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.     

T型三电平单相逆变器有限开关状态模型预测控制方法

针对单相逆变器的特点,提出一种基于T型三电平单相逆变器有限开关状态模型预测控制方法。在静止坐标系下建立T型三电平单相逆变器基于期望电压矢量的预测模型,大大减少有限开关状态模型预测控制中预测模型的计算量。在目标函数中构造电流跟踪和T型三电平中性点电压平衡目标项,实现给定电流快速、精确跟踪以及中性点电压平衡控制。最后,建立起基于T型三电平单相逆变器实验平台,对所提的有限开关状态模型预测控制进行测试。实验结果表明:所提出模型预测方法使系统具有良好的静、动态性能。     

基于简化FCS-MPC的风电并网逆变器研究

三相风力发电并网逆变器的模型预测控制存在大量计算问题,导致控制指令的时间延迟,影响控制系统性能,严重阻碍系统应用。为克服上述难点,提出了一种在线简化有限控制集模型预测电流控制算法。该方法通过坐标变换构建αβ坐标下逆变器输出电流的预测模型,利用目标函数对逆变器输出的不同电压矢量进行评估,而无需使用脉宽调制模块。同时,结合电压空间矢量等效变换的原理,引入矢量扇区判断法,进而实现了预测控制过程的在线简化。最后,以带阻感负载三相并网逆变器为控制对象,建立了有限控制集模型预测控制仿真模型,分析了输出电流的稳态与动态性能。仿真结果验证了所提方法的有效性。     

新型三电平逆变电路设计及预测控制研究

针对航空功率三电平逆变器可靠性要求高的特点,提出一种新型三电平逆变器,该电路能实现在一定故障后保证系统两电平继续工作运行,具有系统工作可靠性高的特点。同时针对传统电路拓扑存在电容中点电位难以平衡的问题,引入中点电位控制桥臂进行独立控制。基于此,将有限集最优控制方法用于电路预测控制,提出有限控制集模型预测控制(FCS-MPC),将三电平开关控制矢量视为一个有限集,在此有限集中搜索使目标函数最优的开关矢量,保证了输出电压波形质量。仿真和实验证明了电路和控制方法的可行性与有效性。     

三相并网逆变器模型电流预测控制技术

针对三相并网逆变器的特点,在dq旋转坐标系下,提出了一种模型电流预测控制方法。在每一个采样周期,根据预测模型,对三相并网逆变器的8个电压矢量进行在线评估,使价值函数最小的电压矢量在下一个采样周期应用,实现了对d轴和q轴给定电流的快速跟踪。同时采用电网电压定向的矢量控制策略,实现d轴电流和q轴电流解耦控制,使d轴电流控制并网逆变器的有功功率,q轴电流控制并网逆变器的无功功率。实验结果表明:采用模型电流预测控制的三相并网逆变器有很好的静、动态特性。从而验证了该方案的可行性和正确性。     

有限集预测控制减少三相电压源逆变器共模漏电流方法

为了解决光伏并网发电系统漏电流问题,针对三相电压源逆变器,提出一种新型有限集模型预测控制减少逆变器共模电压的方法,即对光伏并网发电系统进行建模分析。研究发现只有非零矢量用于减少共模电压,故将非零矢量带入价值函数得到最优的矢量并在下一个周期使用。该新型有限集模型预测控制将共模电压限制于±1/6Vdc,可以减少光伏发电系统中漏电流,保证人身安全。和传统PI控制方法相比,模型预测控制可以提高电流跟踪的速度和精度。实验结果表明,该新型有限集模型预测控制能够减少共模电压和控制负载电流,具有快速的动态响应。     

多电平级联H桥逆变器的模型预测控制策略

针对多电平级联H桥三相逆变器的控制性能提高问题,设计了一种新型的模型预测控制(model predictive control,MPC)策略。MPC控制器基于预测模型对系统未来状态进行预测,然后将计算得到使所设计成本函数最小化的开关矢量进行输出。不同于传统两电平逆变器,多电平级联H桥逆变器的数学模型较为复杂,包含有大量电压矢量,导致计算负担较重。为此,通过设置和选择有效电压矢量子集,显著减少了得到最优电压矢量所需的计算量,同时不影响控制性能。搭建了五电平和九电平三相级联H桥逆变器实验平台开展了相关实验,实验结果验证了新型MPC控制器具有较优的控制性能。     

