CN106899019A - 有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，其特征是：对三电平有源滤波器谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标的实现方法进行优化整合，在约束函数中仅以输出电流为约束项实现三个控制目标的优化控制。本发明方法简化了约束函数，省去了约束函数中权重因子的选取，减少了因权重因子整定和多约束项计算带来的计算量，提高了系统的动态响应，实现了多目标的均衡控制。

Description

有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法

技术领域

本发明涉及有源滤波器(Active Power Filter，APF)控制领域，特别涉及一种基于有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control，FCS-MPC)的一种新型三电平APF单目标优化控制方法。

背景技术

模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)自上世纪70年代被提出以来，经过几十年的发展已从最初的工业领域应用发展成为解决多学科约束优化控制问题的有效方法。通过对有限数量的系统开关状态进行控制解决目标优化问题而形成的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)是一种基于系统有限的开关状态集合，根据建立的系统预测模型和设计的目标约束函数，遍历计算出所有开关状态分别作用下的系统输出，选择使目标约束函数值最小的开关状态作为系统控制输入的优化控制算法。近年来，FCS-MPC因其建模直观、控制灵活、动态响应好且无需PWM调制环节等优势被广泛应用于逆变器、APF、DCDC变换器的控制中。

由于实际系统控制目标的复杂性和多样性，FCS-MPC的约束函数一般含有多个约束项来实现不同目标的优化，每个约束项的权重因子反映了各个控制目标间的相对重要性，它的取值受到具体控制目标参数的影响。由于权重因子整定计算量大，故在实际应用中，权重因子的值一般选取较为困难。同时，过多约束项会引入大量的计算量，影响控制的动态性能。

发明内容

针对三电平APF电路，本发明提供一种有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，以期避免权重因子的选择，简化约束函数中的约束项，减少需要遍历计算的开关状态数量，从而降低计算量，提高动态性能，实现多目标控制效果的均衡控制。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明有限控制集模型预测单目标三电平APF控制方法，其三电平APF是指三电平有源滤波器，所述三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2、十二只IGBT开关管，六只反并联二极管，三相输出电感L，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合；本发明控制方法的特点是：针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。

本发明有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法的特点也在于：

A1、按如下方式实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定的控制

根据瞬时无功功率理论计算获得谐波电流参考信号；在谐波电流参考信号的计算环节中添加直流侧电压稳定控制环节，是将直流侧电压参考值与直流侧电压反馈值经过PI调节器得到调节信号Δi_p，将所述调节信号Δi_p与瞬时有功电流的直流分量相叠加，所述的谐波电流参考信号中含有基波有功电流的调节分量，所述谐波电流参考信号即为输出电流参考值，由此实现将对直流侧电压的控制整合到对输出电流的跟踪控制中；

A2、按如下方式实现直流侧中点电位平衡控制

三电平APF的二十七种开关状态组合，每个开关状态组合对应相应的输出电压空间矢量，根据输出电压空间矢量的长短，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量；小矢量开关状态组合成对冗余出现，每对小矢量开关状态组合对应的输出电压矢量相同，并对直流侧两个电容电压的作用是相反的；当通过约束函数计算得到的最优开关状态组合是一个小矢量开关状态组合时，根据所述小矢量开关状态组合对直流侧电容电压的作用趋势，在两个冗余开关状态组合中选择使直流侧电容电压趋于平衡的一个作为最优开关状态组合。

本发明有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法的特点也在于：所述控制方法包括：

B1、建立三电平APF预测模型，所述预测模型包括输出电流预测模型和参考电流预测模型；

所述输出电流预测模型为：

为t_k+1时刻的输出电流预测值，L为输出滤波电感，T_s为采样周期；

u_f(t_k)为t_k时刻的APF桥臂侧输出电压的空间向量形式，由开关状态组合决定；u_p(t_k)为t_k时刻的PCC点的电压空间向量形式；

所述参考电流预测模型为：

和一一对应为t_k+1、t_k、t_k-1、t_k-2时刻的输出电流参考值；

B2、设计有限控制集模型预测单目标控制算法的约束函数为：

为t_k+1时刻输出电流参考值，利用参考电流预测模型计算获得，

为t_k+1时刻输出电流预测值，利用输出电流预测模型计算获得，

所述有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法是按如下步骤进行：

步骤a、将上一周期计算得到的最优开关状态组合S_opt应用于三电平有源滤波器的本周期控制；

步骤b、采样当前时刻即t_k时刻的直流侧电容电压u_dc1(t_k)和u_dc2(t_k)，三相输出电流i_a(t_k)、i_b(t_k)、i_c(t_k)，以及PCC点的电压u_pa(t_k)、u_pb(t_k)、u_pc(t_k)，计算获得输出电流空间向量形式i_o(t_k)，以及PCC点的电压空间向量形式u_p(t_k)；

