一种三电平NPC-DAB变换器数据驱动预测控制方法及系统

本发明涉及数据驱动预测，尤其是涉及一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法及系统。

背景技术：

1、三电平npc-dab变换器因具有较低器件电压应力和较宽电压运行范围，在交直流微电网、储能系统以及电池充放电设备中具有良好的应用前景。然而，该类变换器具有多个调制自由度，系统非线性较强，在输入电压波动、负载突变以及电路参数不确定等复杂工况下，实现输出侧直流滤波电感电流的精确、鲁棒控制仍具有较大挑战。

2、现有针对该类变换器的机理控制方法通常存在较强的参数依赖性。以滑模控制为例，文献《non-linear integral sliding mode control strategy for voltage andcurrent regulation of dual active bridge dc-dc converters》表明，相关控制律的建立通常需要依赖开关函数傅里叶级数展开、状态空间模型以及精确电路参数。在多自由度调制条件下，该类方法容易面临模型推导复杂、控制参数整定繁琐以及模型失配引起高频抖振等问题。另一方面，模型预测控制虽然具有动态响应快和便于处理约束等优点，但其预测过程仍依赖较准确的数学模型。文献《improved model predictive control forthree-phase dual-active-bridge converters with a hybrid modulation》指出，传统模型预测控制通常需要建立包含漏感、采样周期等参数的离散预测模型以实现滚动寻优。当系统参数因温度变化、磁性元件非线性或负载扰动发生偏移时，预测模型与实际对象之间会产生误差，从而影响控制精度。尽管可通过引入观测器或补偿环节改善该问题，但这会增加控制器结构和微处理器计算负担，且难以消除对精确参数模型的依赖。

3、综上，三电平npc-dab变换器受多自由度调制、强非线性以及参数时变特性的共同影响，建立全局精确解析模型较为困难。基于固定机理模型的传统控制方法在参数摄动和复杂工况下容易出现预测误差和控制性能下降，制约了输出侧直流滤波电感电流的快速、准确控制。因此，有必要提出一种适用于三电平npc-dab变换器的动态线性化数据驱动输出预测控制方法，以主相移角作为在线调节变量，并利用实时输入输出数据建立动态线性化预测模型，降低对精确物理参数的依赖，提高输出侧直流滤波电感电流控制的适应性和鲁棒性。

技术实现思路

1、为了解决现有三电平npc-dab变换器输出侧直流滤波电感电流控制方法对精确电路参数模型依赖较强、在参数变化和工况扰动条件下预测精度下降的问题，本发明提供一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法及系统。

2、第一方面，本发明提供的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，采用如下的技术方案：

3、获取输出侧直流滤波电感电流数据和主相移角；

4、基于获取的数据进行同步、量化处理与异常样本隔离；

5、基于处理后的样本数据构建输入输出增量数据向量；

6、基于增量数据向量建立动态线性化输入输出增量模型，同时在线更新模型的伪偏导参数向量；

7、基于更新后的伪偏导参数向量确定候选主相移角中心；

8、基于候选主相移角中心生成优先候选集合；

9、基于优先候选集合及更新后的伪偏导参数向量生成最优主相移角；

10、基于最优主相移角生成最终调制信号。

11、第二方面，一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制系统，包括：

12、数据获取模块，被配置为，获取输出侧直流滤波电感电流数据和主相移角；

13、预处理模块，被配置为，基于获取的数据进行同步、量化处理与异常样本隔离；

14、增量模块，被配置为，基于处理后的样本数据构建输入输出增量数据向量；

15、伪偏导模块，被配置为，基于增量数据向量建立动态线性化输入输出增量模型，同时在线更新模型的伪偏导参数向量；

16、候选模块，被配置为，基于更新后的伪偏导参数向量确定候选主相移角中心；

17、优先模块，被配置为，基于候选主相移角中心生成优先候选集合；

18、最优模块，被配置为，基于优先候选集合及更新后的伪偏导参数向量生成最优主相移角；

19、调制模块，被配置为，基于最优主相移角生成最终调制信号。

20、第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法。

21、第四方面，本发明提供一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法。

22、综上所述，本发明具有如下的有益技术效果：

23、第一，本发明利用动态线性化数据模型描述输出侧直流滤波电感电流与主相移角之间的局部输入输出关系，无需建立依赖精确漏感、电阻、电容、器件压降和负载参数的解析预测模型，降低了控制器对精确物理参数的依赖。

