适用于Boost三电平变换器的模型预测控制方法

相比于传统的双闭环控制,模型预测控制(MPC)具有动态响应快、无需调节PI参数以及可以增加系统状态变量约束等优点,被广泛应用于DC-DC变换器的控制中。而在大多数的研究中,一般采用的是有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)方法,但这种控制方法无法提供固定的开关频率。因此,针对Boost三电平变换器,提出了一种基于连续控制集模型预测控制(CCS-MPC)的固定开关频率控制方法,其可同时实现输出电压控制以及平衡输出侧中点电位2个控制目标,并且在评价函数中无需调节不同控制目标的权重系数,简化了控制器参数设计难度。通过MATLAB/Simulink软件和dSPACE实时仿真系统进行仿真与实验,结果都证明了理论分析的正确性。     

矢量集优化的永磁同步电机转矩预测控制

传统三相永磁同步电机有限状态集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)采用枚举法遍历所有基本电压矢量,选择最优电压矢量,用以预测下一时刻的转矩和磁链,运算量较大,限制了其实时性。针对以上问题,提出一种优化的模型预测转矩控制算法,该算法由磁链和转矩误差估算期望电压矢量,基于期望电压矢量的位置选择候选电压矢量,减少候选电压矢量的数量,从而提高了算法的实时性,并在Matlab环境下对所提优化算法进行了仿真实验。实验结果表明,该算法与传统FCS-MPC算法相比,系统具有良好控制性能的,同时将运算时间减少了42%,便于工程实现。     

基于虚拟矢量调制的T型并网变换器模型预测控制

针对传统有限集模型预测控制(FCS-MPC)开关频率不固定、寻优过程计算量大等缺点,提出了一种新型基于离散空间矢量调制的改进型模型预测控制算法,该方法通过采用由实矢量线性组合生成虚拟矢量的方式,实现了在单开关周期内输出多个实矢量和固定的开关频率;通过引入虚拟矢量调制增加了矢量控制集,有效减小了网侧电流纹波,改善了并网电流质量.给出了离散矢量调制的实现方案,并基于一台7 kW的实验样机平台进行了必要的实验验证分析.实验结果表明,与传统的FCS-MPC方法相比,所设计的虚拟矢量调制方法有效提高了网侧电流输出质量,有效抑制了网侧电流纹波并改善了系统动态响应性能.     

基于模型预测的T型并网变换器功率控制

有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)以代价函数最优为目标,遍历计算输出单一最优电压矢量,存在开关频率不固定且并网电流性能依赖较高的采样频率等缺陷。此处提出一种新型的模型预测直接功率控制方法,该方法通过直接计算出整流器开关电压矢量的最优序列作用时间,实现了传统FCS-MPC与空间电压矢量调制方案的有机结合,并应用于三电平并网T型变换器的控制中。为验证所提控制方案的有效性,构建了一台满额功率为6.5 kW的三相三电平T型变换器仿真与测试模型,给出了详细的理论分析与设计方案,仿真与实验结果表明,该方案有效减小了传统模型预测算法并网电流畸变,保证了固定开关频率控制,同时具有良好的稳态和动态性能。     

单相准Z源逆变器最优开关矢量集模型预测控制

以单相准Z源逆变器(quasi-Z-sourceinverter,q ZSI)为研究对象,以减小逆变器平均开关频率为研究目标,提出一种最优开关矢量集模型预测控制策略。首先,分析不同工作状态对q ZSI状态变量的影响,建立其离散时间模型;其次,根据所建立的离散时间模型,对准Z源网络的输入电流、输出电容电压、负载电流进行预测,结合有限控制集模型预测控制(finitecontrolsetmodelpredictivecontrol,FCS-MPC)策略,实现q ZSI系统的多变量综合协同控制;然后,分析逆变器开关时序,建立最优开关矢量集,通过选取最优开关矢量集,降低了系统的平均开关频率。相比于传统FCS-MPC,通过所提控制算法,在不影响交直流侧优化控制的前提下,降低了15%的平均开关频率。最后,通过建立实验模型验证了所提算法的有效性和正确性。     

基于功率跟踪目标函数定频模型预测控制的三相PWM整流器

传统有限控制集的模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)在一个控制周期内输出单一的开关状态,当采样频率较低时,控制精度较差,且开关频率不固定导致交流侧滤波器难以设计。针对上述问题,在传统FCS-MPC的基础上,为三相脉冲宽度调制(pulsewidth modulation,PWM)整流器提出一种基于功率跟踪目标函数的定频模型预测控制。首先基于FCS-MPC的功率跟踪目标函数最小值求解,精确计算变换器输出电压矢量的扇区,接着根据扇区确定控制周期作用的两个有效矢量和零矢量,最后利用3个矢量的功率跟踪差值计算各电压矢量的作用时间。通过仿真验证,与传统FCS-MPC相比,所提方法能实现开关频率的固定,减小功率脉动,提高整流器的输出性能。     

