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。

Low-complexity model predictive control of a four-level active neutral point clamped inverter without weighting factors

The four-level active neutral point clamped(ANPC)inverter has become increasingly widely used in the renewable energy indus-try since it offers one more voltage level without increasing the total number of active switches compared to the three-level ANPC inverter.The model predictive current control(MPCC)is a promising control method for multi-level inverters.However,the conven-tional MPCC suffers from high computational complexity and tedious weighting factor tuning in multi-level inverter applications.A low-complexity MPCC without weighting factors for a four-level ANPC inverter is proposed in this paper.The computational burden and voltage vector candidate set are reduced according to the relationship between voltage vector and neutral point voltage balance.The proposed MPCC shows excellent steady-state and dynamics performances while ensuring the neutral point voltage balancing.The efficacy of the proposed MPCC is verified by simulation and experimental results.

基于改进LGWO的关节电机滑模预测电流控制

永磁同步电机(PMSM)驱动的外骨骼关节伺服系统的动态性能直接受到控制器参数的影响,为了避免参数调节的反复试凑,提出了改进嵌入莱维飞行的灰狼优化算法(LGWO)对滑模预测电流控制器中的参数进行整定。在灰狼种群数目中设置自适应因子,根据问题复杂度自适应调节种群大小,提高计算效率。为避免出现早熟现象,引入佳点集理论对搜索空间进行初始化,进而提升全局搜索能力。同时在算法收敛过程中引入非线性收敛因子,提高算法寻优能力。最后,通过仿真实验验证了所改进算法的有效性。

基于长短期记忆网络的短路电流过零点预测方法

短路电流快速相控开断的关键与难点在于解决故障辨识和零点预测快速性与精准性之间的固有矛盾。为此,研究并提出一种基于长短期记忆网络(long short term memory,LSTM)算法的短路电流零点快速预测方法。搭建了相控装置试验平台,通过实时数字仿真(real time digital simulation system,RTDS)试验及短路故障录波试验对LSTM算法的电流预测能力进行了验证;研究并讨论了LSTM网络隐藏层节点数、采样窗口长度、故障起始相角、工频分量幅值、直流衰减时间常数以及信噪比等因素对零点预测误差的影响。仿真与试验结果表明,故障识别时间为0.3 ms,零点预测采样时间为3 ms,零点预测误差为±0.5 ms,LSTM方法能在保证预测精度与传统方法相当的条件下,显著缩短预测时间,提升预测快速性,为系统故障的快速开断提供理论依据和技术支撑。

Adaptive perturb and observe maximum power point tracking with current predictive and decoupled power control for gridconnected photovoltaic inverters

In order to improve maximum power point tracking(MPPT) performance, a variable and adaptive perturb and observe(P&O)method with current predictive control is proposed. This is applied in three-phase threelevel neutral-point clamped(NPC) photovoltaic(PV)generation systems. To control the active power and the reactive power independently,the decoupled power control combined with a space vector modulation block is adopted for three-phase NPC inverters in PV generation systems.To balance the neutral-point voltage of the three-phase NPC grid-connected inverter, a proportional and integral control is used by adj usting the dwell time of small voltage vectors. A three-phase NPC inverter rated at 12 kVA was established. The performance of the proposed method was tested and compared with the fixed perturbation MPPT algorithm under different conditions. Experimental results confirm the feasibility and advantages of the proposed method.

不平衡电网下并网逆变器多目标模型预测功率控制

针对并网逆变器在电网电压不平衡故障时电网电流畸变过大、功率脉动大、直流侧电压不稳定等问题,提出一种多目标模型预测功率控制(Multi-objective model predictive power control,MOMPPC)降低电流总谐波失真,消除有功/无功功率振荡及平衡网侧电流。首先对不平衡电网时瞬时功率进行详细分析,得出瞬时有功/无功功率;然后通过调节有功/无功功率基准,改变基准系数矩阵,实现三个灵活控制目标;为避免逆变器切换频繁,优化设计成本函数,增加开关切换次数、直流侧中点电压加权函数,有效降低直流电压脉动。Matlab/Simulink仿真及3.8 kW样机试验对比显示MOMPPC能实现三种目标的灵活控制,传统模型预测功率控制(Modelpredictivepowercontrol,MPPC)与所提MOMPPC控制策略网侧电流谐波THD分别为4.8%、3.7%,结果表明MOMPPC策略的有效性。

两种故障电流相控开断电流零点预测算法对比

目标电流零点的快速预测是实现故障电流相控分断技术的一个关键难题。针对目前最主要的两种电流零点快速预测算法——安全点法和自适应算法,展开了理论与仿真研究,通过建立单相系统短路故障电流的数学模型,分析对比两种算法的适应性。分析表明,对于不含谐波的故障电流模型,自适应算法的误差相对较小,精度较高;对于含有谐波的故障电流模型,安全点算法简单、可靠、容易实现,能够较好地预测波形。两种算法目前都只适用于单相故障系统。