24、第二，本发明通过实时采样数据在线更新伪偏导参数，使预测模型能够随输入电压、负载状态、电路参数和运行工况变化进行自适应修正，从而减小固定参数模型失配对输出侧直流滤波电感电流控制性能的影响。

25、第三，本发明以无差拍反解值作为有限候选集合的搜索中心，在主相移角幅值和变化率约束下逐候选预测并计算代价函数值，进而选择最优主相移角，并结合伪偏导参数更新保护、异常样本隔离及安全回退，提高输出侧直流滤波电感电流的动态跟踪能力和数字实现稳定性。

1.一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于获取的数据进行同步、量化处理与异常样本隔离，包括设置控制周期  为100，第  个控制周期内在相对于载波固定的  个时刻采样，其中 =3，采样时刻为： 其中，为控制计时起点，为第个采样点相对于控制周期起点的固定偏移量，各设置在远离门极跳变和死区切换的位置；三个采样值用于形成一个周期级输出侧直流滤波电感电流样本；然后设模数转换器位数为，电流测量下、上限分别为  和 ，则电流量化步长为： ，并对原始采样值 先执行量程饱和，再按照最近量化级取整，得到：

3.根据权利要求2所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于处理后的样本数据构建输入输出增量数据向量，包括为避免缓存断点或无效样本造成的非连续差分干扰，仅使用同一连续有效数据段内的相邻周期样本，分别计算输出侧直流滤波电感电流增量和实际施加的主相移角增量，表示为：，其中，反映相邻有效控制周期输出侧直流滤波电感电流的变化量，反映相邻有效控制周期实际施加主相移角的变化量，表示第周期实际写入并经调制寄存器确认的主相移角；候选角使用表示；为在有限长度历史窗口中同时表征输出侧直流滤波电感电流惯性和主相移角的多周期影响，取输出历史阶数 =1、主相移角历史阶数 =3，将相应增量按照由新到旧的顺序组合，得到输入输出增量历史向量： ，其中的维数为4×1，模型在线更新使用已经实际发生的和实测；候选预测阶段只将当前主相移角增量通道替换为，其余历史分量保持不变；进而在模型更新阶段仅使用已发生的数据，在候选预测阶段仅改变当前待选控制量，以保持历史数据来源的一致性；所述候选输入输出增量历史向量按照以下步骤计算：，其中，为第个候选主相移角相对于上一周期实际主相移角的增量，为选取当前主相移角增量通道的单位选择向量，为供第个候选预测使用的输入输出增量历史向量；然后对历史向量执行完整性与激励检查，若连续有效样本数不足、缓存跨越断点或输入输出增量历史向量的二范数小于激励阈值，则冻结伪偏导参数更新；仍可在安全回退角附近执行有限候选预测；所述完整性检查用于避免跨越无效样本段更新模型，所述激励检查用于避免在输入输出增量过小时产生不稳定参数更新；所述完整性与激励检查按照以下步骤计算：

4.根据权利要求3所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于增量数据向量建立动态线性化输入输出增量模型，包括根据历史输入和输出信息的使用范围，将动态线性化数据模型划分为紧格式、偏格式和全格式，紧格式仅保留当前主相移角增量，表示为： ；偏格式使用当前及多个历史主相移角增量，表示为： ；全格式同时保留输出增量和主相移角增量：，然后建立全格式动态线性化输入输出增量模型，表示为：，其中，为下一控制周期输出侧直流滤波电感电流增量预测值，为4×1的伪偏导参数向量， 进而得到下一控制周期输出侧直流滤波电感电流的一步预测值：，并将增量模型转换为能够直接与输出侧直流滤波电感电流参考值比较的绝对量预测模型；为使所述伪偏导参数能够依据实时输入输出数据进行在线辨识，将伪偏导参数映射为adaline在线估计器权值，表示为： ，式中，表示由第-1周期伪偏导参数和历史向量得到的第周期输出侧直流滤波电感电流增量估计值；为获得用于权值更新的监督误差，将本周期实测输出侧直流滤波电感电流增量与上一周期模型估计值作差，表示为： 其中，表示本周期实测输出侧直流滤波电感电流增量与上一周期数据模型预测值之间的偏差，作为adaline在线更新的监督信号；从adaline结构看，输入层各节点分别接收的一个分量，网络权值即伪偏导参数分量，线性激活函数输出为：其中，l为输入节点序号，为第l个伪偏导参数分量，为输入输出增量历史向量的第l个分量，为自适应线性神经元的线性激活输出；为量化监督误差并获得伪偏导参数的梯度下降方向，以本周期实测增量为监督信号，定义瞬时平方误差目标函数：，其中为adaline权值更新的瞬时平方误差目标函数；采用二分之一系数使其对伪偏导参数求导后不再出现常数2，表示为： 。

