基于有限开关状态模型预测控制的STATCOM控制策略研究

将基于有限开关状态模型预测的控制策略应用于STATCOM,利用变换器本身固有的非线性特性和有限开关状态数的特点,实现控制目的。根据STATCOM的数学模型推导出有限开关状态组合所对应八个电压矢量。重点介绍了FS-MPC、目标函数的理论,推导了相关计算公式,并将其用于控制预测电流进而使其快速补偿无功功率。仿真结果表明,使用FS-MPC策略的控制系统能对系统无功功率进行快速检测和动态补偿,并具有能保持直流侧电容电压稳定,解耦能力强,动态性能好的优点。系统控制结构简单,抗干扰能力强。

T型三电平单相逆变器有限开关状态模型预测控制方法

针对单相逆变器的特点,提出一种基于T型三电平单相逆变器有限开关状态模型预测控制方法。在静止坐标系下建立T型三电平单相逆变器基于期望电压矢量的预测模型,大大减少有限开关状态模型预测控制中预测模型的计算量。在目标函数中构造电流跟踪和T型三电平中性点电压平衡目标项,实现给定电流快速、精确跟踪以及中性点电压平衡控制。最后,建立起基于T型三电平单相逆变器实验平台,对所提的有限开关状态模型预测控制进行测试。实验结果表明:所提出模型预测方法使系统具有良好的静、动态性能。

低复杂度永磁同步电机三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略

针对传统永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)三矢量模型预测电流控制(three-vector model predictive current control,TV-MPCC)存在开关频率不固定和计算复杂的问题,提出一种固定开关频率TV-MPCC策略。利用前一周期的零电压矢量和参考电压矢量所在扇区来快速筛选所需最优电压矢量和次优电压矢量,避免了无效枚举计算,从而降低了开关频率和计算复杂度。引入系统d和q轴电流差参数,计算各电压矢量的作用时间,确保电压矢量作用时间恒大于零和开关频率固定。以三相两电平电压型逆变器驱动的表贴式PMSM为被控对象,通过仿真和实验对传统TV-MPCC策略和所提三矢量固定开关频率模型预测电流控制策略进行对比研究,仿真和实验结果表明,所提策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,在固定和降低开关频率的同时,降低了计算复杂度。

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。

并网逆变器最优开关序列模型预测电流控制

传统的并网逆变器模型预测电流控制方法仅在控制周期内对电流波形进行单点预测,忽略了逆变器开关状态变化引起的输出电流纹波,为此提出一种改进的最优开关序列并网逆变器模型预测电流控制策略。首先,为减小开关切换次数、优化频谱分布,对空间电压矢量组合进行重新排列,设计6组开关序列,并根据开关序列提出基于无差拍的矢量持续时间计算方法。其次,在一个控制周期内设置8个电流预测点,以计算开关序列在控制周期内作用所产生的电流预测误差,并通过累加电流预测误差构造预测控制的价值函数,选择使价值函数最低的开关序列作为最优序列组合,提高并网电流波形质量。最后,通过实验验证所提策略在降低并网逆变器输出电流纹波方面的有效性。

基于扩张状态观测器的永磁直线同步电机改进模型预测电流控制

针对永磁直线同步电机(PMLSM)模型预测电流控制(MPCC)中存在的电流脉动过大、在线计算复杂的问题,提出一种基于扩张状态观测器(ESO)的改进MPCC策略。利用最优电压矢量相角和重新划分后的电压矢量扇区,改进第一电压矢量的选取方式,减小第二电压矢量选择范围,以实现电压矢量的快速选取,进而降低电流脉动。同时,为了提高PMLSM抗负载扰动能力,通过ESO对扰动进行观测,将观测到的扰动转换为电流进行补偿,提高系统的鲁棒性,且补偿电流可起到进一步减小电流脉动的作用。仿真结果表明,所提出的控制方法切实可行,与MPCC相比,基于ESO的改进MPCC系统具有更好的控制性能、更小的电流脉动和较强的鲁棒性能。

