一种模型预测脉冲模式优化方法及系统与流程

本发明涉及电力电子变流器控制，具体而言，涉及一种模型预测脉冲模式优化方法及系统。

背景技术：

1、在大功率飞轮储能、海上风电及全电推进船舶等应用场景中，受功率半导体器件开关损耗与散热条件的限制，逆变器被迫运行于极低载波比工况，导致系统稳态谐波抑制与动态响应速度之间存在固有矛盾。现有离线优化脉冲模式虽具备优良的稳态谐波性能，但本质为开环控制，动态响应迟缓；标准模型预测脉冲模式控制依赖解析梯度进行在线修正，其对电机参数精度要求高且高维搜索计算量难以预知；有限控制集模型预测控制则存在开关频率不固定、稳态电流畸变严重的问题。因此，亟需一种能够兼顾稳态谐波品质、动态响应速度与计算实时性的在线脉冲优化控制方案。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供一种模型预测脉冲模式优化方法。

2、本发明不以离线优化脉冲模式（opp）与模型预测控制的简单组合、黄金分割比例或开关角次序约束本身作为创造性基础，而是针对现有技术中标准模型预测脉冲模式控制（mp3c）所存在的三个相互关联的问题提供系统性解决方案：其一，在不显式求解析梯度的条件下可靠获得开关角下降方向，降低方向判别对电机参数失配的敏感性；其二，在多个开关角相互耦合时，将高维搜索压缩为可控规模的联合活动子空间，使最坏计算量可预知；其三，在固定评价预算内同时执行可行性剪枝和代价下界剪枝，使动态修正不改变原脉冲拓扑和受控开关频率。本发明相对于现有技术的改进在于：通过可行试探扰动直接比较候选代价来获得下降方向和灵敏度，而非依赖解析雅可比矩阵；通过灵敏度活动集构造多开关角联合可行域，实现高维问题的低维压缩；通过分区下界和固定预算剪枝在保持原脉冲拓扑的前提下求解联合修正量。

3、所述方法包括：

4、s1：控制单元建立交流电机的定子电流多步预测模型，并以当前实测电流对标称候选轨迹和扰动候选轨迹进行同源初始化或残差校正；

5、s2：所述控制单元计算当前工况的调制指数，从离线优化脉冲模式查找表中提取标称开关角向量，并根据转子磁链角度和负载角确定预测时域内的定子电压矢量序列；

6、s3：所述控制单元构建包含电流跟踪精度项和开关角偏差惩罚项的综合代价函数，计算所述标称开关角向量对应的标称代价；

7、s4：所述控制单元在满足开关角次序和最小脉宽约束的可行域内，对各标称开关角分别施加正方向可行试探扰动、负方向可行试探扰动或单侧可行试探扰动，分别计算各标称开关角施加正方向可行试探扰动后的正向代价差和施加负方向可行试探扰动后的负向代价差；依据所述正向代价差与所述负向代价差中的较小值确定下降方向，并将所述较小值的相反数与扰动幅值之比的正值部分作为代价下降灵敏度；仅当所述较小值小于方向死区阈值的相反数时，判定对应开关角存在有效下降方向，并将该开关角作为候选活动角；将各候选活动角按代价下降灵敏度从高到低排序，选取排序靠前且数量不超过预设活动集最大尺寸的开关角构成活动集；未被选入活动集的开关角在当前控制周期保持不变；

8、s5：所述控制单元针对所述活动集构造多开关角联合可行域，将所述联合可行域分区为多个搜索节点，对搜索节点执行可行性剪枝和下界剪枝，在固定代价评价预算内求得活动开关角的联合修正量；其中，所述可行性剪枝包括删除与所述联合可行域无交集的搜索节点；所述下界剪枝包括：确定搜索节点的节点代价下界，当所述节点代价下界不优于当前最优代价与剪枝容差之差时，删除该搜索节点，所述节点代价下界基于保守方向斜率上界和该搜索节点在活动维度上的宽度确定；

