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。

三相电压源整流器有限控制集扩充方法研究

有限集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)处理优化问题有较大优势,但其控制精度在低采样频率下会急剧下降。以三相电压源整流器为例,现有解决方法多采用扩充矢量或改用调制型预测控制(modulated model predictive control,M-MPC),其本质在于通过增加开关频率提升控制精度,并未起到优化效果。为解决FCS-MPC在低采样频率下控制效果差的问题,同时为了能以较低的开关频率最大限度地提升控制精度,在分析FCS-MPC开关频率与控制误差间非线性关系的基础上,提出一种新的控制集扩充方法。通过构建12个新的电压矢量来扩充控制集,显著提升了FCS-MPC在低采样频率下的控制精度,且带来的开关频率增加较小。同时,在相同开关频率下,所提方法能够取得更优于M-MPC的控制效果。此外,通过调节目标矢量的权重还可改变其扩充模式,保留了FCS-MPC简单、直接的特点。最后,通过对比仿真及实验验证所提方法的有效性。

一种多步预测的变流器有限控制集模型预测控制算法

变流器有限控制集模型预测控制(finite control setmodel predictive control,FCS-MPC)算法是一种变流器优化控制算法。该算法具有动态响应快、处理系统约束灵活且无需PWM调制器和相关参数设计等优点,但仅可确保所选开关函数组合在一个控制周期内的最优,这样将使得系统控制趋于保守,而影响系统控制性能。分析传统变流器FCS-MPC算法的保守性,提出一种在一个控制周期内同时考虑最优开关函数组合及次优开关函数组合,并确保在两个控制周期内所选开关函数组合最优的多步预测的FCS-MPC算法(finitecontrol set model predictive control with multi-step prediction,FCS-MPCMSP);进行采用该算法的两电平三相电压型逆变器在空载、带阻感性负载、带非线性负载及负载投入等工况下的仿真和实验。仿真及实验结果表明:采用该算法的三相电压型逆变器输出电压与给定电压的差值明显小于采用传统FCS-MPC算法的情况,改善了逆变器输出电压质量,从而验证了该算法的有效性及可行性。

基于混合逻辑动态模型的三相逆变电路有限控制集模型预测控制策略

逆变电路传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁,为此,建立了三相逆变电路混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型。在此基础上,将其作为预测模型,提出了电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)策略。FCS-MPC充分考虑了电路的离散特性,选择有限控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路开关管的控制信号,从而控制电路的输出电压,无需任何调制器,可简化MPC的优化问题。此外,基于全维状态观测器设计了电路负载电流观测器,增强了控制器的鲁棒性。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。

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。

海上风电并网的有限控制集模型预测控制

针对海上风电场柔性直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)系统传统矢量控制中,PI参数难以整定、需要调制器以及难以实现多目标优化等问题,提出了一种基于有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的新型海上风电VSC-HVDC并网控制策略。该方法结合并网逆变器的离散数学模型,通过电流误差构造价值函数,以价值函数为优化目标,预测并网逆变器未来时刻的开关状态;为避免计算时间延时并实现多目标优化,引入延时补偿和权重系数,产生最优开关组合触发并网逆变器。在Matlab/SIMULINK中建立风电并网系统的仿真模型,并采用FCS-MPC和传统PI控制两种方法实施并网控制,通过对风电场功率波动及电网发生故障等多种运行环境进行仿真,结果有效验证了所提出的FCSMPC方法应用于VSC-HVDC海上风电场并网系统对直流电压的控制能力和故障恢复能力。

基于光伏并网逆变器的一种矢量角补偿法有限控制集模型预测控制研究

有限控制集模型预测控制（finite control set model predictive control,FCS-MPC）提供了一种与众不同的能量处理方法,将功率变换器当做离散和非线性的执行器。它具有无须解耦运算和安装脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）调制器等优点,被广泛应用于电力电子变换器。传统FCS-MPC在延时补偿问题上采用拉格朗日外推法对未来参考值进行修正,但这种方法在出现阶跃变化时峰值较大。考虑到三相系统变量的矢量表示法后,能够根据一次采样时间的矢量角变化来估算未来参考值。因此,该文基于光伏并网逆变器,运用矢量角补偿法对FCS-MPC延时补偿后带来的未来参考值偏离进行修正,研究光伏光照强度变化时并网的动态控制效果,这个简单的补偿方法允许预测控制模型包含延时,并能够避免受控变量出现较大的纹波,同时该文在代价函数中加入了开关频率约束项,减少开关损耗,同时不会造成输出电流畸变。最后通过Matlab/Simulink仿真和实验,验证这种模型预测控制器在光照波动时并网运行过程中具有良好的控制性能,并论证此方法的可行性。