步骤c、针对不同的开关状态组合，分别利用式(1)所表征的输出电流预测模型，一一对应计算获得每个开关状态组合对应的t_k+1时刻的输出电流预测值按照权利要求2中A1所述方法计算获得t_k时刻的输出电流参考值根据式(2)所表示的参考电流预测模型，利用输出电流参考值计算获得t_k+1时刻的输出电流参考值

步骤d、根据式(3)所表征的约束函数，利用步骤c中计算获得的t_k+1时刻的输出电流预测值和输出电流参考值进行计算获得与各开关状态组合一一对应的约束函数值，将所有约束函数值进行比较，选取最小约束函数值所对应的开关状态组合，记为开关状态组合M；

步骤e、对所述开关状态组合M进行判断：若开关状态组合M是一个小矢量开关状态组合，则根据权利要求2中A2所述的直流侧中点电位平衡控制方法对开关状态组合M进行评估，在两个冗余开关状态组合中选取最优开关状态组合S_opt；若开关状态组合M不是小矢量开关组合，则将所述开关状态组合M直接作为最优开关状态组合S_opt。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

本发明对传统的三电平有源滤波器有限控制集模型预测控制的算法进行改进，通过对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定、直流侧中点电位平衡三个基本控制目标的单独实现方法进行优化整合，在约束函数中仅通过一个约束项进行优化控制，避免了权重因子的选取，简化了约束项，减少了需要遍历计算的开关状态数量，省去了因权重因子整定及多约束项带来的计算量，提高了系统的动态响应，实现了多目标的均衡控制。

附图说明

图1为本发明所针对的三电平APF主电路拓扑结构；

图2为本发明谐波电流参考信号计算框图；

图3为本发明三电平电压空间矢量图；

图4为本发明控制方法流程图；

具体实施方式

本实施例中所针对三电平APF的主电路拓扑如图1所示，三电平APF是指三电平有源滤波器，三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2，T_j1～T_j4为十二只IGBT开关管，其中j＝a,b,c，D₁～D₆为六只反并联二极管，L为三相输出电感，忽略电感自身电阻，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合。

本实施例是针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。

本实施例有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法包括：

A1：按如下方式实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定的控制

根据瞬时无功功率理论、按图2所示计算框图计算获得谐波电流参考信号，图2中，PLL为锁相环，LPF为低通滤波器，C32、C_pq和Q分别为：

如图2所示，在谐波电流参考信号的计算环节中添加直流侧电压稳定控制环节，直流电压参考值U_dc ^*与直流侧电压反馈值U_dc经过PI调节器得到调节信号Δi_P，将所述调节信号Δi_P与瞬时有功电流的直流分量相叠加，所述的谐波电流参考信号中含有基波有功电流的调节分量，所述谐波电流参考信号即为输出电流参考值i_o ^*，由此实现将对直流侧电压的控制整合到对输出电流的跟踪控制中。

A2：按如下方式实现直流侧中点电位平衡控制

三电平APF每相桥臂四个开关管有三种开关状态组合：1100、1001、0011，以“1”表示开关为“通”，以“0”表示开关为“断”，将三种开关状态分别用p、o和n进行表示，三电平APF共有二十七种开关状态组合，每个开关状态组合对应相应的输出电压空间矢量，根据输出电压空间矢量的长短，分为大矢量，中矢量，小矢量和零矢量，三电平电压空间矢量图如图3所示。

由图3可知，小矢量开关状态组合成对冗余出现，表1给出了每对开关状态组合对应的直流侧中点流出电流值以及对直流侧电压的影响，表1中箭头方向表示电压的上升或下降，其中i_NP为中点流出电流，i_k为该开关状态组合下i_NP对应的电流，k＝a,b,c；例如当开关状态为onn，i_NP＝i_a，则k＝a；当开关状态为ono，i_NP＝-i_b，则k＝b。可以发现，每对小矢量开关状态组合对应的输出电压矢量相同，并对直流侧两个电容电压的作用是相反的；因此，当通过约束函数计算得到的最优开关状态组合是一个小矢量开关状态组合时，可以根据表1中小矢量开关状态组合对直流侧电容电压的作用趋势评估它对直流侧电压的影响，在两个冗余开关状态组合中选择使直流侧电容电压趋于平衡的一个作为最优开关状态组合，从而实现直流侧中点电位平衡。假设t_k时刻通过目标约束函数得到的最优开关状态组合是onn，同时i_a>0，根据表1，该开关状态组合在t_k+1时刻作用于系统会使下桥臂电容电压u_dc2降低。如果t_k时刻，u_dc1已经大于u_dc2，则选择该开关状态组合会加重电压的不平衡。因此根据表1，可以选择它的冗余开关状态poo替换onn作为最优开关状态，poo与onn对应的输出电压相同，但对直流侧电压的作用是降低u_dc1的电压，这样就抑制了电压不平衡的趋势，实现了中点电位平衡控制。