9、s6：所述控制单元将所述联合修正量叠加至所述标称开关角向量，输出满足相邻开关角最小间距约束的实际开关角序列，生成逆变器开关触发信号。

10、进一步地，步骤s1中所述多步预测模型基于异步电机的欧拉离散数学模型建立，其在α-β坐标系下的递推预测中，定子电流的下一时刻预测值由当前时刻定子电流、当前时刻转子磁链和当前时刻定子电压经系数矩阵线性组合得到，转子磁链的下一时刻预测值由当前时刻转子磁链和当前时刻定子电流经系数矩阵线性组合得到；所述系数矩阵由定子电阻、转子电阻、定子自感、转子自感、定转子互感、转子角速度和离散采样周期共同决定。

11、进一步地，步骤s2中所述调制指数由直流母线电压、转子角速度以及外环控制器给定的定子磁链参考幅值实时计算得到，所述控制单元根据所述调制指数和预设脉冲数寻址所述离线优化脉冲模式查找表以提取所述标称开关角向量。

12、进一步地，步骤s2中确定定子电压矢量空间角度时，所述控制单元根据转子磁链空间观测角度与定转子负载角之和，再叠加两个正交相位补偿项；第一正交相位补偿项基于法拉第电磁感应定律用于补偿定子电压空间矢量超前于定子磁链矢量的正交相位，第二正交相位补偿项用于补偿合成电压矢量的空间角度与离线优化脉冲模式脉冲序列定义相位之间的偏差。

13、进一步地，步骤s3中所述综合代价函数包括预测时域内各步的定子α轴预测电流与α轴参考电流之差的平方累加值、定子β轴预测电流与β轴参考电流之差的平方累加值，以及开关角偏差量的平方值与惩罚权重系数的乘积项；所述惩罚权重系数用于限制瞬态开关频率的跳变。

14、进一步地，步骤s3中所述残差校正具体为：所述控制单元计算上一控制周期的一步预测残差，对所述标称候选轨迹和所有扰动候选轨迹施加相同的残差校正项以更新预测电流，使各候选预测中的共同初值偏差受到同源校正。

15、进一步地，步骤s4中，所述控制单元根据各标称开关角与相邻开关角的间隔以及最小脉宽保护量，确定各标称开关角的可行正扰动幅值和可行负扰动幅值，并将所述可行正扰动幅值和可行负扰动幅值限制在预设扰动上限以下；当仅一个方向可行时，生成单侧试探扰动候选；当两个方向均可行时，生成正方向试探扰动候选和负方向试探扰动候选。

16、进一步地，所述方向死区阈值不小于候选代价差分误差上界，使所述标称候选与扰动候选的代价估计中的共模偏差在所述正向代价差和所述负向代价差的计算中被差分抵消；仅在真实代价下降量超过所述候选代价差分误差上界后，所述控制单元才更新开关角。

17、进一步地，步骤s5中所述联合可行域同时满足方向约束、单角修正幅值约束、相邻开关角间距不小于最小脉宽保护量的耦合约束以及零至二分之  范围内的端点约束；非活动开关角的修正量为零；

18、所述下界剪枝中，所述控制单元将搜索节点的几何中心投影至所述联合可行域内得到可行代表点，计算该可行代表点的候选代价，若该候选代价优于当前最优代价，则更新当前最优代价和当前最优联合修正量；所述节点代价下界等于所述可行代表点的候选代价减去各活动维度上的保守方向斜率上界与该搜索节点在对应维度上宽度一半的乘积之和；

19、所述控制单元按灵敏度与节点宽度的乘积选择分裂维度，以预设比例分裂节点；

20、当最大节点宽度低于角度阈值、连续两轮最优代价改善小于代价阈值或累计代价评价次数达到预设上限中的任一条件满足时，所述控制单元终止搜索并输出当前最优联合修正量。

21、本发明还提供一种模型预测脉冲模式优化系统，包括：

22、数据采集模块，用于实时采集交流电机的三相电流、转子角速度和直流母线电压，并将采集到的数据输出至滚动预测与代价计算模块；

23、参考值计算模块，用于根据外环控制器的输出计算定子电流参考值及定子磁链参考幅值，并将计算结果分别输出至所述滚动预测与代价计算模块和最优脉冲模式寻址模块；

24、所述最优脉冲模式寻址模块，用于存储离线预计算的最优脉冲模式数据，根据实时调制指数与脉冲数提取标称开关角向量，并将所述标称开关角向量输出至扰动代价趋势辨识模块和脉冲序列重构模块；

