CN109301823A - 一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法，将三相变流器的FCS‑MPC控制算法表示为：利用变流器FCS‑MPC控制算法推导结果，对电压补偿单元建立FCS‑MPC控制算法为：②利用变流器FCS‑MPC控制算法推导结果，对电流补偿单元建立FCS‑MPC控制算法为：本发明通过对FCS‑MPC控制算法进行详细的推导，将其应用到电能质量扰动中电压以及电流补偿，进行仿真验证该算法能够对电压暂降、谐波以及电流谐波、无功等电能质量问题进行补偿，可以解决三相电网中的电能质量问题。

Description

一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿 方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的发展，大量新型电力电子设备、冲击性电源接入电网中，导致电网中出现严重的电能质量问题。有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)是解决电能质量问题最有前途的方案。它们可以分类为并联型APF，串联型APF，混合型APF和统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)。UPQC综合串联型APF和并联APF的功能，既能消除电压质量问题又能消除电流质量问题，具有综合电能调节能力，但是到目前为止世界上还没有将此类设备投入到实际运行中去。但在国内外学者的共同研究下，UPQC在拓扑结构、检测方法以及控制补偿策略方面都有了很大的提升，使UPQC强大的电能质量调节能力能够充分的发挥。

智利学者J.Rodriguez等人在2005年在变流器中成功应用了FCS-MPC算法，并于两年后在著名期刊IEEE上发表论文，将FCS-MPC算法又成功的应用到两电平和三电平变流器中，并对其作出了更加详细的介绍，其中还与PI控制器进行了比较，充分显示了FCS-MPC快速的响应、多目标控制以及建模简单等优点，为其在变流器应用奠定了理论基础。

随着众多学者不断地研究发展，FCS-MPC算法已经成功的应用到各种变流器中，由于UPQC电压补偿单元以及电流补偿单元均为变流器，因此，可以很好的将FCS-MPC应用到UPQC中完成电压以及电流补偿的功能。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法，该方法可以对变流器的开关状态进行预测，能够将变流器的开关状态和系统的控制目标有效的结合在一起且控制方法简单，易于实现。

如上构思，本发明的技术方案是：一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法，将三相变流器的FCS-MPC控制算法表示为：

式中，n为变流器不同开关状态所对应的编号，xⁿ(k+1)为(k+1)T时刻的状态矢量预测值，

gⁿ(k+1)为电流或电压预测中的价值函数，与为状态矢量参考值，x^*(k+1)在αβ坐标系下所对应的坐标值，与为状态矢量预测值xⁿ(k+1)在αβ坐标系下所对应的坐标值。

arg_nmingⁿ(k+1)为gⁿ(k+1)选取最小值，n_o为gⁿ(k+1)取得最小值时所对应的开关状态编号，

其特征在于：

①利用变流器FCS-MPC控制算法推导结果，对电压补偿单元建立FCS-MPC控制算法为：

预测电压补偿单元在k+1输出的电压输出补偿量v_c(k+1)，首先将k时刻的输出电压v_c(k)、滤波电流i_f(k)以及输出电流i_o(k)输入到电压模型预测公式

中，从而预测到k+1时刻的电压然后，将其输入到价值函数式

中，得到其跟踪误差最小的预测电压，最后，用该电压所对应的开关状态来控制逆变器的输出，即完成了电压补偿单元FCS-MPC控制；

②利用变流器FCS-MPC控制算法推导结果，对电流补偿单元建立FCS-MPC控制算法为：

预测电流补偿单元在k+1输出的电流输出补偿量i_f(k+1)，首先将k时刻的输出电压v_c(k)、滤波电流i_f(k)以及输出电流i_o(k)输入到电流模型预测公式

中，从而预测到k+1时刻的电流然后，将其输入到价值函数式

中，得到其跟踪误差最小的预测电流，最后，用该电流所对应的开关状态来控制逆变器的输出，即完成了电流补偿单元FCS-MPC控制。

本发明是针对统一电能质量补偿器中PI控制补偿策略容易受到电网电压的影响而设计的，通过对FCS-MPC控制算法进行详细的推导，将其应用到电能质量扰动中电压以及电流补偿，进行仿真验证该算法能够对电压暂降、谐波以及电流谐波、无功等电能质量问题进行补偿，可以解决三相电网中的电能质量问题。