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。     

基于FCS-MPC的电压跟踪调制方法

提出了一种利用有限集模型预测控制(FCS-MPC)策略的电压跟踪调制新方法,不使用常规策略中的基本电压矢量,而是直接将桥臂功率器件的开关时间作为主要控制量。通过一个开关时间约束条件,将控制模型转换为约束优化问题,并在此特殊的约束下,控制模型的解满足"有限集"条件。以期望的连续电压矢量为预测模型的控制目标,电压控制误差为价值函数,该优化问题可通过FCS-MPC策略进行求解,得到电压跟踪调制结果。该跟踪调制方法的调制度可达到1,其PWM输出的总谐波畸变率显著减小。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性和正确性。     

基于AFE变换器的改进模型预测控制策略

针对有源前端(AFE)变换器电流环采用有限集模型预测控制算法(FCS-MPC),存在数字控制器计算量大,输出的电流脉动大、系统性能差等问题,本文提出了一种改进模型预测控制策略。首先通过坐标变换构建α-β坐标下有源前端(AFE)变换器的预测模型,结合电压型空间矢量变换的原理,引入扇区矢量判断法,减少最优电压矢量选择的次数。最后根据选出来的电压矢量,在一个控制周期内同时施加有效电压矢量和零电压矢量并分配相应的作用时间。该方法不但保留了传统模型预测控制(MPC)算法的快速动态响应特性,而且改善系统的稳态性能。仿真和实验结果均验证了所提的方法正确性与有效性。     

基于占空比控制的Vienna整流器模型预测控制策略

以Vienna整流器为研究对象,针对传统有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)系统中存在的稳态功率脉动较大的问题,提出一种基于占空比控制的模型预测控制(duty-cycle-control-based model predictive control, DC-MPC)策略。首先,根据功率误差最小化原则构建价值函数,通过在线评估备选矢量对价值函数的影响选择最优矢量。然后,将控制周期划分为两个区间,引入第二矢量来提高系统的稳态性能,减小功率脉动。此外,利用冗余开关状态解决了Vienna整流器中点电位波动问题。与传统模型预测控制相比,消除了权重系数整定过程,控制结构更为简单。最后,通过Vienna整流模型的仿真分析与实验测试验证所提策略的有效性。     

一种新型滑模观测器的PMSM无传感器预测控制

为了提高永磁同步电机(PMSM)无位置传感器位置检测精度,提出了一种新型滑模观测器(SMO)的无位置传感器有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)方法,用于表贴式PMSM驱动采用FCS-MPC策略解决传统矢量控制无法满足系统快速响应的问题,并能有效地避免比例积分(PI)控制器的整定困难。利用增强的正交锁相环(eQPLL)从SMO的估计反电动势获得PMSM的转子位置角和转速,并将估计出的转子位置角和转速反馈到模型预测控制(MPC)模块,实现无位置传感器控制,增强了控制器的鲁棒性实验结果表明所提控制方法在无位置传感器位置和转速检测精度的提高上是可行的。     

基于PWM整流器的改进模型预测控制策略

传统有限状态-模型预测控制(FCS-MPC)由于控制方式直接、控制性能优越而广泛应用于功率变换系统,但其在指标函数寻优时需考虑所有开关状态所对应的电压矢量,计算量较大。针对该问题,提出一种改进的MPC算法,与传统FCS-MPC方法相比,该方法无需循环寻优,预测耗时少,易于数字化实现。在两电平脉宽调制(PWM)整流器样机上的实验结果表明了所提方法的有效性和优越性。     

准Z源逆变器级联模型预测控制

针对准Z源逆变器(quasi-Z-source inverter,qZSI)有限集模型预测控制(finite control set-model predictive control,FCS-MPC)策略存在权重系数调整缺乏合适的准则、调试繁琐等问题,提出一种适用于qZSI的级联模型预测控制(sequential-model predictive control,S-MPC)策略。在S-MPC策略中,首先根据电感电流的预测值判断下一个周期是否采用直通状态。若为直通状态,则选择直通矢量作为下一周期开关状态。否则,按照电容电压和输出电流控制对象的优先级,先计算优先级高的代价函数,并选取2个电压矢量用于下一级控制对象代价函数计算,从而消除了权重系数。同时,分析不同级联顺序对控制性能的影响。实验结果表明,所提qZSI的S-MPC策略,相比传统的FCS-MPC策略,在无需设计权重系数的条件下,使各个控制对象均得到了良好的控制,同时具有输出电流谐波小、动态响应快、抗扰动能力强、参数鲁棒性强、计算量小等优点。     

LC滤波型逆变器并网电压鲁棒预测控制

近年来,模型预测控制被广泛应用于两电平电压源逆变器以实现并网控制。然而,常规有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)存在参数失配时预测精度下降的问题。为此,提出一种适用于LC滤波型逆变器并网电压鲁棒预测控制的无参数FCS-MPC方法。首先分析了参数变化对常规LC滤波型逆变器并网电压预测控制的影响。然后基于超局部建模理论建立了LC滤波型并网逆变器的二阶超局部模型,并研究了2个集总扰动的计算方法。该计算方法省去了网侧电流传感器,节约了成本,并实现了无参数预测控制。实验结果表明,与常规FCS-MPC方法相比,在参数不匹配的情况下,所提无参数FCS-MPC方法仍能达到较好的模型预测控制性能,验证了所提方法的有效性。     

