基于预测控制的风机变流器的研究

针对目前风机发电系统中变流器常规控制方法的不足,设计了一种新型的基于电压预测控制的风机变流器。采用MATLAB SIMULINK完成了系统建模和仿真,以TMS320LF2407A DSP为控制器进行了实验分析,结果验证了方案的可行性和优越性。     

基于模型预测控制理论的风电场自动电压控制

风电场电压受风力影响容易快速波动,传统基于当前时间断面进行决策的方法易出现无功控制滞后、多种设备不协调等问题。为此,基于模型预测控制(model predictive control,MPC)理论,提出了一种旨在协调风力机和静止无功发生器(static var generator,SVG)的风电场电压控制方法。区别于传统电压控制方法,所提出方法的目标是实现未来时间窗内电压控制曲线和无功调节动态过程的优化。利用自回归滑动平均方法预测风力机的有功出力,并分别以一阶惯性环节和比例积分环节模拟风力机和SVG无功控制的动态过程,在此基础上利用灵敏度预测求解风电场内各母线(含风力机机端母线)的未来电压曲线。由此建立了以目标函数为未来时间窗内并网点电压偏移最小和SVG动态无功储备最大的优化模型,并采用对偶单纯形法求解。在基于DIgSILENT建立的风电场仿真系统上进行了仿真验证。时域仿真结果表明,所提出的方法通过预测不同设备未来一段时间的控制动态过程,能合理安排快、慢无功出力,提前响应系统中可预见变化,保证风力机机端电压安全,并维持并网点电压平稳。     

基于预测控制的三相电压型逆变器并联系统

研究了基于预测控制的三相电压型逆变器并联系统。采用开关周期平均建模法,在dq0旋转坐标系下建立了三相电压型逆变器并联系统的状态空间模型,并以此为基础构建了三相电压型逆变器并联控制系统的预测模型;选定并联系统输出电压与参考电压的差值及各逆变器输出电流之间的差值构建控制系统的优化性能指标,通过滚动优化操作,实现了三相电压型逆变器并联系统的预测控制。仿真及实验结果表明,所构建的基于预测控制的三相电压型逆变器并联系统能够在不同负载条件及逆变器投切等工况下实现系统输出电压的跟踪及负载电流的均分,同时也具有良好的鲁棒性及自适应性。     

三电平逆变器直流侧电压平衡控制方法的改进

三电平逆变器的直流侧电压平衡问题直接影响着逆变器及其电机调速系统的可靠性。为此，该文深入研究了不同电压空间矢量对直流侧电压平衡的影响，并针对交流传动系统四象限运行的要求，提出了一种基于瞬时电流检测的直流侧电容电压平衡控制方法。这种方法，可以使直流侧电容电压不受实际功率流向和功率因数高低的影响，在各种工况，特别是低电压能量回馈状态下，都能以较快的速度保持电容电压平衡。双PWM三电平异步电动机调速系统样机上的实验结果证明该方法是有效的。     

风力发电并网逆变器预测电流控制方法研究

建立了风力发电变流系统中三相电压型并网逆变器的数学模型,采用两相静止坐标系下预测电流控制的方法对其进行控制。该方法将周期内的电流误差转化为电压信号,作为电压空间矢量脉宽调制的给定,令下一周期实际电流跟踪参考电流,从而使逆变器具有快速的动态响应,实现了高功率因数,获得稳定的输出电压。仿真和实验结果验证了该方法的正确性和可行性。     

降低共模电压的三相逆变器模型预测控制策略

为了同时实现三相电压源型逆变器的控制性能优化和抑制输出共模电压,设计了一种可降低三相逆变器输出共模电压的模型预测控制(MPC)策略。在新型MPC方案中,仅使用非零电压矢量来控制负载电流以降低共模电压。同时,不同于传统方案中1个采样周期内仅使用1个最优矢量,新型MPC方案中在每个采样周期基于成本函数选择2个非零电压矢量进行输出以获取快速的瞬态响应和较好的负载电流纹波特性。使用三相逆变器实验平台开展了相关实验,实验结果表明,新型MPC控制器在不使用零电压矢量的情况下,可将共模电压限制在设定幅值内,同时具有优良的动静态控制性能。     

逆变器驱动电机系统共模电压抑制模型预测控制EI北大核心CSCD

针对传统三相电压源逆变器驱动电机系统存在较高共模电压的问题,提出了抑制共模电压的模型预测控制(SCMV-MPC)方法,只利用非零电压矢量来抑制共模电压同时控制负载电流。在SCMV-MPC方法中,每个周期内通过评价函数选出两个非零矢量,并且对两个矢量的作用时间进行优化配置,以达到负载电流和参考电流值之间误差最小的目的;而不像传统的调制方法在一个周期只选择一个包括零矢量在内的控制矢量。因此,与传统的模型预测控制方法相比,SCMV-MPC方法可以将共模电压限制在±V_(dc)/6的同时减小负载电流波动,使负载电流具有快速的瞬态响应和较好的纹波性能。仿真和实验结果验证了所提出的SCMV-MPC方法的有效性。     