附图说明

图1是三相三线UPQC拓扑结构图；

图2是两电平三相变流器拓扑结构图；

图3是变流器电压矢量图；

图4是电压补偿单元FCS-MPC控制结构图；

图5是电流补偿单元FCS-MPC控制结构图；

图6是直流侧电容电压控制结构图。

具体实施方式

一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法，所要解决的技术问题是：1、对三相变流器中FCS-MPC控制的基本原理进行分析研究；2、建立电压FCS-MPC控制补偿算法；3、建立电流FCS-MPC控制补偿算法。本发明所采用的技术方案是：

有限状态模型预测控制(FCS-MPC)针对变流器的开关状态非线性具有良好的控制效果，由于UPQC电压补偿单元和电流补偿单元采用的均是变流器，因此可以采用电压以及电流FCS-MPC控制补偿算法。

如图1所示：给出了三相三线UPQC的拓扑结构图。它是由交流电网、串联变压器、串联变流器、直流环节、并联变流器、负载、电压补偿单元、电流补偿单元组成。

1、FCS-MPC算法的基本原理

有限状态模型预测控制(FCS-MPC)针对变流器的开关状态非线性具有良好的控制效果，由于UPQC电压补偿单元和电流补偿单元采用的均是变流器，因此可以采用电压以及电流FCS-MPC控制补偿算法，首先介绍FCS-MPC算法的基本原理。

两电平三相变流器拓扑结构如图2所示：图中，v_dc为变流器直流侧电压，v_aN、v_bN、v_cN为变流器交流侧电压，P点为直流侧正极，N点为直流侧负极。

变流器输出电压空间矢量可以定义为

根据上式，变流器输出电压空间矢量为

若忽略IGBT在开关中的损耗，则

则变流器输出电压空间状态矢量v_i与开关状态矢量S之间的关系为

v_i＝v_dcS (3)

v_i具有八种电压输出状态，如图3所示，v_i可以表示为

v_i＝Ee^j(i-1)π/3i＝1,…,6；v₀＝v₇＝0 (4)

式中，E表示为系数，零矢量v₀代表变流器的下桥臂全部导通，v₇代表变流器的上桥臂全部导通。

类似于v_i，滤波电流i_f、输出电压v_c和输出电流i_o空间状态矢量可以定义为

LC滤波器由于电容以及电感所具有的特性，可以得到两个微分方程。以a相为例：

因此微分方程(8)和(9)可以表示为

将微分方程(10)和(11)放在同一矩阵中，可以得到该系统的状态方程：

其中

在采样周期T内，可以将(12)进行离散化处理，得到系统状态方程的离散形式：

x(k+1)＝A_qx(k)+B_qv_i(k)+B_dqi_o(k) (13)

式中

由图3可得输出电压空间状态矢量v_i取决于开关器件IGBT的开关状态，假设不同开关状态下的输出电压空间状态矢量为在kT时刻，根据所输出的交流侧电压空间状态矢量利用变流器的状态方程，预测(k+1)T时刻的状态矢量，有

式中，n为变流器不同开关状态所对应的编号，xⁿ(k+1)为(k+1)T时刻的状态矢量预测值。

为了尽可能的减小状态矢量预测值xⁿ(k+1)与参考值x^*(k+1)之间的误差，需要对不同开关状态下的预测值进行评估，因此定义如下的价值函数：

式中，与为状态矢量参考值x^*(k+1)在αβ坐标系下所对应的坐标值，与为状态矢量预测值xⁿ(k+1)在αβ坐标系下所对应的坐标值。

通过对价值函数计算的结果进行比较，得到最小值以及最小值所对应的开关状态，并将作为下一个周期IGBT的控制信号，有

n_o＝arg_n min gⁿ(k+1)n＝1,2,…,8 (16)

式中，arg_nmingⁿ(k+1)为gⁿ(k+1)选取最小值，n_o为gⁿ(k+1)取得最小值时所对应的开关状态编号。

因此可以将变流器FCS-MPC控制算法表示为

2、基于有限状态模型预测的控制补偿策略

依据FCS-MPC算法的基本原理中的公式，分别推导出电压以及电流补偿单元的FCS-MPC控制算法。

2.1电压补偿单元FCS-MPC控制算法

利用变流器FCS-MPC控制算法推导结果，对电压补偿单元建立FCS-MPC控制算法。

将系数A_q、B_q和B_dq代入到(13)式中，可以得到电压状态方程的离散形式：

v_c(k+1)＝a₃i_f(k)+a₄v_c(k)+b₂v_i(k)+c₂i_o(k) (18)

