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。     

T型三电平并网逆变器有限集模型预测控制快速寻优方法

三电平变流器控制系统采用有限集模型预测控制(FCS-MPC),滚动优化需要遍历所有开关状态,针对其导致处理器运算量增加、处理时间长的问题,提出一种T型三电平并网逆变器优化计算量的FCS-MPC方法.通过构建基于电压预测的单目标代价函数,避免设计权重系数问题,减化单次寻优的步骤;根据直流母线电位分布选择冗余小矢量,实现中点电位平衡,使每个控制周期的预测次数减小至3次,提高寻优效率.有限控制集在预测过程中将所包含矢量的加权误差二次方最小作为依据划分,并利用矢量角补偿系统延迟,提高预测精度,使并网电流质量得到改善.搭建基于RT-Lab的功率硬件在环仿真系统和物理装置验证所提控制策略,实验结果验证了所提理论分析的正确性和控制策略的有效性.     

基于MMC的优化模型预测控制研究

首先推导了有限控制集模型预测控制(FCS-MPC),然而该方法在子模块数量较多情况下仍存在运算量较大的问题。在此基础上提出基于模块化多电平变换器(MMC)的优化MPC,该方法采用60°坐标系转换思想,将预测电流改为预测电压,对于任意子模块个数的MMC,都只需进行3次价值函数计算,能大大减少运算量,有效缩短预测和寻优时长。最后在MMC实验样机上进行验证,证明了所提基于MMC的优化MPC策略的正确性。     

高效能同步磁阻电机数据驱动型模型预测控制方法

结合电力电子系统有限开关状态特性，近年来有限状态集模型预测控制(FCS-MPC)利用被控对象离散预测模型在同步磁阻电机(SynRM)能效提升系统中得到广泛应用。然而，FCS-MPC建模过程严重依赖电机数学模型，电机参数精确性会直接影响系统控制效果。为解决上述问题，提出一种数据驱动型模型预测控制(DD-MPC)方法。该方法不利用任何电机数学模型信息，仅基于电机运行时的输入输出数据关系，通过对数据的处理分析实现“边建模、边控制”。此外，为保证DD-MPC系统的收敛性和稳定性，设计了一种DD-MPC输入输出数据关系的高更新率实现方法，利用最近输出的三电压矢量对应电流变化信息，推演并更新全局电压矢量对应电流变化关系。最后，基于25 kW样机对DD-MPC控制效果进行测试与分析。与传统FCS-MPC方法对比，所提方法在保留FCS-MPC快速性和灵活性等优势的基础上，可有效提升系统的鲁棒性和稳定性。     

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.     

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。     

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。     

多电平变换器连续集模型预测控制研究

为解决有限集模型预测控制(FCS-MPC)下变换器输出波形频谱发散、纹波过大的问题,在此提出一种基于矢量分析的连续集模型预测控制(CCS-MPC)策略。该策略采用通过多个基本状态矢量实时合成目标矢量的方式,实现了四开关状态变换器的无差拍控制。同时由于单周期内各矢量作用时间可通过几何方法简便求得,因此该策略便于现有微处理的实现。与FCS-MPC相比,新型CCS-MPC策略能够在不显著增加计算负担的前提下获得优异的频谱特性。该策略在100 kHz氮化镓(GaN)三电平飞跨电容(FC)变换器上进行了实验验证。实验结果显示,与FCS-MPC相比,新型CCS-MPC下变换器的电感电流总谐波失真(THD)降低了60%以上。     

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。     

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。     

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。     

基于动态事件触发的Vienna整流器模型预测控制

为了解决直流充电系统中应用于Vienna整流器的有限控制集-模型预测控制(FCS-MPC)方法占用过多计算资源、影响系统性能的问题,该文提出一种结合动态事件触发规则的模型预测控制(DET-MPC)策略.该方法实时检测系统数据并计算状态误差,只有当系统状态满足事件触发条件时,才更新系统采样数据并进行下一步的模型预测控制计...     

基于开关状态函数计算的改进模型预测控制

传统有限状态模型预测控制(FCS-MPC)利用枚举法选择最优电压矢量,数字控制器运算量大,有学者提出简化的MPC方法,在保持控制系统动稳态性能的同时降低数字计算复杂度,但这些方法均存在采样频率高、稳态功率误差大等缺点。在分析三相AC-DC变换器离散预测模型的基础上,提出一种基于开关状态函数直接计算的模型预测控制方法,以同步坐标系下功率的负共轭为控制变量,根据功率控制误差矢量的长度和所处的扇区,直接计算出各相开关状态函数,经过调制过程完成系统功率的精确跟踪控制。该方法不但保留了传统模型预测控制快速动态响应特性,而且实现了功率跟踪误差最小化。仿真和实验结果均证明了所提方法的有效性和正确性。     

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。     

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。     

基于虚拟磁链定向的NPC三电平逆变器有限控制集模型预测控制

针对传统的NPC三电平逆变器有限控制集模型预测控制(FiniteControlSetModelPredictive Control,FCS-MPC)存在计算量大、du/dt高等问题,提出了一种改进的FCS-MPC策略。通过添加开关跳变等约束条件,计算量减至传统FCS-MPC的1/3,同时降低了du/dt;以电压预测代替电流预测,进一步降低了算法的计算量。此外,给出了一种改进的电网虚拟磁链观测模型。根据逆变器αβ坐标系下的离散数学模型估算出电网电压,而后采用一阶低通滤波器计算电网虚拟磁链,减小了虚拟磁链的波动。仿真结果验证了所提出的虚拟磁链观测方法的有效性和NPC三电平逆变器FCS-MPC策略良好的动静态特性。     

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。     

无差拍优化T型三电平APF模型预测电流控制

为实现T型三电平有源电力滤波器(APF)的高性能电流跟踪控制及其鲁棒性,提出了一种无差拍优化有限集模型预测控制(FCS-MPC)算法,并设计了滤波电感在线观测器。首先,为降低滚动优化过程的运算量,提出了一种基于谐波电流无差拍预测的电压矢量控制集简化方法,减少了每个控制周期内迭代计算的次数。然后,为降低电感参数失配对FCS-MPC算法性能的影响,设计了一种电感观测器完成参数的在线修正。最后,通过仿真对所提算法完成验证。仿真结果表明,所提算法不仅保持了传统FCS-MPC优越的动静态响应性能,同时显著减少了数字实现的运算量,提升了参数失配时控制系统的鲁棒性。     

车用永磁同步电机FCS-MPC方法研究

有限集模型预测控制(FCS-MPC)方法可克服传统车用永磁同步电机(PMSM)矢量控制比例积分(PI)参数整定繁琐的缺点。选择较小的控制周期以获取良好的控制效果,易引起高开关频率问题,为此,提出PMSM的FCS-MPC方法,基于历史开关矢量,从解序列中遍历出下一时刻开关矢量的最优解,优化了开关频率;对矢量开关集进行精简;采用最大转矩电流比(MTPA)控制,电流预测误差对电流参考值反馈校正。仿真和试验表明,FCS-MPC降低了逆变器开关频率并优化其分布;系统对负载的响应迅速,可准确跟踪转矩需求且转矩波动小。