中点钳位型三电平并网逆变器有限集最优预测控制

详细推导了中点钳位型三电平并网逆变器的状态空间模型,并在此基础上提出了一种有限集最优预测(finite set optimal predictive,FSOP)控制方法。该方法将三电平并网逆变器的27个开关矢量组成一个有限集,然后在有限集中选择使罚函数最优的开关矢量,其中的罚函数是由输出电流误差、中点不平衡电压和器件开关次数组成的加权和。文中给出了FSOP控制方法的流程图,并通过仿真和实验评估了该方法的控制性能。仿真和实验结果表明:与传统方法相比,FSOP控制方法的控制目标灵活,通过调整罚函数的加权系数就可以灵活方便地优化逆变器的综合性能;FSOP控制方法避免了传统方法中控制器加调制器的级联结构,在跟踪输出电流参考信号、平衡中点电压方面具有较快的响应速度。     

三相逆变器并联系统的无互连线预测控制

对于三相逆变器并联系统,下垂控制是一种有效的控制算法,它可以确保各并联逆变器对系统负载功率的均分,并具有无互连线分布式控制的优点。而对于三相电压型逆变器,新兴的有限控制集模型预测控制算法(finite control set model predictive control,FCS-MPC)具有系统动态响应快、处理系统约束灵活等优势。将逆变器并联系统的下垂控制与三相电压型逆变器的模型预测控制结合起来,由下垂控制器提供模型预测控制器的参考电压信号,以并联逆变器输出电压对参考电压的跟踪误差构建模型预测控制器的优化性能函数,实现了三相电压型逆变器并联系统的无互连线模型预测控制。仿真及实验结果表明:所构建的无互连线模型预测控制器在三相电压型逆变器并联系统由空载投入负载、负载突变及某一并联逆变器切除等工况下均能有效运行,且与传统的逆变器并联系统三环控制器相比,显著地改善了三相逆变器并联系统的均流性能。     

快速矢量选择的三矢量PWM整流器模型预测低频控制

传统有限矢量集的模型预测控制(finite control set model predictive control，FCS-MPC)存在计算量大、开关频率不固定以及采样频率低时控制精度差的问题。针对这一问题，为两电平三相整流器提出一种快速矢量选择的三矢量模型预测低频控制。以无差拍控制原则得到了整流器的电压参考矢量，简化了预测过程；由功率跟踪控制的指标函数推导得到电压跟踪控制的指标函数；最后，根据扇区确定控制周期作用的2个有效矢量和零矢量，由电压跟踪控制函数得到了3个矢量的作用时间。通过仿真验证可知，与传统FCS-MPC相比，所提方法能够快速选择电压矢量，实现开关频率的固定，减小功率脉动并降低开关频率。     

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。     

三相四开关容错逆变器的PMSM驱动系统FCS-MPC策略

针对三相四开关容错逆变器的永磁同步电机(PMSM)驱动系统,基于模型参考自适应(MRAS)观测器,提出一种有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略。考虑温度变化对永磁磁链影响,采用MRAS技术,实现了对永磁磁链的在线辨识;同时考虑降低逆变器开关频率的需求,设计开关频率可优化的FCS-MPC系统目标函数。与常规FCS-MPC方法比较,本方法可以有效减小系统控制过程的计算量,与此同时,本方法中的电流反馈特性可对四开关逆变器直流母线电容分压不平衡形成的不利影响实现自动抑制。仿真结果表明,本方法能够保证四开关容错逆变器驱动的PMSM系统持续稳定运行、具有良好运行性能,并能明显降低逆变器功率管的开关频率。     

A Simplified Model Predictive Control of Four-Leg Two-Level Inverter

Abstract

This article proposes current control strategy for four-leg two-level voltage source inverters (VSI). This strategy is based on model predictive control (MPC) approach and presents its comparison with finite control set (FCS) model technique. Besides providing a fast dynamic response, proposed technique replaces complex modulation stage and PI controller being used in earlier classical control techniques. Moreover, the proposed methodology selects the switching sequence which reduces tracking error between output and applied reference currents using cost function optimization. This shows the improvement of system response like FCS model technique. However, FCS model technique results in calculation stress and computation burden; resulting computational delay and extra power consumption by the processor. This problem is solved with the help of proposed single predictive technique which makes the inverter more suitable for large time horizon operations and small sampling time instants. The computational delay is reduced up to 6% compared to the case of FCS-MPC controlled inverter. Performance of proposed simplified technique is analyzed and compared with FCS-MPC controlled system with the help of different types of reference signals. This work will boost the industrial application of four-leg two-level VSI by increasing dynamic response and removing complex modulation stage.     

