本發明屬于三電平逆變器控制領域，尤其涉及基于數據驅動的權重因子設計方法、模型預測控制方法及裝置。

背景技術：

1、隨著傳統化石能源的日益緊缺以及全世界范圍環境污染問題的日益嚴重，人類不得不轉變傳統思維，將目光投向前景更為廣闊的新能源研究。風能和太陽能光伏發電因其對環境友好而在可再生能源中引起了廣泛關注。并網變流器作為新能源發電系統中核心的電能轉換裝置，充當著不可或缺的角色。并網逆變器是可再生能源發電系統與傳統電力系統之間能量傳輸的橋梁，能夠將可再生能源發電系統中的電能轉化為交流電匯入傳統電力系統，為實現新能源發電系統高效率發電、高可靠性以及低電流諧波，并網逆變器的性能提升對于新能源發電系統以及新型電力系統的穩定性來說至關重要。

2、模型預測控制作為一種較為有前景的變流器控制策略，其優點包括：易于實施、動態響應快、無需比例積分調節器、參數調節簡便、能夠在單個控制環中處理多個約束條件。模型預測控制可以在一個控制回路中實現多目標控制，通過調整成本函數中的權重因子來調節各個控制目標的優先級。

3、然而，權重系數的調整過程比較繁瑣，缺乏可靠的理論指導依據。

技術實現思路

1、本發明目的在于提供一種基于數據驅動的權重因子設計方法、模型預測控制方法及裝置。用于解決傳統模型預測控制方法中權重因子調整繁瑣且缺乏理論依據的問題。本發明提出的基于數據驅動的權重因子設計方法，可以避免權重因子的繁瑣設計過程。僅利用變流器的輸入輸出數據，即可在線優化權重因子。

2、為實現上述目的，本發明實施例提供如下技術方案：

3、第一方面，本發明提供了基于數據驅動的權重因子設計方法，所述方法包括：

4、在線計算中點電壓絕對值的平均值；所述中點電壓絕對值的平均值為：

5、

6、式中，uav為中點電壓絕對值的平均值，n＝tw/ts，為統計總數，tw為統計時間，通常為控制周期ts的整數倍；

7、將中點電壓絕對值的平均值與中點電壓平衡項的權重因子通過非線性形式表示；所述中點電壓絕對值的平均值與中點電壓平衡項的權重因子的非線性形式表示為：

8、uav(k+1)＝f(uav(k),uav(k-1),…,uav(k-ni),ku(k),ku(k-1),…,ku(k-ni))

9、式中，uav(k+1)代表三電平逆變器在k+1時刻的中點電壓絕對值的平均值，uav(k-ni)，ku(k-ni)分別代表三電平逆變器在k-ni時刻的中點電壓絕對值的平均值和中點電壓平衡項的權重因子，f()代表系統的非線性方程，ni為與系統有關的正整數；

10、定義變量中點電壓絕對值的平均值與中點電壓平衡項的權重因子的誤差，并使其在存在一個時變的偏導數，能滿足非線性系統要求；

11、定義變量中點電壓絕對值的平均值與中點電壓平衡項的權重因子的誤差為：

12、

13、式中，δuav(k+1)為k+1時刻中點電壓絕對值的平均值的誤差，δku(k+1)為k+1時刻中點電壓平衡項的權重因子的誤差；

14、對于一個非線性系統，存在一個時變的偏導數φ，使得系統滿足下式：

15、δuav(k+1)＝φ(k)δku(k)

16、式中，φ(k)為k時刻偏導數值，δku(k)為k時刻中點電壓平衡項的權重因子的誤差；

17、根據無模型自適應控制理論，設定偽偏導數的成本函數，并進行偏導數的求導，獲取偏導數的最優值；

18、根據無模型自適應控制理論，設定中點電壓平衡項的權重因子的成本函數，代入偏導數的最優值后對中點電壓平衡項的權重因子進行求導，獲取中點電壓平衡項的權重因子的最優值。

19、在一種實施方式中，設定的偽偏導數的成本函數為：

20、j(φ(k))＝|uav(k)-uav(k-1)-φ(k)δku(k-1)2+μφ(k)-φ(k-1)2

21、式中，μ>0是偽偏導數的權重因子；

22、求得的偏導數的導數為：

23、

24、令偏導數的導數等于零，求出偏導數的最優值為：

25、

26、式中，φ(k)為k時刻偏導數值，φ(k-1)為k-1時刻偏導數值，δuav(k)為k時刻中點電壓絕對值的平均值的誤差，δku(k-1)為k-1時刻中點電壓平衡項的權重因子的誤差，η為偏導數的調節因子。

