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。

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。

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。

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。

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。

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。

新型逆变电路有限控制集模型预测控制

针对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这一不足,建立了一种新型逆变电路更为精确的混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型,并将其作为预测模型,研究了航空新型电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)。FCS-MPC充分利用电路的离散特性,通过比较预测电压值和参考电压值的大小,将其差值作为衡量输入量的目标函数,最后选择电路控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路的控制输入,有效地解决了模型预测控制中混合整数二次规划(mixed integer quadratic programming,MIQP)问题的求解。仿真和实验验证了该控制方法具有良好动静态特性,证实了所提方法的有效性。

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。

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。

三相T型逆变器有限控制集模型预测控制策略

LCL滤波器的三相三电平并网逆变器预测控制研究较少,预测模型搭建复杂,计算量大。基于逆变器侧滤波电感三相电流搭建预测模型,可将逆变器数学模型由三阶降为一阶,并用逆变器状态函数计算得到的电流值替换电网侧电感电流传感器测试值,减少系统采样设备。在此模型基础上,首先利用有限控制集模型预测控制算法,其次对参考电压矢量空间角度做判断,使接近开关状态阈值的参考电压矢量优先参与计算,从而减少参与计算矢量(由27个减少到12个)。经Simulink仿真,结果表明此算法提高了控制系统动态响应与稳态性能。

基于简化有限集模型预测电流控制的五相PMSM统一容错控制

在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。

LC滤波型三相逆变器有限集模型预测电压控制

为了降低三相逆变电源的总谐波失真,提高动态响应能力,提出一种LC滤波型三相逆变器并设计有限集模型预测直接电压控制系统。首先,设计LC型滤波器并串接于三相逆变器输出端,以降低正弦电压的总谐波失真;接着,推导LC滤波型三相逆变器离散时间数学模型,预测逆变器系统在可能开关状态作用下的输出电压;然后,开发基于滤波电感电流和输出电压的负载电流估计策略,补偿预测模型中的未知负载电流;最后,构建成本函数作为最优开关状态选择标准。所提方法在MATLAB/Simulink中进行仿真验证,仿真结果证明了方法有效性。

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。

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。

集成型车载充电系统并网模式模型预测控制策略

相较于传统车载充电系统,集成型车载充电系统(integrated onboard charger system,IOCS)在成本、功率密度等方面具备显著优势。文中基于六相永磁电驱系统设计了一台IOCS,并研究了模型预测电流控制(model predictive current control,MPCC)算法在该系统并网模式下的应用。首先,分析所提IOCS的电路拓扑并建立数学模型,同时介绍传统MPCC的实施流程。然后,针对传统MPCC计算量大、稳态性能差等不足,提出一种基于占空比优化的MPCC(MPCC based on duty cycle optimization,DCO-MPCC)策略。一方面,减少备选电压矢量数量,降低电流预测环节带来的计算负担;另一方面,提出一种占空比优化技术,改善系统稳态性能。最后,通过实验验证了所提算法的有效性与优越性。实验结果表明,DCO-MPCC策略能够显著提升系统稳态性能并减少算法计算量。充电与车网互动(vehicle to grid,V2G)工况下,网侧电流总谐波畸变(total harmonic distortion,THD)分别降低6.18%与5.92%,算法运行时间减少17.54μs。

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。