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。

采用RBF神经网络改进有限集模型预测控制算法的光伏系统MPPT研究

针对基于扰动观察法或电导增量法控制的光伏系统存在发电功率不稳定的问题,提出一种基于RBF神经网络改进的模型预测控制的最大功率点追踪算法,使用RBF神经网络拟合光伏系统功率-电压(P-V)曲线,预测光伏面板发电功率,通过建立光伏系统前级DC-DC变换器的数学模型,使用模型预测控制确保光伏面板工作在最大功率点提升光电转换效率.通过MATLAB/Simulink仿真结果表明,在外界环境快速变化的情况下,所提策略能有效抑制最大功率点漂移,提高系统光电转换效率.

基于模型预测的直驱式波浪发电机机侧最优功率控制技术

直驱式波浪发电系统具有结构简单、成本低、效率高等优点,得到了国内外学者的广泛关注。该文以直驱式波浪发电系统为研究对象,分析并建立了直驱式波浪发电装置的水动力数学模型和永磁直线电机的动态数学模型。推导了基于模型预测的功率控制策略用于直驱式波浪发电系统。在功率控制策略中从功率捕获策略和功率跟踪控制策略展开研究以实现将波浪能转换为电能并汇入直流母线。重点围绕功率捕获策略开展基于模型预测控制技术研究,分别从控制策略、预测区间和成本函数三个角度分析了基于模型预测的最优功率捕获策略。建立了仿真模型并进行仿真分析,结果表明,采用基于模型预测的最优功率捕获策略可有效提高不规则波下发电机从波浪发电系统捕获能量。此外,采用以直流母线功率汇入最大为目标的成本函数可以有效地提高发电机输入直流侧能量,具有重要的实用价值。最后通过实验室模拟平台进行了实验测试。

面向电流源型PWM整流器的双矢量模型预测直接功率控制

电流源型脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)整流器因其网侧存在LC滤波器,系统的控制难度增加。传统直接功率控制策略下的整流器功率波形存在脉动,因模型预测控制具有卓越的动态特性以及直观的控制规律,采用模型预测直接功率控制(Model predictive direct power control,MPDPC)对传统控制策略进行改进。首先建立了三相PWM整流器的数学模型,给出了每个采样周期内的功率变化率,并推导出相邻采样周期之间的功率关系,然后给出基于单矢量的模型预测直接功率控制策略,提出了基于双矢量的模型预测直接功率控制策略,并优选出两个电流矢量,计算在一个采样周期内的作用时间,并对其进行修正。最后,在Matlab/Simulink仿真软件验证了所提控制策略的可行性和有效性。

基于分数阶滑模控制的光伏并网模型预测直接功率控制

针对外界扰动情况下的光伏并网模型预测直接功率控制(model predictive direct power control,MPDPC)系统中存在系统抖振、功率跟踪速度慢、并网电流总谐波失真率较高等问题,提出一种改进分数阶滑模电压控制器,该策略在直流侧母线电压外环采用了分数阶微积分理论.首先,构造分数阶非奇异快速终端滑模面函数,削弱系统抖振,提高系统动态性能;然后,构造分数阶双幂次指数趋近律,引入加权积分型增益和饱和函数,有效避免系统在非滑动模态阶段时切换增益的增大,提高系统控制精度;最后,设计新型分数阶电压环控制器并运用于光伏并网系统中.研究结果表明,改进后的分数阶滑模电压控制器能够满足光伏并网MPDPC系统的各项基本需求,抑制系统抖振,提高功率跟踪性能,降低并网电流总谐波失真率,有效解决可再生能源和公共电网电能转化的关键难题,对光伏并网系统高性能控制的理论研究具有重要意义.

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。

基于T型三电平整流器的改进模型预测功率控制

为解决传统模型预测功率控制(MPPC)的谐波含量高、计算量大、权重因子设计困难等问题,提出了一种改进MPPC。首先使用一种低运算量的最优扇区判断方法,再通过代价函数最小化原则来确定其作用时间。为平衡中点电位(NP-V),将矢量序列分为P型序列和N型序列,它们对NP-V的影响相反,使用一个代价函数选择下一时刻选用的矢量序列类型,从而达到动态平衡NP-V的目的,同时消除了权重因子带来的影响。为提高输出电压的动态响应速度,使用改进滑模控制(SMC)来代替传统MPPC中的PI控制对直流侧电压进行控制。最后,仿真与实验验证了所提控制策略在电网侧电流、直流输出电压、输出功率及算法运算时间方面具有有效性。

双重化PWM整流器自抗扰模型预测直接功率控制

针对车载双重化脉宽调制(pulse width modulation,PWM)整流器控制性能易受到模型不确定性和列车运行条件(输入电压、功率等级、电路参数等)变化影响的问题,提出一种基于自抗扰控制(active disturbance rejection control,ADRC)和模型预测直接功率控制(model predictive direct power control,MPDPC)的双闭环控制算法。其中,外环基于自抗扰控制理论,构建了基于误差驱动的ADRC(error-based ADRC,EADRC)控制器调节直流侧电压;内环结合基于内模原理的功率补偿方案使用两步MPDPC算法实现电流信号的控制。仿真和实验将所提自抗扰模型预测直接功率控制(ADRC-MPDPC)算法与传统基于比例积分的直接功率控制(proportional integral-based direct power control,PI-DPC)算法和PI-MPDPC方法进行对比,结果表明所提策略在系统启动、负载变化及工况切换等场景表现出更优的动态特性和鲁棒性能。

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。

不平衡电压下的DFIG模型预测直接功率控制

为提高双馈风力发电机在不平衡电网电压工况下的运行性能,提出一种扩张状态观测器与模型预测控制相结合的直接功率控制策略。首先,采用扩张状态观测器对系统中因负序分量引起的不确定项、模型误差及外部扰动等不确定因素进行参数估计。然后,结合模型预测控制理论建立双馈风力发电机模型预测直接功率控制数学模型。最后,针对不平衡电网电压下的功率振荡分量讨论功率优化补偿方案。仿真结果验证了所提方法的有效性。

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。

基于模型预测控制的全功率变速抽水蓄能与SVG功率协调控制

全功率变速抽水蓄能机组(FSC-VSPSU)通过背靠背变流器接入电网,具有功率快速可调、有功无功独立解耦的优点,在近年来得到了广泛关注。由于新能源场站具有波动性,通常配置静止无功发生器(SVG)来维持系统电压稳定。针对SVG易出现容量不足的状况,研究FSC-VSPSU与SVG功率协调控制。分析了FSC-VSPSU与SVG无功调节特性,提出了基于模型预测控制的功率协调控制策略。采用模型预测控制协调响应时间不同的FSC-VSPSU与SVG,通过电压灵敏度计算无功和电压的关系,建立以并网点电压、FSC-VSPSU电压偏差最小以及SVG无功储备最大为目标的模型预测控制(MPC)问题数学模型,求解得到FSC-VSPSU与SVG功率参考值。通过仿真验证了所提模型预测控制的可行性以及其相较于下垂控制的优越性。

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。

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。

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。

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。

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。