表1开关状态对直流侧电压的影响

开关状态
				onn
poo
				ono
pop
				nno
oop
				noo
opp
				non
opo
				oon
ppo

本实施例中有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法包括：

B1、建立三电平APF预测模型，预测模型包括输出电流预测模型和参考电流预测模型。

如图1所示，以直流侧中点O为参考点，每相输出电压都存在-U_dc/2，0，+U_dc/2三种电平。假设S_j1～S_j4(j＝a,b,c)分别为j相桥臂开关管T_j1～T_j4的触发信号，触发信号为1时表示开关管导通，0表示关断。

对电路进行混合逻辑动态建模，引入逻辑运算符，“∨表示析取”、“∧表示合取”、“-表示取非”、“表示等价”，以电路a相为例，设电流i_a流出逆变器方向为正。定义逻辑变量σ_a，用σ_a<0表示i_a<0状态，用σ_a>0表示i_a>0状态，即

根据电路拓扑工作原理，得到输出电压u_ao与开关状态之间的逻辑关系如式(12)：

根据上述逻辑关系可以得到电压u_ao、u_bo、u_co的逻辑表达如式(13)：

根据三相电路基本规律，PCC点相对于参考点O的电压如式(14)所示：

将PCC点的电压空间向量形式表示如式(15)：

u_p＝u_pa+αu_pb+α²u_pc (15)，

其中，α＝e^j2π/3

同理，根据空间向量的概念将输出电流i_aL、i_bL、i_cL，桥臂侧电压u_ao、u_bo、u_co用空间向量形式分别表示为式(16)和式(17)：

i_o＝i_aL+αi_bL+α²i_cL (16)，

u_f＝u_ao+αu_bo+α²u_co (17)，

因而输出电流以空间向量形式表示如式(18)

由此可得到所述输出电流预测模型如式(1)：

为t_k+1时刻的输出电流预测值，L为输出滤波电感，T_s为采样周期；

u_f(t_k)为t_k时刻的APF桥臂侧输出电压的空间向量形式，由开关状态组合决定；u_p(t_k)为t_k时刻的PCC点的电压空间向量形式；

采用二阶拉格朗日外推法计算获得输出电流参考值，参考电流预测模型如式(2)：

和一一对应为t_k+1、t_k、t_k-1、t_k-2时刻的输出电流参考值；

B2、设计有限控制集模型预测单目标控制算法的约束函数为：

为t_k+1时刻输出电流参考值，利用参考电流预测模型计算获得，

为t_k+1时刻输出电流预测值，利用输出电流预测模型计算获得，

参见图4，本实施例有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法是按如下步骤进行：

步骤a、将上一周期计算得到的最优开关状态组合S_opt应用于三电平有源滤波器的本周期控制。

步骤b、采样当前时刻即t_k时刻的直流侧电容电压u_dc1(t_k)和u_dc2(t_k)，三相输出电流i_a(t_k)、i_b(t_k)、i_c(t_k)，以及PCC点的电压u_pa(t_k)、u_pb(t_k)、u_pc(t_k)，计算获得输出电流空间向量形式i_o(t_k)，以及PCC点的电压空间向量形式u_p(t_k)。

步骤c、针对不同的开关状态组合，分别利用式(1)所表征的输出电流预测模型，一一对应计算获得每个开关状态组合对应的t_k+1时刻的输出电流预测值按照本实施例中A1的方法计算获得t_k时刻的输出电流参考值根据式(2)所表示的参考电流预测模型，利用输出电流参考值计算获得t_k+1时刻的输出电流参考值

考虑到三电平APF存在冗余开关状态组合，在实际使用开关状态组合进行遍历计算时，可以免去冗余的开关状态组合的计算，仅保留十九个有效开关状态组合，可进一步降低计算量。

步骤d、根据式(3)所表征的约束函数，利用步骤c中计算获得的t_k+1时刻的输出电流预测值和输出电流参考值进行计算获得与各开关状态组合一一对应的约束函数值，将所有约束函数值进行比较，选取最小约束函数值所对应的开关状态组合，记为开关状态组合M；

步骤e、对所述开关状态组合M进行判断：若开关状态组合M是一个小矢量开关状态组合，则按照本实施例中A2所述的直流侧中点电位平衡控制方法对开关状态组合M进行评估，在两个冗余开关状态组合中选取最优开关状态组合S_opt；若开关状态组合M不是小矢量开关组合，则将所述开关状态组合M直接作为最优开关状态组合S_opt。

