CN106911147A

CN106911147A - 一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法

Info

Publication number: CN106911147A
Application number: CN201710255639.8A
Authority: CN
Inventors: 金涛; 苏泰新; 刘思议; 宗戈
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2017-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2017-06-30
Anticipated expiration: 2037-04-19
Also published as: CN106911147B

Abstract

本发明涉及一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，通过有限集模型预测控制对NPC逆变器负载侧电压进行控制，并通过在新的采样时刻直接应用提前预测得到的开状态后再预测新的开关状态的方法对控制算法进行延时补偿，实现对逆变器输出的控制。本发明所提出的一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，具有较好的控制效果，更佳的鲁棒性和可靠性。

Description

一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法

技术领域

本发明涉及新能源变换技术领域，特别是一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法。

背景技术

能源问题一直是全球共同面临的热点问题，近年来，可再生能源越来越受到人们的关注，各种新型能源如风能、太阳能、生物能在电力系统中得到了广泛的应用与推广。逆变部分是新能源发电系统与负载和电网连接的桥梁，是系统的核心环节。随着新能源技术的发展，对逆变器输出的电能质量提出了更高的要求，也对逆变器的控制也提出了新的挑战。

传统的逆变控制方法有滞环控制、双环控制、模糊控制等，近年来，有限集模型预测控制(Finite Control SetModel Predictive Control,FCS-MPC)在电力电子变换器上的应用为逆变器控制研究提供了新的思路。国内外学者已经取得了一定的研究成果，如在代价函数中增加约束条件实现多目标控制；考虑计算时间的问题，提出了更为计算量较小的更为快速的预测控制方法等。目前国内外的研究更多的集中在对逆变器输出电流的控制，而对输出电压控制的研究相对较少，对于计算带来的延时问题的关注也有所欠缺，在控制算法的完备性和精度的考量上还有值得进一步提高的地方。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：采集当前时刻t_k下，NPC逆变器负载侧的电压电流状态，包括：当前时刻的负载侧电压v_l(k)、负载电流i_l(k)以及逆变器输出电流i_o(k)；

步骤S2：应用之前t_k-2时刻通过预测计算出的当前时刻的开关状态；

步骤S3：计算t_k+2时刻NPC逆变器负载侧电压的参考电压

步骤S4：计算t_k+1时刻的负载侧电压v_l(k+1)；负载电流i_l(k+1)；逆变器输出电流i_o(k+1)；

步骤S5：计算t_k+2时刻时负载电压的预测值v_l(k+2)；

步骤S6：通过所述步骤S5对NPC逆变器预设的开关状态对应的负载侧电压进行预测，并与所述步骤S3获取的参考电压进行比较，选取差值的绝对值最小的开关状态作为t_k+2时刻的开关状态；

步骤S7：保存当前时刻的采样值，开始下一时刻的采样循环。

在本发明一实施例中，在所述步骤S3中，参考电压选取工频正弦电压，并记为：

式中:V_l ^*为参考电压幅值；θ(k)为参考电压的矢量角；稳态时，该矢量以角速度ω旋转且幅值不变，则t_k+2时刻的参考电压表示为：

其中，T_s为系统采样时间。

在本发明一实施例中，在所述步骤S4中，由逆变系统模型得：

上式中：L_f为滤波电感；R_f为滤波电阻；C_f为滤波电容；v_l为负载侧电压；i_l为负载电流；v_o为逆变器输出电压；i_o为逆变器输出电流；

经整理得状态空间方程：

上式中：

对上述状态方程进行离散化得：

上式中：v_o(k)为当前时刻逆变器输出电压；T_s为系统采样时间；i_l(k+1)由拉格朗日插值多项式求得：i_l(k+1)＝3i_l(k)-3i_l(k-1)+i_l(k-2)。

在本发明一实施例中，在所述步骤S5中，采用如下方式获取所述预测值v_l(k+2)：

在本发明一实施例中，在所述步骤S6中，通过代价函数进行判断。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明针对FCS-MPC存在的计算延时问题，以逆变负载侧电压为控制目标，提出一种含有延时补偿的有限集模型预测电压控制(Finite Control Set Model Predictive Voltage Control,FCS-MPVC)，并将其应用在三相三电平NPC逆变器中，具有较好的控制效果，鲁棒性和可靠性更佳。对传统算法存在的计算延时问题进行延时补偿，提高了控制算法的性能。

