CN105391271A - 应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法。本发明以传统有限集模型预测控制为基础，以开关器件开关次数最少为原则，期望相邻采样时刻电力电子系统开关函数至多只有一个数值发生变化，根据这个原则确定当前采样时刻期望出现的开关函数集合作为控制集；在当前采样时刻按计算的时间先后作用上一采样时刻最优开关函数和当前采样时刻最优开关函数。本发明公布的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法在保留传统有限集模型预测控制优点的同时，算法精简快速，开关损耗低等显著优点。

Description

应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流和智能控制技术领域，尤其涉及应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，电力电子系统在生产和生活中起到不可替代的作用，但电力电子变换器大量的使用造成了的谐波污染和能量损耗，这些突出的问题日益成为整个电力电子领域关注的重点。其中电力电子系统中的控制技术直接影响变换器的性能，也直接影响着谐波和电能损耗，所以电力电子控制技术是当前研究的一个热点。

电力电子系统目前常见的控制策略有：滞环比较控制、模型预测控制、电流预测控制、前馈解耦控制、直接功率控制等，但是这些控制目前仍有不足之处：简单的滞环比较控制输入电流纹波依然较大，控制性能和开关频率受环宽的影响较大；而前馈解耦控制为线性控制，需要一些参数的设定，还需要增加SVPWM或SPWM环节，算法复杂；电流预测控制受系统运行参数变化影响较大，很容易失控；直接功率控制要依靠开关表，容易与实际运行产生脱节导致性能变坏；传统有限集模型预测控制虽然动态响应比较快，但算法在线计算量大造成延时影响控制效果，另外需要较高的开关频率才能有较好的控制效果，开关损耗大。

发明内容

针对现有控制策略的不足，本发明目的在于提供应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法。该方法以传统有限集模型预测控制(FiniteControlSetModelPredictiveControl，FCS-MPC)为基础，以开关器件开关次数最少为原则，期望相邻采样时刻电力电子系统开关函数至多只有一个数值发生变化；根据这个原则和上一采样时刻的最优开关函数，可以找出当前采样时刻期望的所有开关函数；根据系统预测模型和上述期望的开关函数分别预测下一采样时刻的输出，无需预测期望之外的开关函数对应的输出，从而精简运算过程；通过遍历法在上述所有的预测结果中找出使得目标函数最优的值对应的最优开关函数，寻优范围大大缩小，缩短算法执行时间；在当前采样时刻内先后作用上一采样时刻最优开关函数和找出的当前采样时刻最优开关函数，按计算出的时间分别作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法，主要步骤如下：

(S1)根据电力电子变换器的特性确定状态变量x(k)并列出状态方程；找出所有可能的开关状态定义开关函数S(j)，其中j＝1:M，M为变换器所有可能出现的开关函数总数；并明确开关函数S(j)与控制量U(k)的关系；

(S2)测量电力电子变换器的状态变量、输出量和可测干扰量；

(S3)根据开关器件开关次数最少的原则，期望相邻采样时刻电力电子变换器的开关函数至多只有一个数值发生变化；根据上一采样时刻的最优开关函数S(k-1)_opt，找出当前采样时刻期望的所有开关函数S(k)_i的集合作为控制集，其中i＝1:N，N为期望开关函数的总数，N<M；根据开关函数S与控制量U(k)的关系找出期望的所有控制量U(k)_i，其中i＝1:N；定义k-1时刻为上一采样时刻，k时刻为当前采样时刻，k+1为下一采样时刻；

(S4)设系统采样周期为Ts，将(S1)中的状态方程改写为离散形成，根据(S2)所述的测量量和(S3)的期望的所有控制量U(k)_i预测下一采样时刻的状态变量x(k+1)_i，其中i＝1:N；

(S5)根据电力电子变换器的工作特性和控制要求定义目标函数J，将(S4)预测的x(k+1)_i与参考值x(k+1)^*通过遍历法求出U(k)_opt，得到对应的S(k)_opt；

