CN109412444B - 一种定频有限集模型预测控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定频有限集模型预测控制方法，该方法包括由PI控制器和一个二阶广义积分器(SOGI)级联构成的外环得到内环参考值x*(k+1)；根据模型预测控制算法，得到k+1时刻的控制参考量ur(k+1)；构造一个结合载波调制的目标函数，将备选电压矢量ui(k+1)与调制系数Ci相乘；选出使目标函数最小的电压矢量为作用于k+1时刻的电压矢量。本发明简单有效，在不改变传统有限集模型预测控制(FCS‑MPC)优良性能的同时实现开关频率固定，解决了传统FCS‑MPC频谱分散的问题，改善了稳态控制性能，易于设计输出滤波器。

Description

一种定频有限集模型预测控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换器控制技术领域，具体涉及一种定频的有限集模型预测控制算法。
背景技术
随着电力电子及半导体技术的快速发展，功率变换器的开关频率、功率密度、转换效率及环境适应性等性能指标得到全面提升和改善，传统线性控制策略由于在控制精度及动态响应方面的局限性，难以满足变换器在稳态、动态及鲁棒性等方面的控制需求。而FCS-MPC直接利用功率变换器离散特性和开关状态有限特性，控制原理简单、易于建模、无需调制器和复杂控制参数设计，易于增加控制约束，鲁棒性强，动态响应快，对解决系统非线性及不确定性等问题具有较好的效果。
但传统FCS-MPC存在一个很大的问题：开关频率不固定，变换器输出电压、电流的频谱分散，使得滤波器的设计变得困难。这阻碍了FCS-MPC的进一步发展和应用。目前也有一些关于FCS-MPC定频控制策略的研究，但这些策略在改善频谱分散的同时又引入新的问题，实用性不强。如一些研究结合占空比控制，在一个控制周期中同时作用最优矢量和零电压矢量，但这种方法需要计算并控制矢量作用的时间，增大了算法运算量以及处理器的负担；另一些研究在目标函数中加入陷波滤波器，提取出开关频率，这虽然可实现定频控制，但数字滤波器会大大增加控制时延，影响控制性能。
为此，本发明提出了一种简单有效的定频有限集模型预测控制算法。
发明内容
本发明针对传统FCS-MPC存在的频谱分散问题，提出了一种简单有效的定频有限集模型预测控制算法，在不改变传统FCS-MPC优良性能的同时实现开关频率固定。
本发明通过如下技术方案实现。
一种定频有限集模型预测控制方法，包括以下步骤：
步骤1：外环由PI控制器和一个二阶广义积分器(SOGI)级联构成，根据k时刻外环被控量实际值y(k)及其参考值y*(k)得到k+1时刻的内环参考值x*(k+1)。
步骤2：根据已有模型预测控制算法，得到k+1时刻的控制参考量ur(k+1)。
ur(k+1)＝Ax(k)+Bx*(k+1)+Cy(k)
式中，x(k)为k时刻内环被控量；A、B、C为与变换器相关的标称参数。
步骤3：构造一个结合载波调制的目标函数：
J＝|ur(k+1)-Ci·ui(k+1)|
其中：ui(k+1)为备选电压矢量；Ci为调制系数。
步骤4：在每个采样周期Ts中将备选电压矢量分别带入步骤3中的目标函数计算，选出使目标函数J最小的电压矢量为作用于k+1时刻的电压矢量。
进一步的，步骤3中调制系数Ci的计算方法如下：一个开关周期Tsw由N(N≥2)个采样周期Ts组成，在一个开关周期Tsw内，第i个采样周期对应的调制系数Ci：
Figure BDA0001794630080000021
。
与现有技术相比，本发明的控制方法具有如下优点和有益效果：
1.实现了定频控制
本发明构造一个结合载波调制的目标函数，将调制系数与备选电压相乘，在通过目标函数寻优的过程中可实现开关频率固定。
2.控制方法简单、性能优良
本发明所实施的方法与传统FCS-MPC相比仅仅在目标函数中多乘了一个调制系数，该系数的计算可离线完成，总的计算量基本与传统FCS-MPC相同，因此传统FCS-MPC的优良性能也得以保留。
附图说明
图1为本发明的一种定频有限集模型预测控制方法的总流程示意图。
图2为定频有限集模型预测控制方法应用于单相全桥电压型逆变器中的控制示意图；
图3为调制系数取值示意图；
图4为逆变器输出滤波电感电流波形图；