基于有限控制集模型预测的逆变器控制算法

有限控制集模型预测控制是一种变流器优化控制算法,具有动态响应快、无须解耦运算和安装PWM调制器等优点,被广泛应用于光伏并网逆变器。该算法在一个控制周期内须对逆变器多个开关状态的电流、电压预测值和优化目标函数进行计算,导致处理时间较长。文章提出一种简化的基于有限控制集模型预测的光伏逆变器控制算法,将优化目标函数的电流矢量等效替换为电压矢量。由于目标函数电压矢量的测量和计算比电流矢量更方便,该简化的控制算法可有效提高系统的响应速度。仿真及实验结果表明,该简化的控制算法能有效改善光伏逆变器的动态性能。

基于有限控制集模型预测控制的SAPF的研究

在并联型有源电力滤波器(SAPF)动态补偿电网谐波过程中,为了快速准确地跟踪并补偿谐波电流,对基于中点箝位三电平逆变器拓扑结构的SAPF进行了分析,提出一种有限控制集模型预测控制策略。首先通过重复预测器对负载电压和电流进行超前两拍的预测,在此基础上利用p-q理论计算出补偿电流超前两拍的参考值,然后根据参考电流值与补偿电流值之间的误差,运用有限控制集模型预测控制器进行反馈校正和滚动优化。仿真及实验结果表明:采用该控制策略的SAPF能有效降低电网电流的总谐波畸变率,具有很好的补偿效果和鲁棒性。

五相感应电机有限控制集模型预测容错控制

针对五相感应电机驱动系统在开路故障时的容错运行问题,设计了一种基于有限控制集模型预测控制器的故障容错运行方案。首先,以正常状态下的五相感应电机模型为基础,针对性地推导了系统开路故障后的电机模型,并采用合理的故障前、后变换矩阵,保证了故障前、后控制器结构的一致性。然后在传统的有限控制集模型预测控制器基础上融入了容错策略,即仅通过改变故障后的模型预测模块即可实现新型容错控制方案。最后,通过试验验证了新型容错控制策略的有效性。

基于改进型有限控制集模型预测的永磁电机直接转矩控制

采用直接转矩控制的永磁同步电机驱动系统存在转矩脉动较大的问题。为了解决该问题,提出了一种基于改进型有限控制集预测的永磁电机直接转矩控制。新型控制策略结合使用了有限控制集模型预测控制和李亚普洛夫理论,以尽量减少转矩脉动。将两电平拓扑变频器的8个空间矢量作为一个有限控制集,用于控制永磁同步电机输出转矩,设计了一个综合考虑转矩误差、最大转矩电流比和电流限制的成本函数。和传统的有限控制集控制模型预测不同,新构建的成本函数采用了李亚普洛夫函数来估计每个电压空间矢量的占空比,同时引入了补偿实现了固定开关频率控制。最后通过对比试验验证了新型控制策略的有效性。

基于有限控制集的感应电机直接相角预测控制研究

传统的基于磁场定向或基于直接转矩的感应电机控制策略受限于计算量,动静态性能和控制效率均存在限制。为了解决该问题,提出了一种基于有限控制集的感应电机直接相角预测控制策略。不同于传统控制方法,新型控制策略重点对转矩以及定子电流和转子磁链之间的相角进行了控制,将磁场定向原理嵌入到代价函数约束,并设计了闭环预测模型及其反馈增益,避免了直接磁链控制。新型算法无需在线计算最优磁链即可获得电机在轻载时的较高效率,而且采用闭环预测模型提高了预测控制的精度和鲁棒性。最后,建立了感应电机控制试验平台,并开展了相关控制试验研究,试验结果验证了新型控制策略的控制性能。

PWM-CSR有限控制集模型预测控制

针对电流型PWM整流器(PWM-CSR)传统控制方法计算量大、输入电流谐波含量大、采样频率高的问题,将有限控制集模型预测控制方法应用到PWM-CSR中,并引入"虚拟电阻"技术来减缓变换器前端LC滤波器引起的谐振。首先根据PWM-CSR拓扑结构建立其离散状态空间模型,然后分析PWM-CSR的开关函数组合(控制集)个数,选择使系统优化性能函数最小的开关函数组合作用于PWM-CSR,结合"虚拟电阻"减缓滤波器的谐振,改善输入电流波形。仿真和实验结果表明,该方法能有效降低网侧电流的总谐波畸变率,具有很好的鲁棒性和快速的动态响应。

开关磁阻电机有限控制集预测转矩控制

针对开关磁阻电机传统直接转矩控制方法转矩脉动大和铜损耗大,并需要设定磁链参考值的问题,提出一种开关磁阻电机有限控制集预测转矩控制方法。首先建立开关磁阻电机离散预测模型,预测转矩未来值;其次提出一种转子扇区划分算法,有效减少了当前时刻候选开关矢量,降低了计算负担;最后通过目标函数在线评估直接选择最小化目标函的最优开关矢量作为控制输出。相对于直接转矩控制,该方法可以有效抑制转矩脉动,减小铜耗,并且该方法仅有一个转矩闭环,无需控制磁链,降低了算法复杂度,更易于硬件实现。与直接转矩控制的对比仿真和实验结果表明,所提出的有限控制集预测转矩控制相比直接转矩控制具有更好的转矩脉动抑制效果和更低的铜损耗。