三相光伏并网逆变器多目标优化模型预测控制

三相电压型并网逆变器广泛用于光伏发电领域。逆变控制方法用于提高并网系统效率和响应质量。模型预测控制策略使用离散时间模型预测下一个采样周期所有可能的输出值,根据评估函数选取最优电压向量。将模型预测控制用于三相电压型并网逆变器中。首先,建立三相光伏逆变器在d-q坐标系下的瞬时功率数学模型。其次,设计预测函数在线预测逆变并网参数。选择合适的目标函数控制逆变器下一采样周期的输出值。d-q坐标系下的跟踪精确迅速,所提出的控制策略计算量小,无需PWM调制,更容易实现。然后,对模型预测控制进行多目标优化。设计电流解耦控制减小系统输出有功功率,改变评估函数提高输出电流质量,修正交流侧电压参数提高预测的准确性。最后,仿真和实验结果证明提出的控制策略输出电流具有良好的动态性能和较低的谐波畸变率,可快速跟踪给定的参考值,具有无功补偿的功能。     

三电平逆变器的改进无模型预测电流控制

针对传统模型预测控制对系统模型的依赖性强、鲁棒性差的问题,提出一种应用于三相三电平中性点箝位型(NPC)逆变器的改进无模型预测电流控制方法。该方法利用当前时刻检测的负载电流和上一次计算的电流差分矢量预测下一时刻的输出电流值,其无需任何系统模型参数;通过引入计数因子,及时更新电流差分,并在下一控制周期内应用所选择的使给定代价函数最小的逆变器开关状态,有效地控制负载电流。该算法在一个采样间隔内只需对负载电流进行一次采样,但其运算量大,对系统处理器要求较高。仿真和实验结果表明:所提控制策略具有良好的稳态特性和动态响应速度,且能消除负载参数变化对控制系统稳定性的影响。     

三相并网逆变器事件触发有限集模型预测控制

针对三相并网逆变器采用有限控制集模型预测控制FCS-MPC(finite control set model predictive control)时计算量大的问题,研究了一种事件触发有限控制集模型预测控制ET-FCS-MPC(event-triggered finite control set model predi...     

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。     

High performance decoupled active and reactive power control for three-phase grid-tied inverters using model predictive control

Finite control set-model predictive control (FCS-MPC) is employed in this paper to control the operation of a three-phase grid-connected string inverter based on a direct PQ control scheme. The main objective is to achieve high-performance decoupled control of the active and reactive powers injected to the grid from distributed energy resources (DER). The FCS-MPC scheme instantaneously searches for and applies the optimum inverter switching state that can achieve certain goals, such as minimum deviation between reference and actual power; so that both power components (P and Q) are well controlled to their reference values. In addition, an effective method to attenuate undesired cross coupling between the P and Q control loops, which occurs only during transient operation, is investigated. The proposed method is based on the variation of the weight factors of the terms of the FCS-MPC cost function, so a higher weight factor is assigned to the cost function term that is exposed to greater disturbance. Empirical formulae of optimum weight factors as functions of the reference active and reactive power signals are proposed and mathematically derived. The investigated FCS-MPC control scheme is incorporated with the LVRT function to support the grid voltage in fulfilling and accomplishing the up-to-date grid codes. The LVRT algorithm is based on a modification of the references of active and reactive powers as functions of the instantaneous grid voltage such that suitable values of P and Q are injected to the grid during voltage sag. The performance of the elaborated FCS-MPC PQ scheme is studied under various operating scenarios, including steady-state and transient conditions. Results demonstrate the validity and effectiveness of the proposed scheme with regard to the achievement of high-performance operation and quick response of grid-tied inverters during normal and fault modes.     

基于滑模观测器的LCL型并网逆变器鲁棒预测控制研究

针对常规LCL型并网逆变器的有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）参数鲁棒性差的问题,提出一种基于滑模观测器的LCL型并网逆变器鲁棒预测控制方法。首先,分析了参数变化对常规LCL型并网逆变器电网电流预测控制的影响;然后,根据超局部建模理论建立LCL型并网逆变器的一阶超局部模型,使用滑模观测器对系统的集总扰动进行估计,提高系统控制的动态性能,实现并网电流的鲁棒预测控制;最后,通过搭建Typhoon602+仿真器和PE-Expert4控制器实验平台验证了所提方法的有效性。     

三相LCL并网逆变器无参数滑模预测控制策略

常规三相LCL并网逆变器模型预测电流控制方法存在计算量大、参数鲁棒性差等缺点。为了解决这些问题,提出了一种三相LCL并网逆变器无参数滑模预测电流控制方法。该方法利用滑模控制理论,建立了一种新型无参数电流控制价值函数,无需采用模型参数即可实现并网电流预测控制,从而简化了控制系统的预测过程。此外,该方法省去了逆变器侧电流传感器和电容电压传感器,节约了硬件成本,提高了系统运行可靠性。最后,根据常规模型预测电流控制和滑模预测电流控制的优点,提出了一种三相并网逆变器自适应预测控制方法,提高了并网逆变器控制对模型参数失准的适应能力。实验结果表明,在系统参数失准的情况下,所提出的控制策略具有更小的并网电流控制误差,有效地提高了系统参数鲁棒性。