CN107453627B - 一种有限集模型预测控制的定频控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公布了一种有限集模型预测控制的定频控制方法，属于电力电子变流技术、智能控制领域。本发明根据变换器的预测模型，预测得到参考电压的波形，然后用此参考电压和一个在正负半周频率固定的双极性三角波叠加，叠加得到的新的电压波形作为参考电压矢量，通过遍历寻优，选取最优电压矢量输出开关信号。本发明原理简单，保留了传统有限集模型预测控制直接利用变换器的离散特性和开关状态有限的特性，同时克服了开关频率不固定的缺点，实现了有限集模型预测控制的定频。

Description

一种有限集模型预测控制的定频控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子系统有限集模型预测控制技术，尤其涉及一种有限集模型预测控制的定频控制方法，属于电力电子变流技术领域。
背景技术
在电力电子系统中，变换器可以视为一种典型的混杂动态系统，要想获得变换器精确的数学模型非常困难，因此一些经典的控制方法（如PI控制等）在电力电子系统中应用时总是存在一定的局限性，而模型预测控制直接利用变换器的离散特性和开关状态有限的特性，在电力电子系统中的应用具有巨大的潜力。随着微处理器的发展和应用，模型预测控制逐渐地被应用到电力电子系统中。
但模型预测控制在实际应用中面临众多的挑战，如在线计算量大造成延时，开关频率不固定造成滤波设计困难，模型参数变化影响控制效果，需要较高的采样频率才能达到更好的控制性能等。这些挑战将是阻碍FCS-MPC进一步发展的瓶颈。
发明内容
针对传统模型预测控制的不足，本发明目的在于提供一种有限集模型预测控制的定频控制方法。该方法根据变换器的预测模型，预测得到参考电压的波形，然后用此参考电压和一个双极性的三角波叠加，叠加得到的新的电压波形作为参考电压矢量，通过遍历寻优，选取最优电压矢量输出开关信号。该方法原理简单，保留了传统有限集模型预测控制直接利用变换器的离散特性和开关状态有限的特性，同时克服了开关频率不固定的缺点，实现了有限集模型预测控制的定频和高频化。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。
一种有限集模型预测控制的定频控制方法，根据变换器的预测模型，预测得到参考电压的波形，然后用此参考电压和一个双极性的三角波叠加，叠加得到的新的电压波形作为参考电压矢量，通过遍历寻优，选取最优电压矢量输出开关信号；具体包括：（1）采样得到电网电压e、输入电流i、直流侧电容C两端电压Vdc;（2）电压外环采用PI控制，得到参考电流i*；（3）根据预测模型得到参考电压矢量；（4）将得到的参考电压矢量和一个双极性的三角波叠加，得到新的参考电压矢量；（5）遍历寻优得到最优电压矢量，输出开关信号S(k)并作用开关管。
进一步地的，所述一种有限集模型预测控制的定频控制方法，具体包括：步骤（1），利用锁相电路得到电网电压的过零点，DSP根据电网电压的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据电网电压的过零点计算电网电压值e，用电流霍尔传感器采样输入电流值i、采用分压法采样整流模块直流侧电容C两端的直流电压值Vdc；步骤（2），将采样得到的直流侧输出电压Vdc与指令直流电压Vdc_ref的差通过PI调节，PI调节器输出得到参考电流的幅值, 参考电流幅值与电网电压相位信息相乘得到参考电流i*。步骤（3），通过建立整流器的预测模型，预测得到下一时刻的参考电压矢量；步骤（4），将步骤（3）得到的参考电压矢量和一个频率相同的双极性三角波叠加，其中双极性三角波在正负半周都包含多个幅值周期相同的三角波；步骤（5），将步骤（4）叠加得到的新的电压矢量作为参考电压矢量，代入目标函数遍历寻优得到最优电压矢量，输出开关信号S(k)并作用开关管。
在步骤（1）中，利用锁相电路得到电网电压的过零点，DSP根据电网电压的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据电网电压的过零点计算电网电压值e，在步骤（2）中利用电流霍尔传感器采样输入电流值i、采用分压法采样整流模块直流侧电容C两端的直流电压值Vdc。
在步骤（3）中，通过建立整流器的预测模型，预测得到下一时刻的参考电压矢量；在步骤（4）中，是将步骤（3）得到的参考电压矢量和一个频率相同的双极性三角波叠加，其中双极性三角波在正负半周都包含多个幅值周期相同的三角波；在步骤（5）中，是将步骤（4）叠加得到的新的电压矢量作为参考电压矢量，代入目标函数遍历寻优得到最优电压矢量，输出开关信号S(k)并作用开关管。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、实现有限集模型预测控制的定频，便于滤波器的设计；
2、可实现有限集模型预测控制的高频化，有效减小系统体积。
附图说明
图1是本发明的一种有限集模型预测控制的定频控制方法示意图；
图2a和图2b分别是正弦波和双极性三角波叠加示意图及得到的输出波形；
图3是应用本发明得到的预测模型输出参考矢量和双极性三角波叠加得到的仿真波形图；
图4是应用本发明的输入电压电流波形；
图5是应用本发明的开关S1的驱动信号仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明的实施方案做进一步的说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。
本实例的一种有限集模型预测控制的定频控制方法，主要步骤如下：
（S1）利用锁相电路得到电网电压的过零点，DSP根据电网电压的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据电网电压的过零点计算电网电压值e，并转换为数字信号；
（S2）利用电流霍尔传感器采样输入电流值i、采用分压法采样单相电压型PWM整流模块直流侧电容C两端的直流电压值Vdc，并转换为数字信号；
（S3）将输出直流电压Vdc与指令直流电压Vdc_ref的差作为电压外环的输入，电压外环采用PI控制，PI调节器输出得到参考电流的幅值, 参考电流幅值与电网电压相位信息相乘得到参考电流i*；
（S4）将步骤（3）得到的参考电压矢量和一个频率相同的双极性三角波叠加，其中双极性三角波在正负半周都包含多个幅值周期相同的三角波。其叠加原理可以用图2a说明，参考电压的波形为正弦波，和一个三角波叠加，输出的波形如图2b所示。
（S5）将步骤（4）叠加得到的新的电压矢量作为参考电压矢量，代入目标函数遍历寻优得到最优电压矢量，输出开关信号S(k)并作用开关管。
在步骤（S2）中，所述的输出直流电压（Vdc）采样采用电阻分压，并利用HCPL-7840隔离，再经过运放调理使采样电压适应DSP采样端口的电压范围。
作为优选，可选用德州仪器公司2000系列的DSP处理器进行算法计算。
在步骤（S3）中，将输出直流电压（Vdc）与指令直流电压（Vdc_ref）的差作为电压外环的输入，电压外环采用PI控制，PI调节器输出得到参考电流的幅值, 参考电流幅值与电网电压相位信息相乘得到参考电流i*。
图3是应用本发明得到的预测模型输出参考矢量和双极性三角波叠加得到的仿真波形图。比较图2b和图3可以看出，仿真和理论分析一致，叠加后得到的是新的锯齿波正弦波形。
图4是应用本发明的输入电压电流波形，可以看出输入电流跟随输入电压，实现单位功率因数。
图5是开关管S1的驱动波形图，可以看出开关管的开关频率恒定，同时频率也大大提高。
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 (1)

