(k\right)\left|\right)+{\mathrm{\λ}}_v\left(\right|V_p(k+1)-V_n(k+1)\left|\right)$

其中，λ_v为所述直流母线的中性点电压平衡的权重系数。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到所述逆变器的输出电流在αβ坐标系下的第一动态电压方程的过程具体为：

根据输出电压u_ao、u_bo、u_co，三相电网电压e_a、e_b、e_c，以及输出电流i_a、i_b、i_c得到所述逆变器的输出电流在abc坐标系下的第二动态电压方程，其中，所述第二动态电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}=u_{ao}-e_a-R{i}_a+u_{on}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}=u_{bo}-e_b-{\mathrm{Ri}}_b+u_{on}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}=u_{co}-e_c-{\mathrm{Ri}}_c+u_{on}\end{array}\right.$

其中，u_on为所述直流母线的中性点o与三相电网电压的中性点n之间的电压；

当所述三相电网的三相电网电压平衡时，根据平衡电压关系式以及所述逆变器的输出总电流关系式得到u_on的关系式，其中，所述平衡电压关系式为：

e_a+e_b+e_c＝0

所述逆变器的输出总电流关系式为：

i_a+i_b+i_c＝0

所述u_on的关系式为：

u_on＝-(u_ao+u_bo+u_co)/3

根据所述u_on的关系式得到所述第二动态电压方程的矩阵关系式，其中，所述第二动态电压方程的矩阵关系式为：

$L\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}2& -1& -1\\ -1& 2& -1\\ -1& -1& 2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{ao}\\ u_{bo}\\ u_{co}\end{array}\right]-R\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]-\left[\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right]$

根据所述第二动态电压方程的矩阵关系式、所述CLARKE变换矩阵T_3/2以及所述CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3得到所述逆变器的输出电流在所述αβ坐标系下的所述第一动态电压方程；

其中，所述CLARKE变换矩阵T_3/2为：

$T_{3/2}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right]$

所述CLARKE变换矩阵的反变换矩阵T_2/3为：

$T_{2/3}={\left(T_{3/2}\right)}^T=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ -1/2& \sqrt{3}/2\\ -1/2& -\sqrt{3}/2\end{array}\right].$

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述逆变器的开关状态为：

S_a∈{-1,0,1}，S_b∈{-1,0,1}，S_c∈{-1,0,1}；

其中，-1表示所述逆变器该相的电压输出端与所述逆变器的直流母线的电压负极相连，0表示所述逆变器该相的电压输出端与所述直流母线的中性点相连，1表示所述逆变器该相的电压输出端与所述逆变器的直流母线的电压正极相连。

8.一种有限开关状态预测计算系统，用于多电平三相逆变器，其特征在于，包括：

测量单元，用于测量当前周期内的所述逆变器各相的输出电压、与所述逆变器相连的三相电网电压、所述逆变器各相对应的输出电流以及正母线电容电压V_p和负母线电容电压V_n；

输出参考电压计算单元，用于将所述输出电压、所述三相电网电压以及所述输出电流带入无差拍有限开关状态模型中，得到所述逆变器的输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)；

电压矢量获取单元，用于根据所述输出参考电压u^* _αo(k)和u^* _βo(k)得到预设参考电压在所述逆变器的电压空间矢量中的空间位置；还用于确定所述空间位置位于所述电压空间矢量中的扇区；还用于确定位于所述扇区内的M个电压矢量；

电压矢量确定单元，用于根据M个所述电压矢量、所述正母线电容电压V_p和所述负母线电容电压V_n以及所述无差拍有限开关状态模型得到M个预测控制目标函数值，确定M个所述预测控制目标函数值中最小的预测控制目标函数值，并将所述最小的预测控制目标函数值对应的所述电压矢量作为下一周期的电压矢量。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述逆变器为三电平三相逆变器。