电机系统模型预测控制研究综述

近年来,模型预测控制(MPC)的理论和技术得到了长足发展,应用前景广阔。介绍了MPC的基本原理;简要对比分析了国内外电机系统MPC技术的研究概况。研究了有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)应用于电机驱动系统的控制方案。总结了FCS-MPC关于价值函数设计、计算量降低、矢量作用个数以及鲁棒性提高等方面的研究思路。展望了未来FCS-MPC技术需要进一步深入和拓展的研究方向。     

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。     

永磁同步电机有限集无参数模型预测控制

针对常规有参数有限集模型预测控制(FCS-MPC)在参数失配时性能下降的问题,提出一种用于永磁同步电机电流预测控制的有限集无参数模型预测控制(NMPC)。NMPC基于局部建模思想,采用集总参数模型进行预测控制,将任何影响稳态误差的因素折合在集总电势中,任何影响电流变化率的因素折合在集总动态电感中,并在线估计更新模型,从而无需任何电机参数实现预测控制。采用包含电流预测误差的代价函数推导了用于两种集总参数在线估计的自适应律。仿真和实验结果表明,集总参数模型预测精度高,在参数和工况未知或时变的情况下,NMPC仍能达到模型精确FCS-MPC的控制性能,证明了方法的有效性。     

基于滑模控制的TPESFTI驱动DFIG系统FCS-MPC

针对双馈异步风力发电机(DFIG)系统中机侧PNC型三电平逆变器的某桥臂发生故障时,提出了一种三相八开关容错逆变器(TPESFTI)控制策略,并给出了其拓扑结构和输出电压模型;考虑TPESFTI中母线电压分压不均衡等问题,研究分析直流侧电容电压不平衡的原因,给出了其相应的不平衡电压动态模型,并利用有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)中目标函数的非线性约束项来抑制母线电容分压不均衡对系统的不利影响;同时为了提高FCS-MPC策略的性能,提出了基于滑模控制的FCS-MPC策略。仿真结果表明,该方法不仅能够确保DFIG系统稳定运行,并且能对母线电容电压不平衡进行有效抑制,同时具有良好的动态性能和较强的抗负载能力,进一步验证该控制策略的可靠性和有效性。     

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EI北大核心CSCD

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。     

基于PID型代价函数的永磁同步电机模型预测电流控制

有限集模型预测控制(FCS-MPC)存在控制性能依赖于模型参数准确度的问题.为此,在永磁同步电机FCS-MPC电流控制场合,提出一种比例-积分-微分(PID)型代价函数,包括用以消除稳态电流误差的积分误差代价和具有降低电流方均根误差功能的微分误差代价.在PID型代价函数概念中,可将传统的给定跟踪型代价函数归类为比例误差代价.实验结果证明,采用PID型代价函数的FCS-MPC,能在较大参数变化范围将平均控制误差降为零,并抑制电流纹波,降低FCS-MPC对模型参数的依赖性,同时保留FCS-MPC动态响应快的优点.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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...     

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。     

柔性多状态开关模型预测协同控制策略

柔性多状态开关(FMSS)作为一种新型电力电子装置能够部分替代配电网中传统联络开关,实现潮流的不间断灵活调控,优化电压分布。探讨了三端FMSS在配电网中的几种可能接入拓扑及工作模式,建立了三端FMSS的动态数学模型,结合三端控制约束提出了三端FMSS模型预测协同控制策略。该策略具有原理清晰、实现简单、动态响应速度快等优点,避免了传统比例—积分(PI)双闭环控制策略存在的控制结构复杂、PI参数较多且整定困难的问题。基于模型预测控制对各端口UdcQ控制模式、PQ控制模式,以及Uacf控制模式进行了具体算法实现。为了验证所提方案的有效性,在MATLAB/Simulink环境下搭建了三端FMSS仿真模型,不同工况下的仿真结果验证了所提三端FMSS模型预测协同控制策略能够有效实现多端口间的协同控制,发挥FMSS的调节功能,为FMSS的配电网应用提供灵活的解决方案。     

基于模型预测的PMSM速度环PI自整定控制

与传统的矢量控制相比,有限集模型预测控制（FCS-MPC）通过算法直接得到驱动信号,省略了脉宽调制环节,且响应性能也比较优越。利用改进型FCS-MPC算法,构建只含有转速环的控制系统传递函数,针对负载变化和参数扰动的工况,分别利用传递函数的频率特性分析法和典型系统整定法设计基于速度环的PI自整定方案。经过仿真对比验证,发现在该控制方法下因负载转矩和参数变化引起转速变化的波动更小且恢复时间更短,证明了该方法的可行性和有效性。     

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。     

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。