由式(14)(18)从而得电压状态矢量的预测方程：

电压预测中价值函数可以表示为

因此可以将变流器FCS-MPC电压控制算法表示为

采用FCS-MPC电压控制算法的三相电压补偿单元的结构图，如图4所示。

由图4可得，为了预测电压补偿单元在k+1输出的电压输出补偿量v_c(k+1)，首先将k时刻的v_c(k)、i_f(k)以及i_o(k)输入到电压模型预测公式中，从而预测到k+1时刻的电压然后，将其输入到价值函数式中，得到其跟踪误差最小的预测电压。最后，用该电压所对应的开关状态来控制逆变器的输出，即完成了电压补偿单元FCS-MPC控制。

2.2电流补偿单元FCS-MPC控制算法

利用变流器FCS-MPC控制算法推导结果，对电流补偿单元建立FCS-MPC控制算法。

将系数A_q、B_q和B_dq代入到(13)式中，可以得到电流状态方程的离散形式：

i_f(k+1)＝a₁i_f(k)+a₂v_c(k)+b₁v_i(k)+c₁i_o(k) (22)

由式(14)(22)从而得电流状态矢量的预测方程：

电流预测中价值函数可以表示为：

因此可以将变流器FCS-MPC电流控制算法表示为

采用FCS-MPC电流控制算法的三相电流补偿单元的结构图如图5所示。

由图5可得，为了预测电流补偿单元在k+1输出的电流输出补偿量i_f(k+1)，首先将k时刻的v_c(k)、i_f(k)以及i_o(k)输入到电流模型预测公式中，从而预测到k+1时刻的电流然后，将其输入到价值函数式中，得到其跟踪误差最小的预测电流。最后，用该电流所对应的开关状态来控制逆变器的输出，即完成了电流补偿单元FCS-MPC控制。

3、直流环节控制策略

在FCS-MPC控制算法中，直流侧电容电压控制如图6所示。图中，为电容电压设定值，v_dc为电容电压参考值，虚线部分表示直流侧控制环节。

由图6得，检测出的电流补偿量i_sah、i_sbh、i_sch进行dq坐标转换得到i_sdh、i_sqh。直流侧电容电压设定值与实际值作差，经过PI控制器后得到电流控制指令Δi_d，将其与i_sdh相加，再经过dq坐标反转换得到包含直流侧电容电压控制的补偿电流i'_sah、i'_sbh、i'_sch，从而将电容电压稳定到设定值。

本发明对FCS-MPC控制算法进行详细的推导，成功的将其应用到电能质量扰动中电压以及电流补偿，进行仿真验证该算法能够对电压暂降、谐波以及电流谐波、无功等电能质量问题进行补偿，可以解决三相电网中的电能质量问题。

Claims (1)

1.一种基于有限状态模型预测控制策略的电能质量扰动补偿方法，将三相变流器的FCS-MPC控制算法表示为：

式中，n为变流器不同开关状态所对应的编号，xⁿ(k+1)为(k+1)T时刻的状态矢量预测值，

gⁿ(k+1)为电流或电压预测中的价值函数，与为状态矢量参考值，x^*(k+1)在αβ坐标系下所对应的坐标值，与为状态矢量预测值xⁿ(k+1)在αβ坐标系下所对应的坐标值。

arg_nmingⁿ(k+1)为gⁿ(k+1)选取最小值，n_o为gⁿ(k+1)取得最小值时所对应的开关状态编号，

其特征在于：

①利用变流器FCS-MPC控制算法推导结果，对电压补偿单元建立FCS-MPC控制算法为：

预测电压补偿单元在k+1输出的电压输出补偿量v_c(k+1)，首先将k时刻的输出电压v_c(k)、滤波电流i_f(k)以及输出电流i_o(k)输入到电压模型预测公式

中，从而预测到k+1时刻的电压然后，将其输入到价值函数式

中，得到其跟踪误差最小的预测电压，最后，用该电压所对应的开关状态来控制逆变器的输出，即完成了电压补偿单元FCS-MPC控制；

②利用变流器FCS-MPC控制算法推导结果，对电流补偿单元建立FCS-MPC控制算法为：

预测电流补偿单元在k+1输出的电流输出补偿量i_f(k+1)，首先将k时刻的输出电压v_c(k)、滤波电流i_f(k)以及输出电流i_o(k)输入到电流模型预测公式

中，从而预测到k+1时刻的电流然后，将其输入到价值函数式

中，得到其跟踪误差最小的预测电流，最后，用该电流所对应的开关状态来控制逆变器的输出，即完成了电流补偿单元FCS-MPC控制。