基于扩张状态观测器的PMSM三电平无模型预测控制

针对传统永磁同步电机三电平控制策略由于参数变化导致系统性能下降的问题,提出一种基于扩张状态观测器的无模型预测电流控制方法来增强系统的鲁棒性。首先,建立系统超局部模型实现未来电流状态的预测,其中不涉及任何电机参数,解决了参数变化影响系统性能的问题;接着,针对系统总扰动,设计d、q轴扩张状态观测器估计超局部模型中的非线性部分;然后,通过价值函数筛选出最优电压矢量,并利用小矢量的冗余特性实现中点电位平衡控制;最后,在DSP实验平台上进行传统三电平模型预测电流控制、无模型预测电流控制及所提出方法的对比实验,实验结果表明所提出方法具有较好的动稳态性能并且有效提高了三电平驱动系统的抗扰动能力。

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%。

融合前馈及状态反馈的智能汽车模型预测控制

针对具有动力学约束的智能汽车路径精确跟踪问题,提出了一种融合前馈及状态反馈的模型预测控制(model predictive control,MPC)方法.首先,根据车辆二自由度模型建立MPC路径跟踪基础模型,然后考虑基础模型中道路曲率变化对系统产生的已建模稳态扰动,设计前馈控制器(feed-forward control,FFC)进行消除;并进一步采用比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制器进行系统误差状态反馈调节;最终形成融合前馈及状态反馈转角输入的模型预测最优调节控制律(MPC-FF-PID).最后基于MATLAB/Simulink和Carsim平台证实所提算法的有效性,并基于智能驾驶实车平台在园区低速场景下进行实车测试,最大横向和航向误差分别为0.128 7 m和0.063 9 rad,表明本文算法具备更高的跟踪精度及安全性.

基于改进型扩张状态观测器的永磁同步电机无模型预测电流控制

针对基于扩张状态观测器的永磁同步电机无模型预测电流控制策略在电机电感参数失配时电流控制性能下降、转矩脉动增大的问题,提出一种基于改进型扩张状态观测器的无模型预测电流控制策略。在扩张状态观测器中添加非参数模型电感辨识算法,该算法利用d轴扰动估计值计算得到电机辨识电感,将其反馈到下一时刻扩张状态观测器的电流与扰动估计中,消除电感失配对于传统扩张状态观测器的不利影响。将辨识电感用于无模型预测电流控制的输出电压指令的计算,进一步增强无模型预测电流控制的参数鲁棒性。搭建电机转矩控制系统进行实验,结果表明,该控制策略的参数鲁棒性强,具有良好的电流控制性能,在电机电感失配时能有效减小电机转矩脉动,具备较高的工程应用价值。

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。

基于扩张状态观测器的海工栈桥液压系统模型预测控制

海工栈桥是一种在海上作业期间运输维护人员和设备转移的大型海洋工程装备。针对海工栈桥液压系统外部扰动大、模型参数不确定等问题,提出了一种基于扩张状态观测器的模型预测控制方法。以海工栈桥液压系统为研究对象,对其进行运动学分析和动力学建模,推导出系统的状态空间方程;在传统模型预测控制的基础上,采用扩张状态观测器对液压系统的外部负载扰动以及机械系统未建模部分进行估计,以提高模型预测控制的跟踪效果。仿真结果表明,扩张状态观测器对海工栈桥液压系统的状态和扰动具有很好的观测能力,有效提高了模型预测控制的稳定性和鲁棒性。

永磁同步电机模糊自适应低开关频率模型预测电流控制

在永磁同步电机有限集模型预测控制中没有脉宽调制环节,最优电压矢量直接作用于逆变器,开关频率高。为降低开关频率,拟通过永磁同步电机模型预测电流控制系统的代价函数中,引入权重系数自适应调整的开关频率控制项。首先,建立模型预测电流控制模型,分析运行工况及控制周期对开关频率的影响;其次,在代价函数中引入开关频率控制项,分析开关频率控制项权重系数对开关频率和电机控制性能的影响规律;然后,基于模糊控制理论设计权重系数自适应调整的模型预测电流控制系统,通过检测定子电流和参考电流的控制误差值作为模糊控制的输入量,开关项权重系数作为模糊输出量,实现开关项权重系数的自适应调整。仿真结果表明,模糊自适应开关项权重系数控制方式相比于固定权重系数控制,在转速为500r/min时电流谐波增大0.36%时而开关频率降低1.5kHz左右,在2000r/min时开关频率降低0.8kHz左右。