七相逆变器有限控制集模型预测控制技术研究

为得到七相变频调速系统电流控制的良好动静态性能,将有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略应用到七相电压源型逆变器的电流控制中。七相电压源型逆变器具有128个空间矢量,其中包含126个非零矢量和2个零矢量,在每个采样周期内,选择几组特殊的空间矢量,并对这些空间矢量进行在线评估,采用使目标函数最小的空间矢量作为下一个周期施加的矢量。此控制策略简单,具有较好的动静态性能,谐波消除明显。以DSP芯片TM320F28335为处理器,搭建七相逆变器阻感负载实验平台,进行相关实验,进一步研究目标函数、空间矢量数目以及采样时间等因素对控制性能的影响。研究结果证明了控制策略的正确性和有效性。

基于权重系数消除和有限控制集优化的双三相永磁容错电机快速预测直接转矩控制

为改善双三相永磁容错电机采用传统预测直接转矩控制(PDTC)时存在的权重系数整定困难、有限控制集元素数量多以及电压矢量滚动寻优时间长等问题,该文提出一种基于权重系数消除和有限控制集优化的快速PDTC。首先,根据无差拍直接转矩磁链控制思想,将评价函数中不同量纲的变量等效为相同量纲的电压矢量,消除了定子磁链权重系数;其次,基于永磁容错电机大电感的特点,提出仅选取零序电压为零的电压矢量或者所合成虚拟电压矢量作为有限控制集元素,不仅消除了零序权重系数,还将有限控制集中的元素从64个减少到19个,同时改善了零序电流的抑制效果;最后设计了一种可一次选出最优电压矢量的方法,避免了滚动寻优带来的计算负担。实验结果验证了所提PDTC的可行性和有效性。

一种减小有限控制集模型预测控制开关状态计算时间的方法

有限控制集模型预测控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)依靠被控逆变器所具有开关状态对控制目标滚动寻优计算。为减小多电平逆变器中滚动计算开关状态所需时间,该文对经典有限控制集模型预测电流控制进行改进。首先,利用控制系统的离散数学模型和参考电流求得被控逆变器在此参考电流下所应输出的参考电压值。此时,引进SVPWM中的分扇区计算概念,判断参考电压所处扇区,最后将该参考电压所处扇区内所包含的开关状态来循环寻优计算。最后Matlab/Simulink仿真平台搭建二极管钳位型五电平并网逆变器系统模型,通过仿真结果,得以验证改进算法的正确性和实用性。

级联多电平逆变器有限控制集模型预测控制

针对传统级联多电平逆变器的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)计算量随电平数增加而指数增长的缺点,本文提出了改进的级联多电平逆变器FCS-MPC控制算法。首先,分析级联多电平逆变器的数学模型,探讨了FCS-MPC控制策略在级联多电平上的应用原理,在传统FCS-MPC控制的基础上,对电流进行延时补偿、反馈补偿及参考电流校正,提高了系统的跟踪特性和减少了电流谐波畸变率;其次,将复杂分区内电压矢量的追踪计算简化至在单一分区内进行,优化开关冗余状态,减少计算量。最后搭建了MATLAB仿真实验,与传统FCS-MPC算法对比分析,证明了此方法的正确性和优越性。

两电平逆变器长时域有限控制集模型预测控制

传统的长时域有限控制集模型预测控制(LHFCS-MPC)采用穷举法来实现。由于其计算量随着预测时域的增加而呈指数增长,难以应用到逆变器控制系统中。针对这一问题,提出了一种新的LHFCS-MPC算法。利用球形译码思想,缩小了最优解的搜索范围,显著提高了算法搜索最优解的效率;结合回溯法的深度优先搜索策略,进一步降低了算法的计算量。同时,为了确保算法在每个采样周期内都能维持较低的计算量,给出了初始和动态时算法预测时域的切换策略。利用该LHFCS-MPC算法,实现了两电平逆变器的电流控制,并搭建仿真模型进行验证。仿真结果表明,其计算量比穷举法降低了2个数量级;与比例积分(PI)控制相比,该算法具有更优的静态和动态性能。该算法对于扩大LHFCS-MPC的工程适用范围(如高采样率或动态变化很快的场合)具有实际意义。

并网变流器有限控制集模型预测控制

为了提高带LCL滤波器的并网变流器的控制性能,设计了一种新型的有限控制集模型预测控制(FCSMPC)策略。交直流变流器采用LCL滤波器接入电网时可带来诸多优点,但也存在电网电流谐振以及控制复杂度增加的问题。新方案通过将主动阻尼算法融合进FCSMPC控制器中可消除电网电流低次谐波,并降低对电网电压失真的敏感度。使用并网变流器实验平台进行新控制策略的稳态和瞬态测试以及电网电压扰动下的测试,实验结果表明,新型控制方案能在电网电压失真条件下降低电网电流谐波含量,并具有较好的动态性和鲁棒性。