永磁同步电机动态模型预测控制设计

为了提升传统模型预测控制(MPC)电压矢量的利用率、减少计算量、降低时间消耗,提出了动态MPC策略。动态MCP由简化MPC和传统MPC分时使用组成。简化MPC备选电压矢量少、计算量小。但当系统处于动态变化状态时,较少的备选电压矢量使得转速超调量高、跟踪速度慢。在此基础上,采用I_(d)=0的控制方法,并以d轴电流偏差为参考,提出了简化电流变化的动态切换控制策略。当电流偏差在电流变化系数范围内时,使用简化MPC,并只提供3个备选电压矢量;在范围外时,使用传统MPC,并使用全部7个电压矢量。试验结果表明,动态MPC策略保留了两者的优点,既有较好的动态响应,又缩短了计算周期。该设计可有效应用于低成本、算力不强的电机应用场景。

智能汽车轨迹跟踪多目标显式模型预测控制

针对现有智能汽车轨迹跟踪控制算法难以同时保证跟踪精确性、横向稳定性、舒适性以及控制实时性的问题,提出了一种基于多目标优化和显式模型预测控制理论的轨迹跟踪控制策略(MO-EMPC)。首先,建立考虑跟踪精确性、横向稳定性、舒适性的多目标函数及约束。然后,针对传统MPC控制实时性低的问题,设计基于EMPC的多目标优化轨迹跟踪控制器,通过引入多参数二次规划(MPQP)理论,将反复在线优化求解过程转化为等价的分段仿射系统(PPWA),离线计算得到最优显式控制律以供实时控制调用,减少在线运算时间。最后,基于CarSim/Simlink联合仿真方法,将所设计控制器的轨迹跟踪多目标优化效果与MPC控制效果进行对比验证。研究结果表明,所提出的轨迹跟踪策略在保证良好的跟踪精度前提下,横向稳定性、舒适性方面的表现更优于MPC控制器,且算法在线运行速度提高56.63%。

电动汽车行驶稳定性模型预测控制仿真研究

为了提高电动汽车行驶的稳定性,提出了一种集成的汽车和车轮稳定性控制系统,并对汽车行驶的稳定性控制效果进行仿真。创建电动汽车模型简图,给出电动汽车动力学方程式。采用模型预测控制技术,设计了一种集成的汽车和车轮稳定性控制器。采用MATLAB软件对电动汽车横摆角速度、行驶速度和侧滑角进行仿真,与无模型预测控制器输出结果进行对比。结果显示:采用无模型预测控制器,电动汽车横摆角速度、行驶速度跟踪误差较大,振动幅度较大,产生的侧滑角较大。采用模型预测控制器,电动汽车横摆角速度、行驶速度跟踪误差较小,振动幅度较小,产生的侧滑角较小。采用模型预测控制器,能够提高电动汽车行驶的稳定性,避免汽车在突然转弯时发生侧翻现象。

基于优化赋权模型预测控制的风储协调策略研究

风储系统多目标之间存在难以协调控制的问题,权重系数的选择对多目标控制效果具有显著影响。首先,构建以储能充放平衡、并网波动最小和储能输出最小的风储系统多目标函数,考虑各子目标权重系数对风储系统的影响,提出一种改进鲸鱼算法(IWOA)优化模型预测控制(MPC)的风储协调运行方法,采用组合隶属度函数进行满意度评价,得到混合储能最优总控制量和权重系数。然后,采用集合经验模式分解(ICEEMDAN)算法对混合储能总控制量进行分解,利用Pearson相关系数对分解分量进行重构,实现混合储能功率的分配。最后,以新疆某风电场数据进行仿真,验证所提优化模型的有效性和功率分配策略的合理性。

新能源汽车整流器的抗扰模型预测控制策略研究

针对新能源汽车充电(G2V)三相整流器为研究对象,研究基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的充电控制策略。传统的MPC算法需要准确的系统模型参数,而当控制器中使用的模型参数与主电路实际参数不匹配时,控制性能可能发生恶化,影响整流器充电控制性能。针对此问题,该文将系统参数不匹配作为扩张状态观测器(extended state observer,ESO)扩张出来的扰动项而进行估计,并将扰动进行补偿,从而设计一种基于ESO的MPC充电控制策略。该方法仅使用了系统的输入和输出数据,而不需要精确的系统模型,因此即使模型参数不匹配时,ESO也能够将不匹配项作为扰动而对预测电流进行准确估计,从而提高MPC对参数变化及不匹配的鲁棒性。仿真与实验结果验证了该方法的可行性和有效性。