27、在一種實施方式中，設定中點電壓平衡項的權重因子的成本函數為：

28、

29、式中，λ>0是中點電壓平衡項的權重因子的權重因子；

30、對中點電壓平衡項的權重因子求導可得：

31、

32、令中點電壓平衡項的權重因子導數等于零，求出中點電壓平衡項的權重因子的最優值為：

33、

34、式中，ρ為中點電壓平衡項的權重因子的調節因子，ku(k)為k時刻的中點電壓平衡項的權重因子，ku(k-1)為k-1時刻的中點電壓平衡項的權重因子，φ(k)為k時刻偏導數值，uav(k)為k時刻中點電壓絕對值的平均值，為k+1時刻中點電壓絕對值的平均值的參考值。

35、第二方面，本發明提供了一種t型三電平儲能變流器模型預測控制方法，所述方法包括：

36、采集k時刻t型三電平儲能變流器的狀態變量；所述狀態變量包括電網電流、網側電壓及電容電壓；

37、建立t型三電平儲能變流器在兩相靜止α-β坐標系中的離散數學模型，并根據拉格朗日外推定理，獲取電網電流在k+1時刻的參考值；

38、采用上述的數據驅動的權重因子設計方法，在線優化中點電壓平衡項的權重因子；

39、基于電壓矢量轉換規則，確定出候選電壓矢量；

40、根據電網電流、中點電壓的預測值及電網電流在k+1時刻的參考值構建成本函數，通過成本函數計算各候選電壓矢量的成本函數值，選擇最小成本函數值對應的電壓矢量作為第k個控制周期的最優電壓矢量；

41、將最優電壓矢量和其作用時間對應的門極驅動信號施加在t型三電平儲能變流器的電力電子半導體器件上。

42、在一種實施方式中，所述t型三電平儲能變流器在兩相靜止α-β坐標系中的離散數學模型為：

43、

44、式中，l、r分別為濾波電感的電感值及其等效電阻，ts為采樣周期；iα(k)，iβ(k)為k時刻α-β坐標系中電網電流采樣值；iα(k+1)，iβ(k+1)為k+1時刻α-β坐標系中電網電流預測值；eα(k)，eβ(k)為k時刻α-β坐標系中電網電壓采樣值；uα(k)，uβ(k)為k時刻α-β坐標系變流器交流側輸出電壓，uo(k)，uo(k+1)分別為k和k+1時刻的直流側中點電壓值；io(k)為k時刻直流側中點電流值；c1，c2分別為直流側上下母線電容的容值；ts為控制系統的控制周期。

45、在一種實施方式中，所述根據拉格朗日外推定理計算出電網電流在k+1時刻的參考值為：

46、

47、式中，分別為α軸電網電流在k+1，k，k-1，k-2時刻的參考值，分別為β軸電網電流在k+1，k，k-1，k-2時刻的參考值。

48、在一種實施方式中，所述電壓矢量轉換規則為：

49、僅選擇與上一時刻最優電壓矢量相鄰，且滿足三電平儲能變流器的相電壓和線電壓的變化不能超過udc/2的電壓變化要求的電壓矢量作為候選電壓矢量，零電壓矢量僅考慮“000”狀態。

50、在一種實施方式中，所述基于電壓矢量轉換規則，確定出候選電壓矢量為：

51、k-1周期最優電壓矢量為：v1，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v4、v5、v6、v7、v8、v9、v10、v11、v12、v13、v14、v15；

52、k-1周期最優電壓矢量為：v2，對應k周期候選電壓矢量為：無；

53、k-1周期最優電壓矢量為：v3，對應k周期候選電壓矢量為：無；

54、k-1周期最優電壓矢量為：v4，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v4、v6、v7、v14、v15、v16、v21、v22；

55、k-1周期最優電壓矢量為：v5，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v5、v6、v14、v16、v21、v22；

56、k-1周期最優電壓矢量為：v6，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v4、v5、v6、v8、v9、v16、v17、v23；

57、k-1周期最優電壓矢量為：v7，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v4、v7、v8、v16、v17、v23；

