三电平三相逆变器快速有限控制集模型预测控制方法

针对有限控制集模型预测控制方法在多电平多相逆变器中预测模型和目标函数在线计算量大的不足,提出一种快速有限控制集模型预测控制方法。该方法根据参考矢量的空间位置,让远离参考矢量的电压矢量不参与预测模型在线计算和目标函数在线评估。对于三电平三相逆变器,快速有限控制集模型预测控制方法使参与计算的电压矢量由27个减少到12个,大大提高计算效率。最后,建立起5 k W二极管钳位型三电平三相逆变器实验平台。对于传统有限控制集模型预测控制和快速有限控制集模型预测控制进行对比稳态和动态实验。实验结果表明:所提出快速有限控制集模型预测控制方法使系统具有良好的静、动态性能。

基于拓展控制集的PMSM有限控制集无模型预测电流控制策略

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)具有高效率、高功率密度与高可靠性等优势,已在工业界得到广泛应用。文中针对PMSM驱动系统,提出基于拓展控制集的有限控制集无模型预测电流控制(finite-control-set model-free predictive current control,FCS-MFPCC)。首先,分析PMSM系统的数学模型并详述有限控制集模型预测电流控制(finite-control-set model predictive current control,FCS-MPCC)的原理。其次,介绍基于线性扩张状态观测器(linear extended state observer,LESO)的传统FCS-MFPCC。针对传统FCS-MFPCC稳态性能不足的问题,采用基于离散空间矢量调制(discrete space vector modulation,DSVM)的控制集拓展方案,将控制集的电压矢量数目拓展至25。然后,为解决拓展控制集带来的高计算量问题,提出一种快速寻优策略,阐述该策略的实施原理与流程。最后,基于一台500 W PMSM实验平台,对比传统FCS-MFPCC与所提FCS-MFPCC的控制性能,验证所提算法的有效性与优越性。实验结果表明,所提算法能够有效提升系统稳态性能,且定子绕组电流总谐波畸变率由10.07%降低至6.48%。

基于改进SMO的PMSM有限集模型预测电流控制

针对永磁同步电动机三矢量有限集模型预测控制系统对于电机转子信息依赖性较高的问题,利用滑模观测器观测电机转子信息,并对其进行改进,采用新型趋近率函数代替符号函数,削弱系统抖振现象,采用同步旋转坐标系下的滤波器达到补偿相位滞后、增强滤波效果的目的,实现对于转子位置和角速度的准确观测。仿真及实验结果表明采用的该控制方法具有较好的稳定性,改善了系统控制性能。

基于有限集模型预测的光伏并网逆变器控制优化研究

针对三电平三相四桥臂光伏并网逆变器在采用传统有限集模型预测控制方法时运算工作量较大的问题,提出了一种基于电压矢量分区预选的模型预测控制方法。建立了αβ0坐标系下含直流中点电压、并网电流的预测模型;提出了基于两步预测的目标函数和寻优算法设计,减少了采样和计算造成的延迟影响;将目标函数的电流约束转为电压矢量约束,并通过对电压矢量进行分层和层内扇区划分,减轻了运算负担。

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control,FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control,MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。

基于无参数PMSM的自适应有限集模型预测控制

当永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)采用有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)时,性能易受PMSM参数变化的影响,PMSM与控制器之间的参数不匹配会严重影响预测控制的性能。因此,该文提出一种基于无参数PMSM的自适应FCS-MPC控制策略,能够准确地实现预测控制而无需了解电机参数。针对PMSM多参数在线辨识时存在的欠秩问题,利用FCS-MPC固有的开关纹波能产生持续激励的特性,采用递推最小二乘法(recursive least squares,RLS)实现多参数辨识。此外,针对采用FCS-MPC时的逆变器死区时间补偿问题,提出一种考虑死区时间矢量的合成电压矢量输出方案,进一步提高预测控制性能。最后,通过实验验证了所提方法的有效性,实验结果表明,与基于模型的常规FCS-MPC解决方案相比,所提方法能减小预测误差,并且对参数变化和模型不确定性具有非常强的鲁棒性。