三相电压型并网逆变器模型功率预测控制研究

针对三相电压型并网逆变器,采用一种模型功率预测控制策略。首先,在同步旋转d,q坐标系下建立了三相电压型逆变器瞬时功率数学模型。其次,引入预测控制目标函数对逆变器瞬时有功功率和瞬时无功功率进行在线预测,选取最优控制目标函数对逆变器在下一周期进行控制,实现了对指令有功功率和指令无功功率的快速、精确跟踪。最后,仿真和实验结果表明,采用模型预测功率控制算法使并网电流具有很好的稳态特性和较低的谐波畸变率。     

基于混合电压矢量预选的逆变器模型预测共模电压抑制方法

死区会导致常规的模型预测共模电压抑制方法出现±u_(dc)/2的电压尖峰。针对该问题,详细分析了死区对共模电压尖峰的影响,并得出了共模电压尖峰产生的原理。根据该分析结果,设计了一种基于电流扇区的新型电压矢量预选方法,以克服死区的影响。对于因电流纹波较大导致电流扇区难以准确判断的问题,进一步改进电流扇区划分方法,并最终设计了一种混合电压矢量预选方法,以完全克服死区的影响。仿真和实验结果表明,所提出的方法不仅可以完全将共模电压限制在±u_(dc)/6之内,而且可以降低电流总谐波畸变率。     

三相电压型逆变器的模型预测控制

三相电压型逆变器中常用的模型预测控制算法是电流预测控制算法,存在着大量计算,导致延时问题,为改进传统的模型预测控制算法,利用外推法推算未来参考变量,达到对其进行延时补偿并能避免受控变量出现较大纹波的效果。建立三相电压型逆变器仿真模型,分析三相电压型逆变器负载电流的输出特性。仿真表明:能够准确跟踪参考电流,解决存在的延时问题,验证了算法的有效性。     

High Performance Modified Model Predictive Control of a Voltage Source Inverter

This paper proposes a modified model predictive control (MMPC) method for a two-level voltage source inverter (VSI) by applying ‘Midpoint Euler's Approximation’ technique to achieve a high performance. Therefore, a new predictive mathematical modeling is derived and presented in this paper to predict the future behavior of the inductive load model, which is compared with the reference signal to determine the cost function of the system. In this MMPC method, all the possible switching vectors of the converter are utilized to obtain the cost functions, and the corresponding switching vector for minimum cost function is selected to actuate the power converter in the next sampling time interval. The proposed MMPC method and the traditional MPC schemes are verified in MATLAB-Simulink. The experimental validation is performed in DS1104 R&D Controller Board to justify and confirm the performance of the system. Simulation and experimental results validate the robustness of the proposed MMPC method, and improve the results compared to traditional MPC method in terms of total harmonic distortion (THD) and current reference tracking mean error.     

Improved Model Predictive Control of Three-level Voltage Source Converter

Abstract—In conventional model predictive control, 27 switching states for three-level power converters are evaluated online, and the state in which the cost function is the smallest will be applied in the next sampling period. The amount of calculation, however, is too high, and it may cause too high of a jump for the phase voltage or line voltage in the AC side of the three-level converter, which means that each switching action causes voltage variation to exceed U_dc/2. To solve these problems, an improved model predictive method is proposed in this article. The proposed method only needs a subset of all the three-level states, which is obtained by adding and subtracting two-level state groups in the current switching state, for prediction and optimization. The high jump of the AC-side voltage is effectively avoided, and computational effort is greatly reduced. In addition, reduced switching frequency is obtained. The experiments are carried out by the two methods, and the results verify the correctness and feasibility of the proposed control strategy.     

电容均压三相四开关变换器预测功率控制

三相四开关变换器直流侧分离电容电压不平衡,将降低其并网电能质量,缩短电解电容寿命。针对该问题,提出了一种直流侧分离电容电压均衡的模型预测功率控制策略。基于αβ两相静止坐标系分析电压矢量,建立功率预测模型。由于直流侧电容中点电压偏差值含有交流分量和直流分量,使用低通滤波器提取直流分量后计算功率补偿值,并计入给定功率,进行模型预测功率控制,实现直流侧分离电容电压均衡。该控制策略无需锁相环和PWM调制,易于实现。通过仿真和试验对其动、静态特性进行分析,验证了所提出控制策略的有效性和可行性。     