应用气象数值预报技术提高输电线路动态载流量能力

针对在安全条件下输电线路的最大载流量计算问题,提出一种基于气象数值网格点预报产品的输电线路最大载流量预测值计算方法。该方法首先使用中尺度WRF（weather research and forecasting model）模式输出的气象数值预报网格点映射长距离输电线路计算基准点的1~36 h环境预报值,然后利用输电线路热平衡方程计算线路计算基准点最大载流量预测值,并推出整条线路最大载流量预测值,实现了长距离输电线路1-36 h最大载流量预测值的计算。计算结果表明,在完全满足输电线路安全条件下,使用该方法调度的输电线路载流容量将比日常调度载流容量有大幅度提高,即使是在全年最高峰的负载条件下,该方法也有30%左右的优化空间,有效解决了输电线路安全增容、电网优化调度策略等难题。该方法同时具有预测时间粒度小、预见期长、可适用跨区域大范围电网等特点。

一种电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法

针对定步长扰动观察法存在的不足(扰动步长过小,外部条件变化较快无法快速跟踪;扰动步长过大,在最大功率点功率振荡比较大),为了提高电流快速跟踪能力,提出一种基于电流预测控制的自适应变步长最大功率跟踪方法。该方法结合自适应变步长控制器和电流预测控制器各自优点,将此方法应用于中点钳位型三相三电平光伏发电系统。建立起10 kW三相三电平光伏发电系统实验平台,并与传统最大功率跟踪方法进行对比实验。实验结果表明:所提出的最大功率跟踪方法使系统具有很好的静、动态性能。

基于改进半波傅氏算法的故障电流相控开断零点预测研究

准确、快速地提取出故障电流的特征参数,预测出短路电流的零点,是实现相控开断需要首先解决的核心问题。笔者采用改进的半波傅氏算法,利用半个周波加上2个采样点的数据,通过2次数据处理窗口的移动,提取出短路故障电流衰减直流分量的初值、时间常数、基波及三次谐波的幅值和相位,实现故障电流的零点预测。计算及MATLAB仿真均表明,算法能够快速准确地实现电流零点预测,预测零点与实际过零点之间的误差在±1 ms以内。

三电平有源电力滤波器谐波电流及中点电位平衡控制

针对三电平有源电力滤波器,在建立其小信号数学模型的基础上,提出一种考虑输出补偿电流的改进型预测电流跟踪控制策略。同时,为控制三电平直流侧中点电位不平衡,提出一种基于平衡因子的中点电位平衡控制策略。为验证所提控制策略的正确性,搭建了三电平有源电力滤波器实验平台,实验结果验证了改进型预测电流和中点电位平衡控制策略的有效性与可行性。

Vienna整流器模型预测电流控制优化方案研究

针对Vienna整流器固有的中点电位波动问题,提出了一种基于冗余短矢量预判的模型预测电流控制MPCC(model predictive current control)方法。该方法可有效消除权重系数,进而解决MPCC权重系数调节困难的问题。首先,分析了Vienna整流器的运行机理,并构建了其在稳态条件下基于同步旋转坐标系的数学模型。其次,详细分析了Vienna整流器直流侧电容中点电位波动的原因,并提出了抑制中点电位波动的方案。进一步,为了减小控制器计算负担,研究了MPCC的优化方案。最后,仿真及实验结果证明了所提控制方法的有效性与可行性。

异步电机模型预测三电平直接电流控制

三电平逆变器为控制系统提供了更多的电压矢量,相对于传统两电平逆变器能够使得直接电流跟踪控制变得更加精确,能进一步减小电流纹波。但是三电平逆变器存在中点电压平衡问题,如果不对中点电压进行控制会使得电机无法正常工作,同时在大容量三电平逆变器中一般需要其降低开关频率。因此,提出一种具有中点电压平衡和降低开关频率功能的模型预测直接电流控制方案:通过对中点电压进行预测控制,在模型预测直接电流控制的价值函数中加入开关切换次数的约束,能将中点电压有效控制在给定的范围内,并同时实现逆变器开关频率的降低;针对控制延时导致定子电流在参考值附近振荡并增加电流纹波和转矩脉动,采用延时补偿提高控制系统性能。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性和可行性。

330kV开关型零损耗故障限流装置的研制及人工短路试验

装设故障限流装置是解决日益严重电网短路电流超标问题的有效技术措施之一,利用智能快速开关技术、短路电流过零点快速预测及精确相控开断技术研制一套330 k V开关型零损耗电网故障限流装置。该装置采用模块化设计方法,使正常运行时损耗为零,且短路故障发生20 ms内,则可将80 k A及以下的短路电流限制在系统断路器的安全开断水平,从而实现任意深度的故障限流;装置成功用在330 k V线路上,通过带电、挂网运行和2次人工单相瞬时短路试验,验证装置满足安全性、有效性和可靠性的要求,同时结构简单合理,成本低廉且占地面积小。