基于改进有限状态多步模型预测控制的MMC-APF技术研究

基于模块化多电平变换器的有源电力滤波器MMC-APF(modular multilevel converter-based active power filter)是用来处理非线性负载对电网带来的污染问题最有效的拓扑之一。提出了一种基于改进有限状态多步模型预测控制的MMC-APF,仅通过基波同步旋转坐标系实现对所有谐波的控制。首先,使用PI加重复控制的电流环复合控制得到上、下桥臂预导通子模块数,在此基础上进行多步交流侧电流模型预测,最终得到桥臂投入子模块数的最优解,缩小了寻找目标函数最优电平的搜索范围,无需设计权重因子,每相桥臂子模块的总投入数为[N-1,N+1],交流侧输出电平数最大可达2N+1,提高了MMC-APF交流侧电流补偿精度,并改善了系统动态性能。最后,搭建了MMC-APF平台,仿真和实验结果与理论分析一致,进一步验证了所提研究方案的可行性和有效性。

神朔铁路万吨重载列车涌动有限集预测控制研究

神朔铁路是我国重要的重载货运线路,重载列车运行环境恶劣,操纵困难,列车涌动严重影响运行平稳性和行车安全。针对神朔铁路行车过程中的涌动问题,文章分析了重载列车涌动发生时的信号特征,搭建了基于弹性阻尼车钩的列车多质点动力学模型,通过仿真分析了重载列车无涌动和有涌动时的运行状态,针对重载列车的涌动问题提出了一种有限集预测控制方法,仿真验证了该预测控制能够减小列车涌动时的速度波动和最大车钩力。

多时空尺度风电集群爬坡的模型预测控制分层策略

提出一种基于模型预测控制分层策略,对风电集群进行动态划分,以不同时间尺度的数值天气预报(numerical weather prediction,NWP)作为参考依据,用深度学习方法对每个子集进行建模,对每个时间段进行集群的聚类、划分与判定以提高预测精度。控制层在空间上分为三个部分,利用模型预测控制对风功率在时间上进行逐层细分,在滚动优化的环节加入对风电集群的爬坡约束条件,反馈校正环节以当前时刻风电集群输出状态为新的一轮滚动优化调度的初始值。试验结果显示该方法可以降低风电功率的波动,降低风电爬坡事件的出现。

永磁同步电机新型有限集模型预测速度控制

为了保证传统有限集模型预测速度控制中速度采样频率和控制周期一致,使用预测-校正方法进行反馈速度的测量,并结合卡尔曼滤波器进行负载观测,根据控制周期合理安排速度和负载观测的时序。针对传统有限集模型预测速度控制的稳态误差和较大转矩脉动问题,提出一种比例-积分-微分型代价函数,其中积分项用于消除稳态误差,微分项用于抑制转矩脉动。仿真和实验结果表明,所提出的新型有限集模型预测速度控制方法和传统有限集模型预测速度控制方法相比,在稳态时具有更小的稳态误差和转矩脉动,相电流总谐波失真(THD)从65.35%减小到了21.54%;和传统有限集模型预测电流控制方法相比,在起动、加减速和负载突变时的响应速度均加快了0.2~0.5 s,具有更快的动态响应。

基于快速模型预测控制法的张拉整体结构主动控制研究

由于几何非线性、连接的装配不确定性和控制器的作动器饱和,张拉整体结构的主动振动控制通常具有挑战性。为了解决这一技术难题,实施了快速模型预测控制(FMPC)策略,能够有效地减轻结构振动。具体来说,基于Newmark方法的显式表达形式避免了矩阵指数的计算,并在结构上的每个采样瞬间进行1次在线和2次离线瞬态分析,从二阶动态方程获得最优控制输入,而不形成扩展的状态空间方程。最后,将快速模型预测控制法应用于大型六胞标准张拉整体梁和六胞聚合式张拉整体梁的结构。示例结果证明,该方法应用在张拉整体结构中是有效且可靠的,体现了该方法在分析和解决实际工程问题方面的前景。