CLLLC谐振变换器的分级寻优模型预测控制

针对CLLLC谐振变换器提出了一种基于分级寻优模型预测的混合控制策略。通过结合变频控制与移相控制的优点,在实现软开关的同时,能拓宽变换器的电压增益范围。该策略不仅减小了普通有限集模型预测控制(MPC)策略的计算量,还改善了PI控制存在的电压超调大和动态响应慢的问题,在稳态性能相近的情况下提升了变换器系统的动态性能。最后通过Matlab/Simulink仿真和实验证明了分级寻优MPC策略的有效性。     

基于快速矢量选择的永磁同步电机模型预测控制

有限状态集模型预测控制(FCS-MPC)由于概念简单,易于处理系统约束以及具有优秀的多变量控制能力等优点,近年来在电力电子与电力传动领域的应用吸引了学术界和工业界的广泛关注。基于最小化目标函数的原则,传统FCS-MPC通过枚举法来选择最优电压矢量。由于枚举法需要对所有基本电压矢量作用下的系统动态行为进行预测,因此算法的计算量较大,严重限制了FCS-MPC的实用性。针对这些问题,提出一种改进的模型预测控制算法。通过深入分析矢量选择过程,改进的模型预测控制算法只需一次预测即可选出最优电压矢量,因而显著地降低了算法的复杂度和计算量。在两电平永磁电机实验台上的仿真和实验结果表明所提出的改进模型预测控制算法在较宽的速度范围内均具有良好的控制性能。     

具有建模误差补偿的三相逆变器模型预测控制算法

对于三相逆变器模型预测控制系统,传统的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)算法未考虑建模误差对系统控制的影响,导致所选择的最优控制量在实施控制时已失去最优性。对此设计了一种具有建模误差补偿的三相逆变器有限控制集模型预测控制(FCS-MPCMEC)算法,该算法以前一时刻三相逆变器的建模误差补偿当前时刻三相逆变器预测模型的输出,从而实现对三相逆变器预测模型建模误差的在线补偿。通过对比实验分析了基于FCS-MPC算法及FCS-MPCMEC算法的三相逆变器在空载、带阻感性负载、带非线性负载及负载投入等工况下的控制性能。实验结果表明:在上述所有工况下,FCS-MPCMEC算法对三相逆变器的控制效果均优于传统FCS-MPC算法。     

NPC/H_5L逆变器共模电压抑制策略研究

针对中点箝位/H桥_5电平(NPC/H_5L)逆变器在基于有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)的共模电压(CMV)抑制中存在运算量大、权重因子整定困难问题,通过g,h坐标系下的逻辑开关矢量优化选择,在满足电压跳变限制条件下实现了相邻矢量的统一逻辑选取,从而避免了复杂的查表运算,并将预测运算量降低到4～7次;引入满意优化思想,通过开关损耗和CMV抑制指标的"满意"代替"最优",实现了无权重因子控制器设计;最终,实现了冗余矢量的最小CMV输出控制.通过模型仿真与DSP+FPGA实验平台,对所提策略的动态性能、总谐波畸变率与开关频率在全电流调制度范围内的分布规律及与电感电阻比、基波频率、采样频率等参数的关系进行了详细分析,仿真实验验证了所提控制策略的特点及可行性.     

基于虚拟矢量优选的FCS-MPC稳定性策略研究

为了提高并网逆变器有限集模型预测控制(FCS-MPC)方法中的稳定性问题，研究了基于Lyaponov准则的并网逆变器有限集模型预测控制大信号稳定性方法。首先建立数学模型，分析参数变化对预测误差的影响和大扰动导致的稳定性问题，接着提出采用虚拟电压矢量的Lyapunov控制器的有限集模型预测控制稳定性策略。利用Lyapunov控制器并结合考虑稳定性约束的目标函数增强系统抗扰动能力，虚拟电压矢量满足Lyapunov稳定性需求，同时改善控制性能，并设计有限集选取策略减少计算量。仿真和实验验证了所提方法在扰动及参数变化情况下控制性能和抗干扰能力。     

基于多变量校正的MMC快速有限集模型预测控制策略

有限集模型预测控制方法(finite control set model predictive control, FCS-MPC)因其能够实现多目标的控制,在模块化多电平变换器(modular multilevel converter, MMC)中得到广泛应用。随着子模块数量增加,模型预测控制方法计算量呈指数增长,面临计算复杂度高、权重因子难以整定等问题。为了解决上述问题,提出了一种基于多变量校正控制集的MMC模型预测控制策略(multi-variate adjusting set predictive control, MAS-MPC)。该策略基于输出电流与桥臂电压差对子模块投入控制集进行快速校正,通过评估两个成本函数得到最优开关矢量。此外,提出了一种基于分化中项的电容电压平衡方案,可以有效降低排序算法的复杂度。为了验证所提策略的有效性,使用Matlab/Simulink软件平台搭建了10电平的三相MMC系统,并与传统方案进行比较。所提方案在降低输出电流与环流的谐波含量的同时,大幅减少了系统的计算量,使得系统具有更快速的动态响应速度。