(S6)由S(k-1)_opt对应的U(k-1)_opt、(S5)求出的U(k)_opt和目标函数J算出U(k)_opt的作用时间t_opt；

(S7)在当前采样时刻将U(k-1)_opt和U(k)_opt先后作用到电力电子变换器，在采样周期的0至T_s-t_opt时间段首先作用S(k-1)_opt，在T_s-t_opt至T_s时间段作用S(k)_opt。

所述步骤(S2)中，根据实际运行环境和控制需求测量电力电子变换器的状态变量、输出量和可测干扰量。

所述步骤(S3)中，根据开关器件开关次数最少的原则，期望相邻采样时刻电力电子变换器的开关函数至多只有一个数值发生变化。根据上一采样时刻的最优开关函数S(k-1)_opt,确定当前采样时刻期望的出现的所有开关函数S(k)_i的集合作为控制集，其中i＝1:N，N为期望开关函数的总数，N<M；根据开关函数S与控制量U(k)的关系找出期望的所有控制量U(k)_i(i＝1:N)，由于N<M，将控制集合缩小，减轻了控制运算负担。

所述步骤(S4)中，设系统采样周期为Ts，将(S1)中的状态方程改写为离散形成，根据(S2)的测量量和(S3)的期望的所有控制量U(k)_i预测下一采样时刻的状态变量x(k+1)_i，其中i＝1:N，无需预测期望之外的开关函数对应的输出，预测值数量由M变为N从而精简运算过程。

所述步骤(S5)中根据电力电子变换器的工作特性和控制要求定义目标函数J，将(S4)预测的x(k+1)_i与参考值x(k+1)^*通过遍历法求出U(k)_opt，得到对应的S(k)_opt，寻优范围由M变为N，缩短算法运算时间。

所述步骤(S6)和(S7)中，由S(k-1)_opt对应的U(k-1)_opt、(S5)求出的U(k)_opt和目标函数J算出U(k)_opt的作用时间t_opt，如果t_opt<0，t_opt就取0，如果t_opt>T_s，t_opt就取T_s；在当前采样时刻将U(k-1)_opt和U(k)_opt先后作用到电力电子变换器，在采样周期的0至T_s-t_opt时间段首先作用S(k-1)_opt，在T_s-t_opt至T_s时间段作用S(k)_opt，通过这种作用方式进一步减少开关工作次数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、与传统有限集模型预测控制相比，保留优点的同时，算法精简快速；

2、电力电子变换器无需传统的SVPWM调制单元或SPWM调制单元；

3、开关器件开关次数减少到最低，开关频率低，开关损耗大幅度降低。

附图说明

图1是本发明的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法示意图；

图2是本发明的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法算法流程图；

图3是应用本发明的三相电压型整流器双矢量作用示意图；

图4是应用本发明的三相电压型整流器matlab仿真直流侧输出电压的效果图。

图5是应用本发明的三相电压型整流器matlab仿真A相交流侧输入电压和电流的效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。

如图1和图2所示，本发明的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法示意图和算法流程图，主要步骤如下：

(S1)根据电力电子变换器的特性确定状态变量x(k)并列出状态方程，找出所有可能的开关状态定义开关函数S(j)(j＝1:M，M为变换器所有可能出现的开关函数总数；下同)并明确开关函数S(j)与控制量U(k)的关系：考虑变换器状态空间模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx\left(k\right)}{dt}=Ax\left(k\right)+B_{u}u\left(k\right)+B_{d}d\left(k\right)\\ y_c\left(k\right)=C_{c}x\left(k\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中是状态变量；是控制输入变量；是被控输出变量；是可测量的外部干扰变量；A,Bu,Bd,Cc均为与系统参数有关的矩阵。

