CN111277156B - 一种无权重因子的多电平逆变器fcs-mpc控制方法 - Google Patents
一种无权重因子的多电平逆变器fcs-mpc控制方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111277156B CN111277156B CN202010184488.3A CN202010184488A CN111277156B CN 111277156 B CN111277156 B CN 111277156B CN 202010184488 A CN202010184488 A CN 202010184488A CN 111277156 B CN111277156 B CN 111277156B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- vector
- switching vector
- optimal
- mode voltage
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
- H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
- H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
- H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
- H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
一种无权重因子多电平逆变器FCS‑MPC控制方法，多电平逆变器FCS‑MPC是一个典型的多目标最优化问题，为实现兼顾电压跳变限制、降低开关损耗、共模电压抑制、电流跟随控制的多电平逆变器无权重因子FCS‑MPC控制，本发明采用分层优化方法，通过对多电平逆变器优化性能指标的三层优化设计：第一层，基于电压跳变限制，选择上周期确定的最优开关矢量的相邻开关矢量；第二层，基于满意优化的共模电压抑制，在保证电流跟随性能优化不受影响情况下剔除第一层所选矢量中共模电压较大的冗余矢量；第三层，电流跟随性最优化控制，输出具有最优电流跟随性的开关矢量，并在下一控制周期作用于逆变器，该方法解决了权重因子整定问题，并可将预测运算量降低到4‑7次。
Description
技术领域
本发明涉及多电平逆变器控制技术领域，具体是一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法。
背景技术
自然资源日益匮乏，逆变器在节能减排上有着重要作用，传统的两电平逆变器已经无法满足生产实践需要，而多电平逆变器由于器件应力小、谐波含量少、等效开关频率低等优点被广泛关注和研究。有限控制集模型预测控制(finite control set modelpredictive control，FCS-MPC)技术具有建模直观，控制简单，可实现多目标优化控制，且无PWM调制器及PI参数调节等优点，已成为多电平逆变器控制的主要研究方向。
多电平逆变器FCS-MPC是一个典型的多目标最优化问题，传统的权重因子法FCS-MPC存在权重因子整定设计困难问题，很难通过一组权重因子满足不同优化性能指标的要求，且无通用、有效的权重因子整定方法，目前多采用实验试凑的方法。因此，本发明提出一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法。
发明内容
发明目的：为解决多电平逆变器FCS-MPC多目标优化控制中存在的权重因子整定困难问题，实现兼顾电压跳变限制、降低开关损耗、共模电压抑制、电流跟随控制的多电平逆变器无权重因子FCS-MPC控制。本发明提出了一种无权重因子多电平逆变器的控制方法。
采用分层优化方法将多电平逆变器的性能指标分为三层，以解决多电平逆变器中权重因子整定困难的问题，并降低预测运算量。第一层，在满足电压跳变限制的前提下，根据上周期确定的最优开关矢量进行相邻开关矢量选择。由于开关矢量自身的冗余矢量在电流跟随控制上效果相同，但三相均有一对开关动作导致开关损耗过大，所以在矢量选择时排除上周期最优矢量的冗余矢量，这样可大大缩减优化矢量的选择范围，以五电平逆变器为例，可将优化矢量范围由125个缩小到5-13个；第二层，在共模电压抑制环节引入满意优化策略。由于冗余矢量的电流控制效果相同而共模电压抑制作用不同，为保证多电平逆变器电流跟随控制这一核心控制指标，并降低系统输出共模电压，利用“共模电压满意抑制”代替“共模电压最优抑制”，在剔除上一步所选矢量中共模电压较大的冗余矢量的同时为电流跟随性控制提供更多的选择，同时可进一步将矢量选择范围缩减到4-7个；第三层，进行电流跟随最优控制。选择具有最优电流跟随性的开关矢量作为最终优化开关矢量输出，并在下一控制周期作用于逆变器。