58、k-1周期最優電壓矢量為：v8，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v6、v7、v8、v10、v11、v17、v18、v24；

59、k-1周期最優電壓矢量為：v9，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v6、v9、v10、v17、v18、v24；

60、k-1周期最優電壓矢量為：v10，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v8、v9、v10、v12、v13、v18、v19、v25；

61、k-1周期最優電壓矢量為：v11，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v8、v11、v12、v18、v19、v25；

62、k-1周期最優電壓矢量為：v12，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v10、v11、v12、v14、v15、v19、v20、v26；

63、k-1周期最優電壓矢量為：v13，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v10、v13、v14、v19、v20、v26；

64、k-1周期最優電壓矢量為：v14，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v4、v5、v12、v13、v14、v20、v21、v27；

65、k-1周期最優電壓矢量為：v15，對應k周期候選電壓矢量為：v1、v4、v12、v15、v20、v21、v27；

66、k-1周期最優電壓矢量為：v16，對應k周期候選電壓矢量為：v4、v5、v6、v7、v16、v22、v23；

67、k-1周期最優電壓矢量為：v17，對應k周期候選電壓矢量為：v6、v7、v8、v9、v17、v23、v24；

68、k-1周期最優電壓矢量為：v18，對應k周期候選電壓矢量為：v8、v9、v10、v11、v18、v24、v25；

69、k-1周期最優電壓矢量為：v19，對應k周期候選電壓矢量為：v10、v11、v12、v13、v19、v25、v26；

70、k-1周期最優電壓矢量為：v20，對應k周期候選電壓矢量為：v12、v13、v14、v15、v20、v26、v27；

71、k-1周期最優電壓矢量為：v21，對應k周期候選電壓矢量為：v4、v5、v14、v15、v21、v22、v27；

72、k-1周期最優電壓矢量為：v22，對應k周期候選電壓矢量為：v4、v5、v16、v21、v22；

73、k-1周期最優電壓矢量為：v23，對應k周期候選電壓矢量為：v6、v7、v16、v17、v23；

74、k-1周期最優電壓矢量為：v24，對應k周期候選電壓矢量為：v8、v9、v17、v18、v24；

75、k-1周期最優電壓矢量為：v25，對應k周期候選電壓矢量為：v10、v11、v18、v19、v25；

76、k-1周期最優電壓矢量為：v26，對應k周期候選電壓矢量為：v12、v13、v19、v20、v26；

77、k-1周期最優電壓矢量為：v27，對應k周期候選電壓矢量為：v13、v14、v20、v21、v27。

78、在一種實施方式中，所述成本函數為：：

79、

80、式中，為k+1時刻α-β坐標系中電網電流參考值，iα(k+1)、iβ(k+1)為k+1時刻α-β坐標系中電網電流預測值，ku(k)為k時刻的權重因子的最優值，uo(k+1)為k+1時刻中點電壓預測值。

81、第三方面，本發明提供了t型三電平儲能變流器模型預測控制裝置，所述裝置包括：

82、采集模塊，用于采集k時刻t型三電平儲能變流器的狀態變量；所述狀態變量包括電網電流、網側電壓及電容電壓；

83、離散數學模型模塊，用建立t型三電平儲能變流器在兩相靜止α-β坐標系中的離散數學模型，并根據拉格朗日外推定理，獲取電網電流在k+1時刻的參考值；

84、權重因子在線優化模塊，采用上述的數據驅動的權重因子設計方法，在線優化中點電壓平衡項的權重因子；

85、候選電壓矢量選擇模塊，用于基于電壓矢量轉換規則，確定出候選電壓矢量；

86、最優電壓矢量選擇模塊，用于根據電網電流、中點電壓的預測值及電網電流在k+1時刻的參考值構建成本函數，通過成本函數計算各候選電壓矢量的成本函數值，選擇最小成本函數值對應的電壓矢量作為第k個控制周期的最優電壓矢量；

87、動作模塊，用于將最優電壓矢量和其作用時間對應的門極驅動信號施加在t型三電平儲能變流器的電力電子半導體器件上。

88、本技術實施例提供的技術方案可以包括以下有益效果：

89、本發明能夠在實現三電平變流器電容電壓平衡和穩定運行的前提下，減小電流紋波和電壓波動。本發明提出的基于數據驅動的權重因子設計方法，可以在線優化權重因子，解決了傳統模型預測控制方法中權重因子調整繁瑣且靈活性低的問題。