5.根据权利要求4所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述在线更新模型的伪偏导参数向量，包括：为兼顾模型参数在动态阶段的更新速度和稳态阶段的波动抑制，根据估计误差确定自适应学习因子，并按照先计算自适应学习因子、再计算伪偏导参数候选更新量的顺序执行参数更新，所述自适应学习因子表示为：，其中，>0用于确定学习因子的幅值，用于确定学习因子随误差变化的曲线形状；表示将计算值限制在[,]内，且0≤<<2；然后按照归一化最小均方规则计算候选更新量，表示为：，其中，为防止分母为零的小正数；令为历史缓存完整性标志；当缓存已包含构造所需的全部连续有效样本时取1，否则取0，表示为： ，其中为更新使能标志，为传感器量程、模数转换结果及控制指令一致性检查得到的样本有效标志，为历史缓存完整性标志；伪偏导参数范数投影算子进而表示为： ，其中表示投影到半径为的闭球；最后对第个伪偏导参数分量，并采用单步变化限幅：，各分量组成限幅后向量；进而对伪偏导参数候选值执行激励保护、单步突变限幅和整体有界投影， 然后确定在线更新顺序与数值一致性，每个连续有效控制周期中，先用上一周期伪偏导参数和历史向量计算，再由实测值形成及，随后依次计算、原始更新量、分量限幅结果和最终投影结果，由此保证本周期监督误差仅由上一周期已经实际采用的数据模型生成，并使更新后的同一伪偏导参数向量供本周期全部候选预测使用；所述伪偏导参数更新的各中间量按照以下顺序计算：

6.根据权利要求5所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于更新后的伪偏导参数向量确定候选主相移角中心，包括将伪偏导参数向量按输出历史通道和主相移角历史通道展开，表示为： ，其中，对应当前待确定的主相移角增量，并利用当前实测输出侧直流滤波电感电流和已经发生的历史增量，构造不含当前待确定主相移角增量的基准预测项： ，其中，为第个输出侧直流滤波电感电流增量通道参数，为第个主相移角增量通道参数，和分别为输出历史与主相移角历史的求和索引；当=1时，所述基准预测项中关于既往主相移角增量的第二求和项为空并按零处理；当上层输出侧直流滤波电感电流参考值存在阶跃且需要限制单周期控制量变化时，先生成用于预测的平滑参考值： 其中，为平滑后的下一控制周期输出侧直流滤波电感电流参考值，为上层给定参考值，为参考值平滑系数，且，令=，并将其作为候选中心求解和候选代价计算的统一参考输入，取小分母阈值=0.2=0.01；当≥时，反解得到无差拍参考主相移角增量： ；为防止无差拍反解产生超过变换器允许变化率的主相移角跳变，对执行[-,]限幅，以满足主相移角变化率约束，表示为： 其中，为有限候选主相移角集合的中心；最后对候选中心执行连续性处理与安全回退，利用控制器依次执行参考值预处理、分母有效性检查、变化率限幅和角度边界限幅；任一检查失败时回退至上一周期实际施加的；所述候选中心的求取使用权利要求5得到的本周期有效伪偏导参数向量，且失败回退值不直接替代实际主相移角，只有经调制寄存器确认后才写入历史缓存。