1.一种有限集模型预测控制的定频控制方法，其特征在于，根据变换器的预测模型，预测得到参考电压的波形，然后用此参考电压和一个双极性的三角波叠加，叠加得到的新的电压波形作为参考电压矢量，通过遍历寻优，选取最优电压矢量输出开关信号；具体包括：
（1）采样得到电网电压值e、输入电流值i、直流侧电容C两端的直流电压值Vdc;利用锁相电路得到电网电压的过零点，DSP根据电网电压的过零点实时计算电网周期，并以此更改控制周期，同时根据电网电压的过零点计算电网电压值e，用电流霍尔传感器采样输入电流值i、采用分压法采样变换器直流侧电容C两端的直流电压值Vdc；
（2）电压外环采用PI控制，得到参考电流i*，将采样得到的直流侧电容C两端的直流电压值Vdc与指令直流电压Vdc_ref的差通过PI调节，PI调节器输出得到参考电流的幅值, 参考电流幅值与电网电压相位信息相乘得到参考电流i*，并输入预测模型；
（3）根据预测模型得到参考电压的波形，通过建立变换器的预测模型，预测得到下一时刻的参考电压的波形；
（4）将得到的参考电压的波形和一个双极性的三角波叠加，得到新的电压波形；将步骤（3）得到的参考电压的波形和一个频率相同的双极性三角波叠加，其中双极性三角波在正负半周都包含多个幅值周期相同的三角波；
（5）遍历寻优得到最优电压矢量，将步骤（4）叠加得到的新的电压波形作为参考电压矢量，代入目标函数遍历寻优得到最优电压矢量，输出开关信号S(k)并作用开关管。
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