CN108667003B - 一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法，属于电力电子变流技术、工业控制领域。该方法首先结合无差拍控制，得到k+1时刻参考电压与参考电流的关系；然后将上一时刻即k时刻的最优电压继续作用电路，以得到k+1时刻的预测电流；将所得的参考电流和预测电流表达式相减，再结合Lyapunov第二定理定义的电流误差关系，从而得到改进的控制率。本发明公布的方法具有鲁棒性提高，计算量大大减小的优点，可以很好地满足电力电子系统的工作要求。

Description

一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变流和工业控制技术领域，尤其涉及一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法。

背景技术

传统模型预测控制技术的一个主要特点是利用系统模型来预测控制变量的未来行为，这带来的一个明显的缺陷是对控制变量的预测准确度严重依赖于系统模型，当系统中某个或多个参数出现测量误差或者随环境的变化而发生改变时，传统预测控制技术并不能保证系统的性能，严重时甚至导致系统失稳。此外，传统预测控制技术目标函数采用预测电流与参考电流之差的绝对值，在一个开关周期中，对每一个离散电压矢量，都要计算一次预测电流值，这使得处理器的计算负担过大。因而，如何提升预测控制系统的鲁棒性和运算速度成为了研究热点。

发明内容

针对传统模型预测控制的不足，本发明的目的在于降低对预测控制系统参数的依赖程度，提升系统鲁棒性，并加快运算速度。该方法利用上一时刻的最优离散电压构建控制率：利用无差拍控制得到k+1时刻参考电流与参考电压关系式，假定k时刻最优离散电压矢量仍作用于系统，得到k+1时刻预测电流表达式，将得到的参考电流与预测电流表达式相减，结合Lyapunov第二定理定义的误差关系式，得到k+1时刻参考电压表达式。在目标函数中遍历寻优，得到使目标函数最小的离散电压矢量，转换为对应的开关矢量作用于变换器。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现。

一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法，主要步骤如下：

(S1)建立系统交流侧电流离散状态方程测定系统k时刻交流电流值，并与k时刻参考电流值送往控制器；

(S2)结合Lyapunov第二定理定义的误差关系式，假定k时刻最优离散电压仍作用于电路得到k+1时刻预测电流表达式，确保系统稳定条件下选择使系统性能最佳的控制系数；

(S3)使用k时刻的最优离散电压矢量、k时刻的测量电流值、k时刻参考电流值及相关参数得到k+1时刻的参考电压；

(S4)对目标函数寻优，得到使得目标函数最小的k+1时刻最优离散电压矢量，并转换为相关开关矢量作用于变换器。

进一步的，在(S1)中，设系统的采样周期为T,得系统离散状态方程：

测量k时刻交流侧电流值，将其和参考电流值一起送往控制器备用。

进一步的，在(S2)中，利用Lyapunov第二定理定义的电流误差关系式，i(k+1)-i^*(k+1)＝α[i(k)-i^*(k)]，结合无差拍控制和系统离散状态方程，假定参考电流值等于预测电流值，得到k+1时刻参考电流与参考电压关系式，结合假定k时刻最优离散电压仍作用于电路得到的k+1时刻预测电流表达式以确定保证系统性能最优时的控制系数α的值。

进一步的，在(S3)中，根据得到的k时刻的测量电流值、k时刻参考电流值，k时刻最优离散电压矢量及相关参数，利用改进的控制率，V_r ^*(k+1)＝V_opt(k)+αC(i(k)-i^*(k))，其中V_r ^*是参考电压，V_opt是最优电压，α是控制系数，i是交流侧电流，C是系统参数，得到k+1时刻参考电压矢量。

进一步的，在(S4)中，定义目标函数，g＝|V_r ^*(k+1)-V(k+1)|，V是开关离散电压矢量，根据所得到的参考电压矢量，带入目标函数后，遍历寻优得到使目标函数值最小的离散电压矢量，将该电压矢量转换为对应的开关矢量并输入变换器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、在参考电压的计算式中，消除了交流侧电压，降低了控制率对系统参数的依赖性，提升了系统鲁棒性；