7.根据权利要求6所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于候选主相移角中心生成优先候选集合，包括为在有限计算量下覆盖候选中心邻域并同时满足主相移角幅值约束和变化率约束，在可行主相移角域内生成有限候选集合，其中以为中心，按照固定步长向两侧对称展开个候选值，取=5、=0.01，并同时施加角度幅值约束和变化率约束： 其中，=[,]∩[−,+]为本周期允许的主相移角集合；对限幅后重复的候选值仅保留一个，得到去重后的候选集合；然后将本周期可行主相移角域写为幅值允许区间与变化率允许区间的交集，表示为： 其中，和分别为主相移角幅值下限和上限，为单周期主相移角最大变化量，为本控制周期的主相移角可行域；同时若需满足功率方向、调制脉宽或软开关区间约束，将对应允许区间继续与求交；表示为： ，其中表示删除限幅后重复的候选值，实际参与代价计算的候选数量记为≤，进而执行候选覆盖、边界保持与去重，候选值以为中心对称展开后，先与求交，再删除因限幅而重合的元素，并同步建立原候选序号到有效候选序号的映射，以保证仅对互不重复且满足所述可行域约束的候选执行预测和代价计算；最后根据输出侧直流滤波电感电流误差带自适应调整候选分辨率，误差绝对值大于外层阈值时，增大或增加以扩大覆盖范围；误差进入稳态带时，减小以提高角度分辨率，所述外层阈值和稳态带阈值分别记为和，且，候选数量和步长在预设范围内分级调整；候选数量取奇数以包含候选中心，并满足。

8.根据权利要求7所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于优先候选集合及更新后的伪偏导参数向量生成最优主相移角，包括为在同一模型参数下比较各候选主相移角对下一控制周期输出侧直流滤波电感电流的影响，对候选集合中的第个主相移角，计算相对于上一周期实际主相移角的候选增量=−，并构造候选历史向量： 其中，为第个候选输入输出增量历史向量，为有效候选索引；该向量仅以候选主相移角增量替换当前主相移角增量分量，其余历史分量均由已经实际发生的数据构成；然后利用同一时刻更新后的伪偏导参数向量预测第个候选主相移角对应的下一控制周期输出侧直流滤波电感电流，具体为将候选输入输出增量历史向量与本周期更新后的伪偏导参数向量作内积，并与当前实测输出侧直流滤波电感电流相加，表示为：，其中，表示第个候选主相移角对应的下一周期输出侧直流滤波电感电流预测值；为消除输出侧直流滤波电感电流误差和主相移角变化量的量纲及数量级差异，使两者能够共同构成候选代价函数，使用电流基值=和主相移角基值=/2对输出侧直流滤波电感电流误差及角度增量进行归一化，所述归一化误差表示为： ，其中和分别为电流基值和主相移角基值；为在兼顾输出侧直流滤波电感电流跟踪误差和主相移角变化幅度的条件下确定唯一控制量，在线候选选择统一采用主代价函数，先对每个有效候选值计算统一代价函数： ，其中，为主相移角变化惩罚系数， 为约束罚项，满足全部硬约束的候选取=0，不满足硬约束的候选直接从有效候选集合中排除；通过遍历全部有效候选值，选择代价函数值最小者作为本周期最优主相移角： 其中，表示在第个控制周期内使代价函数取得最小值的有效候选索引，表示满足幅值、变化率和禁用状态约束的有效候选索引集合。

9.根据权利要求8所述的一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制方法，其特征在于，所述基于优先候选集合及更新后的伪偏导参数向量生成最优主相移角，还包括对于各候选，历史向量中的输出增量和已发生输入增量均保持不变，仅替换当前主相移角增量分量，预先计算所有候选共享的历史项贡献，再针对每个候选补加，从而在不改变前述候选输出侧直流滤波电感电流预测结果的条件下减少重复乘法累加，候选预测使用同一时刻的，确保不同候选之间具有可比较性；当采样、计算和调制寄存器刷新导致第周期算出的主相移角只能在第+1周期施加时，采用两步预测补偿，首先利用当前已经施加的预测+1时刻电流：，式中，由当前已经实际施加的及截至时刻的实测输出侧直流滤波电感电流增量构成；对拟在第+1周期施加的第个候选主相移角，构造包含预测输出侧直流滤波电感电流增量的未来历史向量：

10.一种三电平npc-dab变换器数据驱动预测控制系统，用于执行权利要求1所述的三电平npc-dab变换器动态线性化数据驱动输出预测控制方法，其特征在于，包括：