断路器同步分断短路电流零点预测方法研究

断路器同步分断可以有效地提高断路器分断能力和减小触头电弧磨损,是智能电器领域的发展方向之一。为实现断路器同步分断,需要对实测短路电流进行波形分解和重建,以预测短路电流过零点。该文对目前应用较广的最小二乘参数辨识和改进快速傅里叶变换两种零点预测算法进行了理论分析,建立了单相短路电流仿真模型,给含有直流衰减分量和谐波分量的短路电流信号添加不同信噪比的高斯白噪声,对含有噪声的信号进行了量化处理,模拟电网频率波动,得到了同步采样和非同步采样下短路电流离散时间序列,分别用两种算法对短路电流过零点进行了预测。此外,搭建了短路电流实测平台,对实测短路电流进行了波形分析和零点预测。对理论和实测短路电流进行零点预测的结果表明:理想状态下改进快速傅里叶算法的预测精度优于最小二乘参数辨识,但对数字化测量系统的信噪比、模数转换的有效位数和电网频率的稳定性等要求较高;最小二乘参数辨识算法对噪声和扰动等的耐受能力高于改进快速傅里叶算法。

一种优化的永磁同步电机电流迭代控制算法

针对永磁同步电机(PMSM)损耗受电流影响较大的问题,鲜有文献阐述如何在满足电机转矩需求和调速需求前提下实现电流最优。提出了一种优化的PMSM电流迭代控制算法。通过该算法在给定转矩和转速下进行最优目标工作点的选取,对非线性的特性曲线运用迭代法进行数值求解,计算量较小且能求取出最优的定子电流。同时与设计的模型预测控制器(MPC)相结合,优化PMSM的电流预测值和控制实际输出值。仿真和实验结果表明,该优化的PMSM电流迭代控制算法相比传统方式能进一步减小电机损耗,并且提高电流控制的稳定性和精确性。

矩阵变换器开关切换点优化预测电流控制策略

传统矩阵变换器(matrix converter,MC)模型预测电流控制策略在线寻优计算量大,适当降低采样频率有助于缓解计算压力,但会造成变换器电源侧、输出侧电流谐波大的问题。对此,该文引入开关状态切换点自由度,依据最优开关状态在最佳时刻切换的思想,提出矩阵变换器开关切换点优化预测电流控制策略。实验结果表明,所提策略与传统预测电流控制策略相比,能够有效降低矩阵变换器输出侧和电源侧电流波形中的谐波,提高矩阵变换器的电能变换质量。

高比例新能源和电动汽车接入背靠背并联系统优化控制

柔性开关设备作为一种新型配网设备,将极大提高配电网的灵活可控性,从而降低高比例新能源和电动汽车接入带来的影响。考虑到设备容量及效率,背靠背系统的并联技术成为一种理想方案,但是系统之间的环流成为亟待解决的问题。为此,提出一种低通信预测控制方法实现系统之间的环流抑制。首先,考虑到新能源和电动汽车间歇性运行特点,采用柔性并联运行技术。其次,建立低通信多机柔性开关设备并联模型,并设计环流最小为目标函数。最后,求解环流最小的零序电压矢量,通过实时调节矢量作用时间抑制环流。仿真和实验验证了低通信预测控制方法能够在不同工况下实现环流的高效抑制。

5L-ANPC逆变器输出谐波优化策略研究

为了提高五电平有源中点箝位(5L-ANPC)逆变器的电流谐波质量,提出一种基于模型预测控制的电流纹波优化算法。首先,根据5L-ANPC逆变器原理给出了输出电流纹波模型;然后,在考虑中点电位和悬浮电容电压控制的情况下,结合逆变器功率器件开关动作次数建立了基于模型预测控制的电流纹波优化控制模型,进而根据价值函数最小原则确定开关状态的输出序列,降低了输出电流谐波畸变率。最后,通过仿真和实时仿真实验验证了所提电流纹波优化策略的有效性和正确性。

三电平光伏并网发电系统漏电流抑制研究

针对非隔离三电平光伏发电系统存在漏电流和中点平衡问题,提出一种有限集模型预测控制方法,实现光伏并网逆变器的正常并网运行。采用2个中矢量和1个零矢量实现漏电流抑制,与传统方法相比,该方法漏电流最低。三电平升压控制器实现中点电位平衡和直流侧电压控制;三电平光伏并网逆变器实现并网电流快速跟踪控制。仿真验证了所提控制算法具有快速的跟踪性能、直流侧电容电压平衡控制和漏电流抑制。