基于快速随机模型预测控制的网联混合车队生态驾驶策略研究

为解决网联汽车由于驾驶员误差存在导致的速度轨迹偏移问题,本文提出一种实时的考虑驾驶员误差的网联混合车队生态驾驶策略。首先通过实车试验采集不同驾驶员的驾驶员误差数据,建立基于马尔可夫链的驾驶员误差模型,用于预测未来一段时间的驾驶员误差。然后以最小化整个车队的燃油消耗为优化目标,将车队速度轨迹优化问题描述为一个最优控制问题,采用快速随机模型预测控制(fast stochastic model predictive control,FSMPC)算法求解车队中网联汽车的最优速度轨迹。仿真和智能网联微缩车试验结果表明,相比于传统的基于快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)的生态驾驶策略,本文所提出的生态驾驶策略能够有效减小车辆的速度轨迹偏移,并降低整个车队的燃油消耗,且满足实时性要求。

改进的不对称三电平快速模型预测控制算法

针对多电平并网逆变器拓扑结构复杂、算法运算量大的问题,提出了一种新的非对称三相三电平拓扑结构及其改进的快速模型预测控制(fast model predictive contol,F-MPC)算法,与传统三电平逆变器拓扑结构相比具有更少的箝位器件,提高了系统的可靠性,降低了所需空间及成本;所提算法由于不用计算全部矢量的代价函数,大大缩短了计算时间,提高系统的响应速度。在MATLAB仿真模型和小型实验平台得到的结果验证了所提拓扑结构和算法的合理性及有效性。

三端口柔性多状态开关有限集模型预测控制

柔性多状态开关(SOP)作为一种新型电力电子装置,可提升配电网运行的灵活性与稳定性。SOP通常采用双闭环控制策略,对于三端口SOP而言共需12个PI调节器,控制结构复杂。因此,本文提出一种基于有限集模型预测控制(FCS-MPC)的三端口SOP的内环电流控制方案。该方案无需PI调节器整定且控制灵活,易于实现。建立了三端口SOP的数学模型,分析其工作原理;接着分析了FCS-MPC和双闭环控制的工作原理;在稳态运行条件和动态运行条件下,用Matlab/Simulink对基于FCS-MPC的SOP的运行情况进行仿真,对比分析了双闭环控制和FCS-MPC时的负载电流响应速度。结果表明:FCS-MPC在电流波动时具有更快响应速度,在稳态时具有更好的稳定性和抗干扰性,验证了所提方案的优越性及有效性。

电容电压平衡的四电平有源中性点钳位逆变器的改进模型预测电流控制

多电平有源中点钳位(ANPC)逆变器具有功率器件电压应力小、电流谐波低和器件损耗可调控等优点,被广泛应用于工业驱动中。针对四电平ANPC(4L-ANPC)逆变器的控制与调制研究相对较少,现有的调制方案实现复杂,中点电压(NPV)控制难度较大。因此,该文针对三相4L-ANPC逆变器,提出一种改进的有限集模型预测电流控制(FS-MPCC)算法,避免了复杂的调制过程。首先,使用仅包含电流误差的代价函数对位于六边形顶点的6个大电压矢量进行寻优;其次,对参与第一步寻优的大矢量划分扇区,使用包含电流误差和电容电压误差的代价函数对最优大矢量所在扇区的所有电压矢量滚动寻优,得到目标电压矢量并作用于逆变器;最后,仿真和实验结果表明,与传统的FS-MPCC相比,所提方法在降低系统计算负担的同时,还具有较好的控制性能和电容电压平衡能力。

电动汽车双向充电桩有限集模型预测控制研究

为提高电动汽车双向充电桩并网电流质量和抗干扰能力,并抑制其电流谐波,结合模型预测控制特性分析,提出了电动汽车双向充电桩的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)方法。首先,在同步旋转坐标系下建立了变流器的离散数学模型。然后,在传统模型预测控制基础上设计了输出电流的(k+2)时刻预测值,再将预测值和采样时刻的电流误差以及直流(DC)母线电压的误差作为价值函数的控制因子,寻求价值函数的最小解,以达到最优控制效果。仿真结果表明,相比传统比例积分(PI)前馈控制策略,FCS-MPC有效提高了DC母线电压的稳定性和抗干扰性,并将网侧电流控制在更低的总谐波失真水平下。考虑到组成价值函数控制因子的电压、电流、开关频率等物理量直观且易于采集,FCS-MPC方法可推广应用于同类的电力电子变换器。