基于模型预测控制的静液压变速器转速控制研究

为提高静液压变速器(HST)控制系统的自适应性和鲁棒性,结合模型预测控制(MPC)与粒子群优化(PSO)算法对HST转速控制性能进行仿真和实验研究.首先,基于状态扩展空间方程建立HST的预测模型,引入PSO确定MPC的最佳超参数,获得综合性能指标最佳的模型预测控制器模型.然后,对HST进行阶跃响应与加减速控制仿真,同时搭建静液压传动实验平台对模型预测控制HST的可行性进行验证.结果表明:在阶跃响应和期望转速突变条件下,模型预测控制HST的输出转速均在较短时间内稳定在期望转速附近,且超调量最大不超过5%,具有较好的静态特性.期望转速突变时,MPC亦能快速准确地调控变量泵的排量,使马达转速迅速达到新的稳定状态,且调控过程的转速波动较小.所得实验结果与仿真结果一致,表明MPC在HST转速控制方面具有可行性.最后,针对更为复杂的工况(变化的输入功率、多变的期望转速以及突变的外部负载),采用仿真手段研究了MPC对HST的转速控制性能.结果表明:在复杂工况下,MPC亦能使HST具有较好的静动态特性,其转速波动得到有效降低,马达输出转速能稳定在期望值附近.

基于紧约束鲁棒模型预测控制的无人车辆轨迹跟踪控制

针对无人驾驶车辆的轨迹跟踪问题,基于车辆非线性动力学模型,设计了一种紧约束鲁棒模型预测控制(MPC)方法。首先,利用魔术公式轮胎模型,结合车辆3自由度系统,构建了具有有界干扰的车辆线性离散误差模型;其次,采用紧约束控制策略设计系统的鲁棒优化问题;最后,通过在线优化得到最优控制序列,并离线构造之后多个时刻满足约束条件的可行控制序列。仿真结果表明,所提算法能够使车辆稳定快速跟踪上参考轨迹并有效提高系统计算资源利用率。

基于参数自适应随机模型预测控制的风光氢耦合系统功率调控策略

针对风光氢耦合系统源荷两侧不确定性对其系统功率平衡造成的影响,提出了一种基于场景分析法的参数自适应随机模型预测控制功率调控策略。根据风光氢耦合系统的能源供给架构建立了描述其动态特性的线性离散状态空间模型;通过场景分析法对系统不确定性进行描述,作为参数自适应随机模型预测控制的输入;在设计的参数自适应随机模型预测控制优化框架下,计及延长系统设备生命周期的目标进行优化。针对随机模型预测控制在优化过程中预测时域和控制时域固定不变的缺陷,提出参数自适应方法以获取更好的优化效果。结果表明:在优化系统功率平衡方面,所提控制策略相较于随机模型预测控制提高了6.25百分点;在减少可控设备大功率运行方面,所提策略相较于常规模型预测控制降低了60%,验证了所提策略能够有效解决风光氢耦合系统源荷两侧的不确定性。

基于模型预测控制的高频隔离型混合配电变压器

配电台区新型源/荷占比逐年提升,使得高/低电压、谐波放大、三相不平衡等配电终端电能质量问题凸显。提出一种基于模型预测控制的高频隔离型混合配电变压器,具备电能质量综合治理、交/直流混合配电等功能,可以满足配电终端用户高品质供用电以及新型源/荷友好接入需求。介绍了高频隔离型混合配电变压器的拓扑结构并推导了数学模型。结合拓扑结构特点,设计了连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)策略和延时模型预测控制策略,CCS-MPC通过计算最优化占空比,实现前端变换器输出具有固定的开关频率和开关序列,减小寻优计算量。利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建了一套10 kV/0.4 kV电压等级的高频隔离型混合配电变压器系统,验证了所提拓扑结构电能质量综合治理能力的有效性。

计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制策略

为提高波浪发电系统(wave energy converter,WEC)能量捕获效率,并保证其在运行过程中满足系统的各种约束条件,该文以平均捕获功率最优为目标,提出计及弱磁效应的直驱式波浪发电系统变系数模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。针对波浪激励力过大导致的变流器输出电压过调制问题,将弱磁控制引入优化算法,在满足发电机弱磁极限的前提下增大发电系统的运行范围,提高WEC的能量捕获效率。此外,基于仿真分析,发现了规则波下MPC目标函数的正则系数与平均捕获功率的对应关系。在此基础上,引入快速傅里叶变换(fast Fourier transformation,FFT)与叠加定理,构建了适用于不规则波输入的直驱式WEC变系数MPC控制策略。仿真结果表明,在不规则波浪下,所提方案能在满足系统约束条件的同时,有效提高能量捕获效率。