2、使用参考电压定义目标函数，每个时刻只需要计算一次下一时刻的参考电压，再对每个开关矢量计算对应目标函数，减少了计算量；

3、联系两个相邻时刻的最优离散电压矢量，利于分析系统性能。

附图说明

图1是本发明利用一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法的示意图(α＝0.65)。

图2是应用本发明实验得到的稳态交流侧电流波形效果图。

图3a、图3b分别是应用本发明实验得到的在电感值减小25％和增大25％的电流波形效果图。

图4a、图4b分别是应用本发明实验得到的在交流侧电压减小15％和增大15％时的电流波形效果图。

具体实施方法

以下结合附图和实例，对本发明的具体实施作进一步说明，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过程或符号(如KVL定律)，均是本领域技术人员可参照现有技术实现或理解的。

图1所示是本实例提出的一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法示意图，主要步骤如下：

下面以单相PWM电压型整流器为例进行说明。

(S1)选择电感电流i(k)作为系统的状态变量，根据KVL(基尔霍夫电压定律)列出系统离散时刻的状态方程：

设系统的采样周期为T，根据前进欧拉法，将离散时刻的状态方程改为离散形式：

改写得到：

(S2)结合无差拍控制，当k+1时刻预测电流值等于参考电流值时，得到k+1时刻参考电压：

利用Lyapunov第二定理定义的电流误差关系式：

i(k+1)-i^*(k+1)＝α[i(k)-i^*(k)]

假定k时刻最优离散电压矢量仍作用于电路，得到k+1时刻预测电流值：

利用Lyapunov第二定理确定使系统性能最佳的控制系数α；

(S3)利用(S1)和(S2)中得到的表达式，得到控制率：

(S4)定义目标函数：

g＝|V_r ^*(k+1)-V(k+1)|

对每个离散电压矢量计算对应的目标函数值，比较得到使目标函数值最小即min(g)的离散电压矢量，转换为对应的开关函数输入到变换器。

如图2和图3a、图3b所示，稳态交流侧电流波形好，畸变率低；电感变化时交流侧电流失真小，系统鲁棒性提升，动态响应快；图4a、图4b所示在交流侧电压变化时交流侧电流很好地跟随参考电流，且基本无波动，消除了交流电压波动对系统的影响，鲁棒性提高。

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 (3)

1.一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

(S1)建立系统交流侧电流离散状态方程，测定系统k时刻交流电流值，并与k时刻参考电流值送往控制器；

(S2)结合Lyapunov第二定理定义的误差关系式，假定k时刻最优离散电压仍作用于电路，得到k+1时刻预测电流表达式，确保系统稳定条件下选择使系统性能最佳的控制系数；利用Lyapunov第二定理定义的电流误差关系式，i(k+1)-i^*(k+1)＝α[i(k)-i^*(k)]，i是交流侧电流，结合无差拍控制和系统离散状态方程，假定参考电流值等于预测电流值，得到k+1时刻参考电流与参考电压关系式，结合假定k时刻最优离散电压仍作用于电路得到的k+1时刻预测电流表达式以确定保证系统性能最优时的控制系数α的值；

(S3)使用k时刻的最优离散电压矢量、k时刻的测量电流值、k时刻参考电流值及相关参数计算得到k+1时刻的参考电压，根据得到的k时刻的测量电流值、k时刻参考电流值，k时刻最优离散电压矢量及相关参数，利用改进的控制率，V_r ^*(k+1)＝V_opt(k)+αC(i(k)-i^*(k))，其中

是参考电压，V_opt是最优电压，α是控制系数，i是交流侧电流，C是系统参数，得到k+1时刻参考电压矢量；

(S4)对目标函数寻优，定义目标函数g＝|V_r ^*(k+1)-V(k+1)|，V是开关离散电压矢量，得到使得目标函数最小的k+1时刻最优离散电压矢量，并转换为相关开关矢量作用于变换器。

2.根据权利要求1所述的一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法，其特征在于：在(S1)中，设系统的采样周期为T,得系统离散状态方程：

测量k时刻交流侧电流值，将其和参考电流值一起送往控制器备用。

3.根据权利要求1所述的一种消除交流侧电压波动影响的预测控制方法，其特征在于：在(S4)中，根据所得到的参考电压矢量，代入目标函数后，遍历寻优得到使目标函数值最小的离散电压矢量，将该电压矢量转换为对应的开关矢量并输入变换器。

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