基于有限集模型预测控制的UPQC预测直接控制策略

针对统一电能质量调节器(unified power quality conditioner,UPQC)线性控制算法中存在的控制结构复杂、控制器参数整定困难以及控制延时等问题,提出一种基于有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的UPQC预测直接控制策略。在分析UPQC直接控制系统构成基础上,基于FCS-MPC基本原理,实现了同步旋转坐标系下UPQC的有限集模型预测直接控制系统建模,有效简化了控制器结构,降低了控制算法的复杂度;基于UPQC系统有功功率平衡以及负载基波电压幅值恒定原控制器参数整定困难以及控制延时等问题,提出一种基于有则,建立了适用于UPQC串联侧与并联侧预测直接控制策略的给定值产生机制;最后,采用Matlab/Simulink仿真软件将所提控制策略与传统线性控制算法进行了对比仿真,并基于DSP (digital signal processor)(10)FPGA (field programmable gate array)(10)TYPHOON HIL402实验平台进行了实验验证,仿真与实验结果验证了所提控制策略的有效性和可行性。

改进型永磁同步电机有限控制集模型预测速度控制

永磁同步电机传统有限集模型预测速度控制策略中电压矢量方向固定,可选矢量范围具有一定局限性,输出电压的突然变化,会导致电流纹波较大。因此,提出了一种基于电压细分的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)直接速度控制策略。所提策略在FCS-MPC方案中引入了一组具有可调振幅和可移动原点特征的有限电压细分矢量作为候选电压,同时为了获得更准确的电流预测,使用了双线性变换(即Tustin变换)积分近似。该控制器能够预测未来电流和速度,并使用脉宽调制输出最佳细分电压。采用两电平三相逆变器驱动的永磁同步电机进行仿真验证结果表明,与传统的FCS-MPC方案相比,所提策略有效地减小了电流纹波,拓宽了电压矢量选择的范围,同时提高了电机鲁棒性。

T型三电平并网逆变器有限集模型预测控制快速寻优方法

三电平变流器控制系统采用有限集模型预测控制(FCS-MPC),滚动优化需要遍历所有开关状态,针对其导致处理器运算量增加、处理时间长的问题,提出一种T型三电平并网逆变器优化计算量的FCS-MPC方法。通过构建基于电压预测的单目标代价函数,避免设计权重系数问题,减化单次寻优的步骤;根据直流母线电位分布选择冗余小矢量,实现中点电位平衡,使每个控制周期的预测次数减小至3次,提高寻优效率。有限控制集在预测过程中将所包含矢量的加权误差二次方最小作为依据划分,并利用矢量角补偿系统延迟,提高预测精度,使并网电流质量得到改善。搭建基于RT-Lab的功率硬件在环仿真系统和物理装置验证所提控制策略,实验结果验证了所提理论分析的正确性和控制策略的有效性。

基于模糊PID型代价函数的永磁同步电机模型预测电流控制

针对永磁同步电机控制中有限集模型预测电流控制在参数失配时稳定性能和动态性能有所下降的问题,提出一种基于模糊PID型代价函数的模型预测电流控制方法。该控制方法设计了一种包含比例、积分和微分项的代价函数,将传统的电流误差作为比例项实现转速的跟踪,电流误差的积分作为积分项用来消除预测误差,预测电流的差值作为微分项减小转速纹波。同时使用加入了滤波器的模糊控制对PID参数进行动态调整。该控制方法可以在参数失配的情况下降低转速振荡,提高动态响应能力,降低参数失配对控制器性能的影响,同时保留在参数匹配时的各项性能。仿真与实验结果表明,该方法较传统有限集模型预测电流控制在参数失配时有更快的响应速度、更小的转速振荡和更好的负载突变响应。