图5为逆变器输出滤波电感电流波形的FFT分析图。
具体实施方式
下面结合一个实施例和附图对本发明的技术方案作详细说明，但本发明的实施例不限于此，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。
如图1，一种定频有限集模型预测控制方法，包括以下步骤：
步骤1：外环由PI控制器和一个二阶广义积分器(SOGI)级联构成，根据k时刻外环被控量实际值y(k)及其参考值y*(k)得到k+1时刻的内环参考值x*(k+1)。
步骤2：根据已有模型预测控制算法，得到k+1时刻的控制参考量ur(k+1)。
ur(k+1)＝Ax(k)+Bx*(k+1)+Cy(k)
式中，x(k)为k时刻内环被控量；A、B、C为与变换器相关的标称参数。
步骤3：构造一个结合载波调制的目标函数：
J＝|ur(k+1)-Ci·ui(k+1)|
其中：ui(k+1)为备选电压矢量；Ci为调制系数。
步骤4：在每个采样周期Ts中将备选电压矢量分别带入步骤3中的目标函数计算，选出使目标函数J最小的电压矢量为作用于k+1时刻的电压矢量。
本实施例将定频有限集模型预测方法应用于单相全桥电压型逆变器中，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：外环由PI控制器和一个二阶广义积分器级联构成，k时刻的逆变器输出电压采样值vo(k)和参考值vo *(k)经过外环后得到k+1时刻的参考电流值iL *(k+1)。
步骤2：根据已有模型预测控制算法，得到k+1时刻的参考电压矢量：
Figure BDA0001794630080000041
其中：L为逆变器的输出滤波电感值；Ts为控制器采样频率；iL(k)、vo(k)分别为k时刻(即当前时刻)的电感电流和输出电压值。
步骤3：构造一个结合载波调制的目标函数：
J＝|ur(k+1)-Ci·ui(k+1)| (2)
其中：ui(k+1)为备选电压矢量；Ci为调制系数。
步骤4：在每个采样周期Ts中将备选电压矢量分别带入式(2)计算，选出使目标函数J最小的电压矢量为作用于k+1时刻的电压矢量。
其中调制系数Ci的计算方法如下：一个开关周期Tsw由N(N≥2)个采样周期Ts组成，在一个Tsw内：
Figure BDA0001794630080000051
N取4时Ci的取值如图3所示。
在MATLAB中进行仿真实验，设置采样频率fs＝100kHz，测得本实施例逆变器输出滤波电感电流的波形如图4所示，其FFT分析如图5所示，谐波集中在fsw＝25kHz的开关频率上。
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实施例进行不同形式的变化，由此所引申出的不具有创造性的变动仍处于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种定频有限集模型预测控制方法，其特征在于，计算量与有限集模型预测控制算法相当，且实现开关频率固定，具体包括以下步骤：
步骤1：外环由PI控制器和一个二阶广义积分器(SOGI)级联构成，根据k时刻外环被控量实际值y(k)及其参考值y*(k)得到k+1时刻的内环参考值x*(k+1)；
步骤2：根据模型预测控制，得到k+1时刻的控制参考量ur(k+1)：
ur(k+1)＝Ax(k)+Bx*(k+1)+Cy(k)
式中，x(k)为k时刻内环被控量；A、B、C为与变换器相关的标称参数；
步骤3：构造一个结合载波调制的目标函数，目标函数为：
J＝|ur(k+1)-Ci·ui(k+1)|
其中：ui(k+1)为第i个采样周期的备选电压矢量；Ci为第i个采样周期的调制系数；调制系数Ci的计算方法如下：一个开关周期Tsw由N个采样周期Ts组成，在一个开关周期Tsw内：
Figure FDA0002773887520000011
步骤4：在每个采样周期Ts中将备选电压矢量分别带入步骤3中的目标函数计算，选出使目标函数J最小的电压矢量为作用于k+1时刻的电压矢量，实现开关频率固定。
2.根据权利要求1所述的一种定频有限集模型预测控制方法，其特征在于，所述N大于或等于2。
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