25、电压矢量相角补偿模块，用于结合转子磁链角度、负载角及正交相位补偿推算定子电压矢量空间角度，确定三相电压矢量序列，并将所述三相电压矢量序列输出至所述滚动预测与代价计算模块；

26、所述滚动预测与代价计算模块，用于基于离散状态方程在预测时域内执行多步递推预测，计算包含电流跟踪精度项和开关角偏差惩罚项的综合代价函数，并将标称代价和扰动候选代价输出至所述扰动代价趋势辨识模块；

27、所述扰动代价趋势辨识模块，用于在可行域内对各标称开关角施加正方向、负方向或单侧可行扰动，比较扰动候选与标称候选的代价差，输出下降方向、灵敏度及活动开关角集合至多开关角联合有界剪枝模块；其中，所述扰动代价趋势辨识模块仅将存在有效下降方向且代价下降灵敏度大于零的开关角作为候选活动角，将候选活动角按代价下降灵敏度从高到低排序，选取排序靠前且数量不超过预设活动集最大尺寸的开关角构成所述活动开关角集合；

28、所述多开关角联合有界剪枝模块，用于构造包含方向约束、幅值约束、相邻角间距约束和端点约束的活动角联合可行域，执行节点分裂、可行性剪枝、代价下界剪枝和固定预算终止，输出联合修正量至所述脉冲序列重构模块；

29、所述脉冲序列重构模块，用于将所述联合修正量叠加至所述标称开关角向量，生成保持原脉冲数量和拓扑的修正脉冲模式，并输出逆变器开关触发信号。

30、本发明还提供一种电子控制装置，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，实现如上述的模型预测脉冲模式优化方法。

31、本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的模型预测脉冲模式优化方法。

32、基于以上内容，本发明相对于离线优化脉冲模式、标准解析梯度型模型预测脉冲模式控制以及有限控制集模型预测控制，具有以下技术效果。

33、第一，本发明通过正负可行试探扰动的代价差直接判定下降方向，无需显式推导代价函数关于开关角的解析雅可比矩阵或状态灵敏度递推。标称候选与扰动候选的代价估计中的共模偏差在正向代价差和负向代价差的计算中被差分抵消，方向死区阈值的设置进一步屏蔽了差分误差可能引起的方向翻转。该机制使方向判别对定转子电阻温升漂移、互感变化、死区效应和采样延时等未建模非理想因素的敏感性大幅降低，在模型参数存在偏差时仍能可靠获得代价函数的真实下降方向。在同等约250赫兹开关频率的对比条件下，本发明将有限控制集模型预测控制的定子电流总谐波畸变率由百分之九点三六降低至百分之四点五二，相对降低约百分之五十一点七，转矩脉动峰峰值由百分之十二降至百分之十以内。

34、第二，本发明通过灵敏度排序仅激活不超过预设活动集最大尺寸的关键开关角构成活动集，将高维联合优化问题压缩为低维活动子空间搜索。在联合可行域内，通过可行性剪枝删除与联合可行域无交集的节点，通过代价下界剪枝删除不可能优于当前最优解的节点区域，在固定评价预算内求得最优联合修正量。在多脉冲实施例中在线联合优化维度由五降为二，节点数量由预设节点上限限制，代价评价次数由预设评价预算上限封顶，使最坏计算量明确可预知，满足嵌入式控制周期的实时性要求。

35、第三，本发明的联合可行域同时满足方向约束、单角修正幅值约束、相邻开关角间距不小于最小脉宽保护量的耦合约束以及端点约束，输出解仅移动原有脉冲边沿而不新增、删除或交叉脉冲，保持原优化脉冲模式的脉冲数量和开关拓扑，等效开关频率严格锁定在预设值附近。在零至额定负载转矩阶跃响应测试中，本发明将响应时间由有限控制集模型预测控制的约十毫秒缩短至约五毫秒，实现了稳态谐波抑制、动态响应速度与实时计算可靠性的统一，适用于飞轮储能系统、海上风力发电系统及全电推进船舶系统等大功率低载波比应用场景。