基于扩展状态观测器的锅炉-汽轮机组模糊模型预测控制

针对锅炉-汽轮机组易受扰动、非线性等特点,提出一种基于扩展状态观测器的模糊模型预测控制方法。首先,基于实际被控对象的输入输出数据建立1 000 MW锅炉-汽轮机组的模糊模型;然后利用输出代价函数在模糊模型上设计一个稳定的模糊模型预测控制器,以实现节流蒸汽压力、分离器蒸汽焓和负荷的稳定、快速和准确跟踪。将一种改进的线性扩展状态观测器与预测控制器相结合,以增强其抗干扰性能,该观测器可以在线估计系统的行为变化和未知干扰,通过设计合适的李雅普诺夫函数证明了整个控制系统的闭环稳定性。在对某1 000 MW锅炉-汽轮机组模型的节流阀压力、蒸汽分离焓和有效功率(负荷)参数的仿真中,具有扩展状态观测器的模糊模型预测控制超调量和调节时间等指标均优于积分模型预测控制、稳定模型预测跟踪控制器(stable model predictive tracking controller,SMPTC)和广义扩展状态观测器的控制(generalized extended state observer control,GESOBC),证明了所提出方法的有效性。

基于深度学习的高压配电开关状态预测与优化控制研究

在电力系统中,高压配电开关是一种影响系统稳定性的电网设备,由于电力系统结构具有一定的复杂性,传统的处理方法在面对复杂数据时效率较为低下,并且在开关状态的实时预测方面存在滞后性。对此本文提出了一种基于深度学习的配电开关状态控制系统,针对开关设备的状态预测和控制优化两个方面进行改进,不仅提高了系统运行效率,同时也能降低设备故障率,保证电力系统的安全稳定运行。

基于有限状态机的三电平逆变器双矢量模型预测控制策略

针对三电平逆变器使用有限集模型预测控制策略时,存在电流谐波大、对微控制器运算能力要求高、多目标优化复杂及输出矢量切换受限等问题,提出一种基于有限状态机的双矢量模型预测控制策略。首先,采用有限状态机来描述有限的控制集和受限的矢量切换,并以此作为三电平逆变器运行的基础,从而避免过大的相电压和线电压跳变;然后,提出一种适用于该有限状态机的简化控制集方法,使得候选矢量的数量不超过5个;继而,结合直流侧电容电压平衡控制,确定最优双矢量组合,且无须进行多目标优化;最后,计算双矢量的占空比,进一步降低输出电流的谐波。仿真和实验结果验证了所提策略的良好性能。

引入ESO的永磁超环面电机无模型预测电流控制

为改善无差拍预测电流控制(DPCC)对永磁超环面电机系统参数的依赖性,研究了引入扩张状态观测器(ESO)的永磁超环面电机无模型预测电流控制(MFPCC-ESO)策略。根据永磁超环面电机的复合转子结构,引入自转运动影响系数与磁势系数,在旋转坐标系下建立该电机的时变数学模型;利用永磁超环面电机系统的输入与输出,建立该电机具有时变比例因子的超局部模型,同时引入ESO对超局部模型的干扰部分进行实时估计,并利用朱利稳定判据证明了ESO的稳定性;结合延时补偿的DPCC预测得到参考电压矢量,从而实现永磁超环面电机的MFPCC-ESO策略。对参数匹配和失配下永磁超环面电机MFPCC-ESO策略与DPCC策略进行对比分析,仿真结果表明:MFPCC-ESO策略下的永磁超环面电机具有优越的动态和稳态性能及强鲁棒性,同时该控制策略还能有效降低永磁超环面电机的输出波动。

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。

基于状态观测器的增量式预测控制

通过状态观测器的状态估计代替内部模型的状态反馈,推导了基于状态观测器的增量式模型预测控制算法,通过增广状态估计实现实测的输出反馈对内部模型进行修正;其次,当模型预测控制内部模型与实际被控对象存在模型失配时,得到存在模型失配的闭环系统的状态方程,研究了闭环系统的鲁棒稳定性;最后,给出一个线性对象和一个非线性对象的仿真示例,并对线性示例进行模型失配下的稳定性分析,仿真结果表明该控制算法具有较好的控制效果,并具有一定的鲁棒稳定性。