附图说明

图1为本发明中一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法的流程图。

图2为本发明一实施例中三相NPC逆变系统拓扑图。

图3为本发明一实施例中三相NPC逆变器开关状态图。

图4为本发明一实施例中有无延时补偿跟踪比较示意图。

图5为本发明一实施例中输出电压跟踪比较示意图。

图6为本发明一实施例中三相输出负载电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，如图1所示，包括以下步骤:

步骤S1：采集当前时刻t_k下，系统的电压电流状态，其中包括：当前时刻的负载侧电压v_l(k)；负载电流i_l(k)；逆变器输出电流i_o(k)；

步骤S2：应用之前t_k-2采样时刻预测计算出的当前时刻的开关状态；

步骤S3：计算t_k+2时刻负载电压的参考值；

进一步的，在本实施例中，参考电压选取工频正弦电压，可以表示为：

式中:V_l ^*为参考电压幅值；θ(k)为参考电压的矢量角。稳态时，该矢量以角速度ω旋转且幅值不变，则t_k+2时刻的参考电压可表示为：

步骤S4：根据已有数据计算t_k+1时刻时，负载侧电压v_l(k+1)；负载电流i_l(k+1)；逆变器输出电流i_o(k+1)；

进一步的，在本实施例中，如图2所示，由逆变系统模型可以推得：

经整理可得状态空间方程：

式中：

对上述状态方程进行离散化可得：

式中：v_o(k)为逆变器输出电压；T_s为系统采样时间；i_l(k+1)由拉格朗日插值多项式求得：i_l(k+1)＝3i_l(k)-3i_l(k-1)+i_l(k-2)；

步骤S5：根据已有数据计算t_k+2时刻时负载电压的预测值v_l(k+2)，即：

步骤S6：将NPC逆变器预设的开关状态对应的输出电压代入步骤S5的公式进行预测，且在本实施例中，如图3所示，包括27中开关状态；并与参考电压进行比较，选取差值的绝对值最小的开关状态作为t_k+2时刻的开关状态，即取使代价函数的最优开关状态；

步骤S7：保存当前时刻的采样值，开始下一采样时刻的循环。在本实施例中，保存i_l(k-1)、i_l(k-2)。

进一步的，如图2所示，为所采用的逆变系统的拓扑图。图4从理论上分析了有无延时补偿情况下的电压跟踪情况，从图中可以看出，由于存在计算延时，会对电压跟踪精度造成影响。图5为有无延时补偿情况下输出电压的跟踪比较。图6为通过采用本发明提出的方法所产生的负载电压波形。从图5以及图6中可以看出采用本发明提出的技术方案具有较高的精度与可靠性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S3：计算t_k+2时刻NPC逆变器负载侧电压的参考电压

步骤S5：计算t_k+2时刻时负载电压的预测值v_l(k+2)；

2.根据权利要求1所述的一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，其特征在于，在所述步骤S3中，参考电压选取工频正弦电压，并记为：

v_{l}^{*} (k) = V_{l}^{*} \cdot e^{j θ (k)};

v_{l}^{*} (k + 2) = v_{l}^{*} (k) \cdot e^{2 {jωT}_{s}};

其中，T_s为系统采样时间。

3.根据权利要求1所述的一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，其特征在于，在所述步骤S4中，由逆变系统模型得：

\{\begin{matrix} L_{f} \frac{{di}_{o}}{d t} = v_{o} - v_{l} - R_{f} i_{o} \\ C_{f} \frac{{dv}_{l}}{d t} = i_{l} - i_{o} \end{matrix};

式中：L_f为滤波电感；R_f为滤波电阻；C_f为滤波电容；v_l为负载侧电压；i_l为负载电流；v_o为逆变器输出电压；i_o为逆变器输出电流；

经整理得状态空间方程：

上式中：

对上述状态方程进行离散化得：

4.根据权利要求3所述的一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，其特征在于，在所述步骤S5中，采用如下方式获取所述预测值v_l(k+2)：

(\begin{matrix} v_{l} (k + 2) \\ i_{o} (k + 2) \end{matrix}) = G (\begin{matrix} v_{l} (k + 1) \\ i_{o} (k + 1) \end{matrix}) + H (\begin{matrix} v_{o} (k + 1) \\ i_{l} (k + 1) \end{matrix}) .

5.根据权利要求1所述的一种含延时补偿的有限集模型预测电压控制方法，其特征在于，在所述步骤S6中，通过代价函数进行判断。