DAB储能变换器双闭环模型预测控制与PI补偿控制策略研究

针对直流微电网中分布式电源输入输出功率不稳定造成的直流母线电压波动问题,鉴于双有源桥(DAB)储能变换器具有能量双向流动的特点,提出一种基于内模原理的双闭环模型预测控制策略。在分析DAB变换器扩展移相调制原理与特性基础上,重点研究电压外环和电流内环的模型预测控制策略。针对模型预测控制性能依赖电路参数准确度问题,分别从电路主要参数失配对功率传输和直流母线稳压的影响两个角度出发,深入分析模型参数敏感度。最终设置直流母线电压稳态误差灵敏度区,在误差灵敏度区外仅采用双闭环模型预测控制以保证系统的动态响应性能,在误差灵敏度区内采用双闭环模型预测控制和PI补偿控制以消除系统稳态误差。搭建实验平台进行实验验证,结果表明:在系统受到扰动时,DAB储能变换器可实现快速地充放电对系统进行补偿,混合控制策略可快速保持母线电压的稳定,实现系统功率均衡,增强系统抗扰能力。

基于模型预测控制的电-气互联系统动态优化调度研究

在当前电气、天然气与人们生活密不可分的背景下,电—气互联综合能源系统(IPGES)的调度运行研究具有极其重要的价值和意义。目前电—气互联系统的运行策略大多基于日前概况设计,而负荷预测误差往往导致次优日前调度运行。针对这种情况,模型预测控制因为其实时性和鲁棒性的优点,在处理不确定性问题方面表现出卓越效果。本研究在长时间尺度上对日前调度进行了优化,并基于模型预测控制方法进行了实时在线优化调度。在日内调度中,采用卡尔曼滤波对负荷进行短期预测,并根据最新预测信息建立滚动优化和实时反馈校正模型以进行多时间尺度的调度。最后通过案例分析验证了该方法在动态优化调度电力系统和天然气系统组成的电—气互联系统中具有更好经济性和供需匹配性,并能有效应对负荷波动。

应用混合逻辑动态模型预测控制器的磁轴承三电平调制策略

传统磁轴承三电平调制策略在数字控制系统中存在控制延迟问题,影响电流纹波抑制效果。针对上述问题,提出一种基于混合逻辑动态模型预测控制器的磁轴承三电平调制策略。基于混杂系统理论,建立混合逻辑动态模型,统一表征出驱动电路充电、放电和续流工作模态,实现三电平调制;结合模型预测控制理论,将所建立的混合逻辑动态模型作为预测模型,预测磁轴承的控制电流,实现对控制延迟的补偿,并将预测控制电流送入到代价函数中,得出驱动电路的最优控制信号;基于所提调制策略构建了磁轴承控制系统,并与传统调制策略进行对比。仿真结果表明:在轻载扰动工况下,所提调制策略相比于传统三电平滞环调制策略与传统三电平脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)策略,电流纹波分别降低了49.90%和49.87%;在中载扰动工况下,所提调制策略相比于传统三电平滞环调制策略与传统三电平PWM策略,电流纹波分别降低了49.99%和49.84%;在重载扰动工况下,所提调制策略相比于传统三电平滞环调制策略与传统三电平PWM策略,电流纹波分别降低了50.08%和49.77%。在三电平调制机制的基础上,所提调制策略能够有效补偿一个采样周期的控制延迟,达到降低电流纹波的效果。

风光氢耦合系统的经济随机模型预测控制方法研究

针对风光氢耦合系统源荷两侧不确定性对系统运行造成的影响,提出一种基于经济随机模型预测控制的优化方法。根据风光氢耦合系统中设备的特性,建立计及设备启停的状态空间模型;利用场景生成技术对风光出力及电负荷预测数据进行处理,以生成描述系统不确定性的场景集;基于生成的场景集,在设计的经济随机模型预测控制框架下,构造系统的混合整数线性规划问题,进而对系统进行经济优化控制。由于经济随机模型预测控制方法需提供准确描述系统不确定性的场景集,为此提出一种基于非参数预测的场景生成机制。通过案例仿真分析,相较于常规随机模型预测控制方法,所提控制方法降低5.89%的运行成本;相较于常规模型预测控制方法,降低13.25%的运行成本,验证了所提方法能有效解决风光氢耦合系统的不确定性。