基于分层模型预测控制的风电场电压协调控制策略

针对弱连接并网风电场无功电压调节中电压支撑能力较弱且易受风功率波动影响的问题,提出一种基于多时间级垂直分层思想与模型预测控制(MPC)理论相结合的风电场无功电压分层协调控制策略。首先,在自适应调节层,依据风电场调节能力与并网点电压波动轨迹预测,提出一种并网点电压自适应调节策略。其次,在无功分配层,求解无功需求容量,并给出一种可考虑各机组无功调节裕度的改进比例分配策略。最后,在跟踪控制层,依据状态预测与参考、反馈信息实时修正控制误差。通过分层MPC,各层内不同时间级的预测信息可被高效利用,各层间不同时间尺度的控制亦可得到有效协调。基于PSCAD的仿真分析结果验证了所提方法的有效性。     

低压微电网逆变器频率电压协调控制

近年来,分布式发电(Distributed Generation,DG)技术发展迅猛,DG结合本地负载、储能设备等可构成微电网,微电网能够在并网模式与孤岛模式下运行。并网时,DG输出给定的功率,实现能量管理;孤岛运行时,要求DG维持微电网电压和频率稳定。因而微网中逆变器的控制尤为重要。由于传输线阻抗特性不同,本文在低压系统中应采用PV下垂控制,PV下垂控制能够实现孤岛运行时不同DG均分负载,但它是有差调节,电压和频率会存在较大的偏差。本文提出一种改进的PV下垂控制(NPV):加入电压和频率偏差的前馈调节,可实现电压和频率的二次调节。以微电网脱网运行的稳态以及暂态情况分析为例,通过PSCAD仿真以及实验,验证了NPV不但可以实现并网时的能量管理而且还实现了孤岛运行过程中电压和频率的二次调节。     

A Dual-loop Model Predictive Voltage Control/Sliding-mode Current Control for Voltage Source Inverter Operation in Smart Microgrids

Abstract

The design of a robust controller for the voltage source inverter is essential for reliable operation of distributed energy resources in future smart microgrids. The design problem is challenging in the case of autonomous operation subsequent to an islanding situation. In this article, a dual-loop controller is proposed for voltage source inverter control. The outer loop is designed for microgrid voltage and frequency regulation based on the model predictive control strategy. This outer loop generates reference inverter currents for the inner loop. The inner loop is designed using a sliding-mode control strategy, and it generates the pulse-width modulation voltage commands to regulate the inverter currents. A standard space vector algorithm is used to realize the pulse-width modulation voltage commands. Performance evaluation of the proposed controller is carried out for different loading scenarios. It is shown that the proposed dual-loop controller provides the specified performance characteristics of an islanded microgrid with different loading conditions.     

适用于风力发电矩阵式变换器的改进双电压控制策略

矩阵式变换器是风力发电系统中的一种新型电力变换器。在研究矩阵式变换器的双电压控制策略的基础上,以方便、可靠地实现控制策略为目标,提出了双电压控制策略的改进方法。改进的双电压控制策略简化了开关组合,并推导出统一的占空比计算公式,从而减少了系统计算量,方便了编程实现,提高了程序的效率和实时性。在MATLAB/Simulink仿真研究的基础上,研制了矩阵式变换器样机进行实验研究,仿真及实验结果验证了改进后控制策略的可行性和优越性。     

三电平中压风电变流器的研究

随着风电变流器向多兆瓦的发展,传统的低压风电变流器系统由于电流应力过大的问题,已不能很好地适应风电系统功率扩展的需求。深入研究了基于三电平技术的中压风电变流器的拓扑结构、主电路参数以及控制算法,研究了高压大功率IGBT的驱动技术,并完成了一台小功率的实验样机。样机基于DSP+FPGA主从处理器控制平台,对拓扑结构、关键性算法等进行了验证。实验结果证明了三电平中压风电变流器方案的可行性。     

电网电压不平衡时全功率风电并网变流器的控制策略

电网电压不平衡条件下,电压负序分量将导致直驱式永磁同步风电机组(permanent magnet synchronous generator,PMSG)全功率并网变流器的直流侧电压出现2倍电网频率的谐波,长期处于此工况下将显著影响直流侧电容的使用寿命,危及机组的稳定运行。建立了电网侧变流器的数学模型,在计及并网阻抗对有功功率影响的基础上,提出了一种以增强直流侧电压稳定性为目标的控制策略。其中,电网侧变流器正负序电流指令通过保证直流侧电容及并网电抗器之间无2倍频振荡的有功功率流得到,指令的计算无需求解复杂的高阶矩阵,也没有引入更多的变量。由直驱式永磁同步风电机组的仿真结果验证了所提出的电压控制策略的有效性。与传统的平衡控制策略相比,这种控制策略能在实现直流侧电压稳定控制的同时,使输出至电网的有功功率2倍频波动得到有效抑制,提高了该型机组不平衡电网电压条件下不间断安全稳定运行能力。