电力电子变换器通过控制可控开关管的开通和关断来实现控制目标，而每个开关只有两个状态：开和关，所有的开关函数都由这两种状态组合。我们定义开关状态如下：

$s=\left\{\begin{array}{cc}1,& on\\ 0,& off\end{array}\right.---\left(2\right)$

但是有些状态是不允许出现的，比如位于同一桥臂或者同一相的两个管子是不允许同时导通的。一般情况下，假设变换器每个桥臂或者每相允许出现的状态个数是x，y为变换器的桥臂或者相的个数，N为变换器可能出现的开关状态，它们三者之间的关系如下所示：

N＝x^y(3)

如三相电压型两电平整流器和逆变器各有8种开关状态，三相电压型三电平整流器和逆变器各有27种开关状态。根据具体的变换器定义开关函数S。

一般情况下，电压型变换器的开关状态与电压矢量有一定的关系，电流型变换器的开关状态与电流矢量有一定的关系。根据具体的电力电子变换器找出开关函数S与控制量U(k)的关系。

(S2)测量电力电子变换器的状态变量x(k)、输出量y(k)和可测干扰量d(k)。

(S3)据开关器件开关次数最少的原则，期望相邻采样时刻电力电子变换器的开关函数至多只有一个数值发生变化。根据上一采样时刻(k-1时刻)的最优开关函数S(k-1)_opt,找出当前采样时刻(k时刻)期望的所有开关函数S(k)_i(i＝1:N，N为期望开关函数的总数，N<M)，根据开关函数S与控制量U(k)的关系找出期望的所有控制量U(k)_i(i＝1:N)：

用三相电压型整流器为例进行说明。

三相静止坐标系(abc坐标系)下开关函数S定义为S＝SaSbSc，上桥臂导通时Si(i＝a、b、c)＝1，下桥臂导通时Si(i＝a、b、c)＝0。首先读取k-1采样时刻的开关函数S(k-1)＝SaSbSc，为了让开关动作次数最少，我们希望k时刻最多只有一个桥臂动作，根据k-1时刻的开关函数期望的k时刻的开关函数值有四种可能，如表1所示。

表1k-1时刻期望的k时刻开关函数

(S4)设系统采样周期为Ts，将(S1)中的状态方程改写为离散形成，根据(S2)的测量量和(S3)的期望的所有控制量U(k)_i预测下一采样时刻(k+1时刻)的状态变量x(k+1)_i(i＝1:N)，无需预测期望之外的开关函数对应的输出，预测值数量由M变为N从而精简运算过程：

$\{\begin{array}{c}\frac{x(k+1)-x\left(k\right)}{T_s}=Ax\left(k\right)+B_{u}u\left(k\right)+B_{d}d\left(k\right)\\ y_c(k+1)=C_{c}x(k+1)\end{array}---\left(4\right)$

(S5)根据电力电子变换器的工作特性和控制要求定义目标函数J，将(S4)预测的x(k+1)_i与参考值x(k+1)^*通过遍历法求出U(k)_opt，得到对应的S(k)_opt，寻优范围由M变为N，缩短算法执行时间：

通常希望预测的k+1时刻的值能够跟踪参考值，一般选取目标函数如下：

J＝||(x(k+1)-x(k+1)^*||²(5)

(S6)由S(k-1)_opt对应的U(k-1)_opt、(S5)求出的U(k)_opt和目标函数J算出U(k)_opt的作用时间t_opt；如果t_opt<0，t_opt就取0，如果t_opt>T_s，t_opt就取T_s)：

由式子(1)可以得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{dx\left(k\right)}{dt}{|}_{U\left(k-1\right)}=Ax\left(k\right)+B_{u}U\left(k-1\right)+B_{d}d\left(k\right)=f_1\\ \frac{dx\left(k\right)}{dt}{|}_{U{\left(k\right)}_{opt}}=Ax\left(k\right)+B_{u}U{\left(k\right)}_{opt}+B_{d}d\left(k\right)=f_2\end{array}\right.---\left(6\right)$

则预测k+1时刻的状态变量x(k+1)可以表示如下：

$\left\{\begin{array}{c}x(k+1)=x\left(k\right)+(T_s-t_{opt})f_1+t_{opt}{f}_2\\ y_c(k+1)=C_{c}x(k+1)\end{array}\right.---\left(7\right)$