小偏差永磁同步电机双矢量模型预测控制

传统的永磁同步电机双矢量模型预测控制的合成电压矢量与参考电压矢量的偏差较大,且存在计算量大、开关频率高的缺点,在实际工况中难以实现良好的控制性能。为了解决上述问题,提出一种小偏差永磁同步电机双矢量模型预测控制策略,通过分析参考电压矢量的变化规律,构造新的电压矢量选择表,将电压矢量的选择范围从六个降为三个,减小计算量的同时也降低了开关频率;针对传统的作用时间计算方法存在的问题,提出基于偏差最小原则的作用时间计算方法,并详细证明了该方法的优越性。仿真和实验结果显示,所提出的方法能够有效减小计算量和降低开关频率,同时具有较好的稳态和动态性能。

不平衡电网下AC-DC矩阵变换器的新型模型预测控制

为降低AC-DC矩阵变换器在输入不平衡条件下网侧有功功率波动,以及离散型模型预测控制中开关频率不固定的问题,提出一种新型模型预测控制方法。通过根据电网电流相位角选择有效矢量,避免了传统模型预测控制评估价值函数计算的负担。提出了一种二阶扩展复数卡尔曼滤波器,计算精度可以达到泰勒级数展开的二阶项,新型模型预测控制能够在不平衡电网系统中应用。仿真结果表明:所提控制策略在输入电压不平衡工况下,能够有效抑制网侧电流谐波,稳定系统输出的有功功率,并且表现出良好的性能。

基于减载风电和储能的双层模型预测控制风电波动平抑策略

储能在平抑风电功率快速波动过程中频繁地充放电和过高地放电将深度影响储能寿命。为此,提出一种减载风电和储能协同平抑风电功率的方法,利用减载风电出力来减小储能充放电切换次数和放电深度。建立风储系统模型,利用双层模型预测控制优化方法:上层控制基于风功率预测数据进行滚动优化,在满足风电并网波动要求基础上,以储能和减载风电总出力最小为目标函数,通过模型预测控制方法求得储能和减载风电总功率;下层控制以储能功率变化率最小和出力能力最大为目标函数,通过模型预测控制方法分配储能和减载风电出力。最后对某风电场进行仿真研究。结果表明,所提控制策略使储能寿命和出力能力得到有效提升。

基于模型预测控制的光-氢-储耦合系统的功率优化分配方法研究

针对光伏发电存在间歇性和波动性问题,对光—氢—储耦合系统的控制策略进行研究,提出一种模型预测控制(MPC)的“光—氢—储”功率分配方法。首先,构建出光—氢—储耦合系统的整体结构,其中,氢能源系统包括PEM电解槽、氢燃料电池和储氢罐,其次,根据光—氢—储耦合系统的功率平衡方程,构建出状态空间模型,以PEM电解槽功率、氢燃料电池功率作为控制量,明确系统中的多种约束条件,将MPC优化问题调整为二次规划(QP)问题进行求解,利用s-function函数模块构建MPC控制器,完成了系统的闭环仿真。通过仿真分析,验证了所提MPC实时功率分配方法的有效性。

计及风力发电机转速安全约束的DFIG一次调频模型预测控制策略

针对传统方法控制双馈感应发电机(DFIG)的调频效果过于依赖参数整定的问题,该文提出了一种基于模型预测控制(MPC),计及转速安全约束的风力发电机参与一次调频控制策略。该方法结合风力发电机动力学模型与频率响应模型建立预测模型,通过线性回归方法变参考值将风力发电机转速的稳定性纳入考虑。相较于虚拟惯性控制等方法将系统频率偏差与转子动能直接关联,该文方法通过建立全新的预测模型,实时统筹考虑整个系统的状态信息,无需反复调整参数,在考虑转速安全性的同时兼顾全局性能。最后,通过实际算例分析验证了该文调频策略的有效性以及相对现有方法的优越性。

CLLLC谐振变换器的分级寻优模型预测控制

针对CLLLC谐振变换器提出了一种基于分级寻优模型预测的混合控制策略。通过结合变频控制与移相控制的优点,在实现软开关的同时,能拓宽变换器的电压增益范围。该策略不仅减小了普通有限集模型预测控制(MPC)策略的计算量,还改善了PI控制存在的电压超调大和动态响应慢的问题,在稳态性能相近的情况下提升了变换器系统的动态性能。最后通过Matlab/Simulink仿真和实验证明了分级寻优MPC策略的有效性。