Claims (3)

1.一种有限控制集模型预测单目标三电平APF控制方法，所述三电平APF是指三电平有源滤波器，所述三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2、十二只IGBT开关管，六只反并联二极管，三相输出电感L，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合；其特征是：针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。

2.根据权利要求1所述的有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，其特征是：

A1、按如下方式实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定的控制

根据瞬时无功功率理论计算获得谐波电流参考信号；在谐波电流参考信号的计算环节中添加直流侧电压稳定控制环节，是将直流侧电压参考值与直流侧电压反馈值经过PI调节器得到调节信号Δi_p，将所述调节信号Δi_p与瞬时有功电流的直流分量相叠加，所述的谐波电流参考信号中含有基波有功电流的调节分量，所述谐波电流参考信号即为输出电流参考值，由此实现将对直流侧电压的控制整合到对输出电流的跟踪控制中；

A2、按如下方式实现直流侧中点电位平衡控制

三电平APF的二十七种开关状态组合，每个开关状态组合对应相应的输出电压空间矢量，根据输出电压空间矢量的长短，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量；小矢量开关状态组合成对冗余出现，每对小矢量开关状态组合对应的输出电压矢量相同，并对直流侧两个电容电压的作用是相反的；当通过约束函数计算得到的最优开关状态组合是一个小矢量开关状态组合时，根据所述小矢量开关状态组合对直流侧电容电压的作用趋势，在两个冗余开关状态组合中选择使直流侧电容电压趋于平衡的一个作为最优开关状态组合。

3.根据权利要求2所述的有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，其特征是：所述控制方法包括：

B1、建立三电平APF预测模型，所述预测模型包括输出电流预测模型和参考电流预测模型；

所述输出电流预测模型为：

$i_o^p\left(t_{k+1}\right)=\frac{T_s}{L}\left(u_f\right(t_k)-u_P(t_k\left)\right)---\left(1\right),$

为t_k+1时刻的输出电流预测值，L为输出滤波电感，T_s为采样周期；

u_f(t_k)为t_k时刻的APF桥臂侧输出电压的空间向量形式，由开关状态组合决定；u_p(t_k)为t_k时刻的PCC点的电压空间向量形式；

所述参考电流预测模型为：

$i_o^{*}\left(t_{k+1}\right)=3i_o^{*}\left(t_k\right)-3i_o^{*}\left(t_{k-1}\right)+i_o^{*}\left(t_{k-2}\right)---\left(2\right),$

和一一对应为t_k+1、t_k、t_k-1、t_k-2时刻的输出电流参考值；

B2、设计有限控制集模型预测单目标控制算法的约束函数为：

$f_g=|i_o^{*}\left(t_{k+1}\right)-i_o^P\left(t_{k+1}\right)|---\left(3\right),$

为t_k+1时刻输出电流参考值，利用参考电流预测模型计算获得，

为t_k+1时刻输出电流预测值，利用输出电流预测模型计算获得，

所述有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法是按如下步骤进行：

步骤a、将上一周期计算得到的最优开关状态组合S_opt应用于三电平有源滤波器的本周期控制；

步骤b、采样当前时刻即t_k时刻的直流侧电容电压u_dc1(t_k)和u_dc2(t_k)，三相输出电流i_a(t_k)、i_b(t_k)、i_c(t_k)，以及PCC点的电压u_pa(t_k)、u_pb(t_k)、u_pc(t_k)，计算获得输出电流空间向量形式i_o(t_k)，以及PCC点的电压空间向量形式u_p(t_k)；

步骤c、针对不同的开关状态组合，分别利用式(1)所表征的输出电流预测模型，一一对应计算获得每个开关状态组合对应的t_k+1时刻的输出电流预测值按照权利要求2中A1所述方法计算获得t_k时刻的输出电流参考值根据式(2)所表示的参考电流预测模型，利用输出电流参考值计算获得t_k+1时刻的输出电流参考值

步骤d、根据式(3)所表征的约束函数，利用步骤c中计算获得的t_k+1时刻的输出电流预测值和输出电流参考值进行计算获得与各开关状态组合一一对应的约束函数值，将所有约束函数值进行比较，选取最小约束函数值所对应的开关状态组合，记为开关状态组合M；

步骤e、对所述开关状态组合M进行判断：若开关状态组合M是一个小矢量开关状态组合，则根据权利要求2中A2所述的直流侧中点电位平衡控制方法对开关状态组合M进行评估，在两个冗余开关状态组合中选取最优开关状态组合S_opt；若开关状态组合M不是小矢量开关组合，则将所述开关状态组合M直接作为最优开关状态组合S_opt。