带入目标函数J，并对t_opt求导，令导数等于0，即可求得t_opt：

$\left\{\begin{array}{c}J=\left|\right|x\left(k\right)+(T_s-t_{opt})f_1+t_{opt}{f}_2-x{(k+1)}^{*}|{|}^2\\ \frac{\&part;J}{\&part;t_{opt}}=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

(S7)在当前采样时刻(k时刻)将U(k-1)_opt和U(k)_opt先后作用到电力电子变换器，在采样周期的(0，T_s-t_opt)时间段首先作用S(k-1)_opt，在(T_s-t_opt，T_s)时间段作用S(k)_opt。

如图3所示，是应用本发明的三相电压型整流器的双矢量作用图。假设V1是上一采样时刻(k-1时刻)最优电压矢量，对应的最优开关函数为S(k-1)_opt＝100；假设V2是当前采样时刻(k时刻)最优电压矢量，对应的最优开关函数为S(k)_opt＝110；V^*为参考电压矢量，t_opt为V2作用时间。OE为每个采样周期单矢量时V2作用效果，与参考矢量V^*的误差为AE；双矢量作用时，OB为V2作用效果，BC为V1作用效果，OC为双矢量共同作用效果，与参考矢量V^*的误差为AC。AC<AE，可以看出双矢量比单矢量作用效果更好。

如图4和图5所示，是应用本发明的三相电压型整流器matlab仿真，直流输出电压Vdc相应快，纹波小，交流网侧电压ea交流电流ia同相位，输入功率因数高，近似为1。

本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。

Claims (3)

1.应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法，其特征在于包容如下步骤：

(S1)根据电力电子变换器的特性确定状态变量x(k)并列出状态方程；找出所有电力电子变换器允许出现的所有开关函数S(j)，其中j＝1～M，M为变换器所有可能出现的开关函数总数；并明确开关函数S(j)与控制量U(k)的关系；

(S2)测量电力电子变换器的状态变量、输出量和可测干扰量；

(S3)根据开关器件开关次数最少的原则，期望相邻采样时刻电力电子变换器的开关函数至多只有一个数值发生变化；根据上一采样时刻的最优开关函数S(k-1)_opt，确定当前采样时刻期望的所有开关函数S(k)_i的集合作为控制集，其中i＝1～N，N为期望开关函数的总数，N<M；根据开关函数S与控制量U(k)的关系找出期望的所有控制量U(k)_i，其中i＝1:N；定义k-1时刻为上一采样时刻，k时刻为当前采样时刻，k+1为下一采样时刻；

(S4)设系统采样周期为Ts，将(S1)中的状态方程改写为离散形成，根据(S2)所述的测量量和(S3)的期望的所有控制量U(k)_i预测下一采样时刻的状态变量x(k+1)_i，其中i＝1～N；

(S5)根据电力电子变换器的工作特性和控制要求定义目标函数J，将(S4)预测的x(k+1)_i与参考值x(k+1)^*通过遍历法求出U(k)_opt，得到对应的S(k)_opt；

(S6)由S(k-1)_opt对应的U(k-1)_opt、(S5)求出的U(k)_opt和目标函数J算出U(k)_opt的作用时间t_opt；

(S7)在当前采样时刻将U(k-1)_opt和U(k)_opt先后作用到电力电子变换器，在采样周期的0至T_s-t_opt时间段首先作用S(k-1)_opt，在T_s-t_opt至T_s时间段作用S(k)_opt。

2.根据权利要求1所述的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法，在步骤(S4)中，无需预测期望之外的开关函数对应的输出，预测值数量由M变为N从而精简运算过程。

3.根据权利要求1所述的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法，其特征在于：在步骤(S6)中，由S(k-1)_opt对应的U(k-1)_opt、(S5)求出的U(k)_opt和目标函数J算出U(k)_opt的作用时间t_opt，如果t_opt<0，t_opt就取0，如果t_opt>T_s，t_opt就取T_s。