技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值，将上周期的最优开关矢量作用于逆变器，获取下周期可能的优化开关矢量，并预测根据预测型预估出tk+1时刻的电流值；
(1.1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，下标α、β指两相静止坐标系-αβ坐标系，iα(tk)为α坐标轴实际值，iβ(tk)为β坐标轴实际值；并将上周期所选最优开关矢量S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用于逆变器，下标a,b,c指逆变器三相桥臂；
(1.2)延时补偿，不同拓扑结构和负载的多电平逆变器对应着不同的预测模型，根据系统预测模型，预测S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用下tk+1时刻的电流值
上标p指模型预测值，
为tk+1时刻α坐标轴预测电流值，
为tk+1时刻β坐标轴预测电流值；
(2)在满足电压跳变限制的前提下，根据上周期确定的最优开关矢量进行相邻开关矢量选择，排除下周期可能的优化开关矢量的冗余矢量
实施第一层电压跳变限制优化。多电平逆变器上周期选择最优开关矢量为S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))，则下周期可能的优化开关矢量S(tk+1)＝(Sa(tk+1),Sb(tk+1),Sc(tk+1))，除满足逆变器拓扑决定的取值范围外，还还必须满足的约束条件为：
(4)实施第二层共模电压抑制满意优化。由于多电平逆变器同一位置下的多个冗余矢量虽然电流跟随性控制性能一致，但对应的共模电压幅值不同，且共模电压幅值最小的矢量有且仅有一个。因此，可根据多电平逆变器拓扑所决定的共模电压幅值范围，及剔除第3)步所选矢量中共模电压较大的冗余矢量，并为电流跟随性控制提供更多的选择的要求，确定共模电压的满意优化区间。记所有可能的共模电压优化开关矢量为S(tk+1)i＝(Sa(tk+1)i,Sb(tk+1)i,Sc(tk+1)i),1≤i≤n，分别计算共模电压：
以五电平逆变器为例，共模电压满意区间可设置为
其中，E为逆变器直流侧一个电容电压的幅值。
(5)实施第三层电流跟随性最优控制。根据系统预测模型，分别预测第4)步所确定的可选优化矢量作用下tk+2时刻的电流值
根据电流跟随评价函数，如式(2)，选取具有最优电流跟随性的开关矢量作为系统的最优开关矢量，即输出电流跟随误差最小的开关矢量，作用于下一控制周期。
式中，上标*为给定参考值，
为α-β坐标系给定电流参考值，
为tk+2时刻α坐标轴预测电流值，
为tk+2时刻β坐标轴预测电流值。
(6)下一控制周期重复上述过程。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：
(1)按照电压跳变限制、共模电压抑制满意优化、电流跟随最优化控制由高到低的三层优化体系设计，实现了多电平逆变器的无权重因子FCS-MPC控制。
(2)降低了预测运算量，对于不同多电平逆变器拓扑，预测寻优运算量可缩减到4-7次。
附图说明
图1基于第一层电压跳变限制优化的可选开关矢量分布图；
图2一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法流程图；
图3一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制效果图。
具体实施方式
下面结合附图，以五电平逆变器带阻感负载时的无权重因子FCS-MPC控制对本发明作进一步说明，该发明的具体实施步骤如：
1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，iα(tk)为α坐标轴实际值，iβ(tk)为β坐标轴实际，并将上周期所选最优开关矢量S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用于逆变器；
2)控制延时补偿。由于本周期预测的最优矢量只能作用于下一控制周期，而本周期施加作用的是上周的最优矢量，因此必须对电流实际值进行一个控制周期的预测补偿。即根据预测模型预测S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用下tk+1时刻的预测电流值：
对于实施例所述五电平逆变器带阻感负载的FCS-MPC系统，其预测模型为：
式中，
R、L为负载的电阻、电感，E为直流侧电压的一半，Ts为系统的采样周期，I为单元矩阵。
3)实施第一层电压跳变限制优化。假设多电平逆变器上周期选择最优开关矢量为S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))，根据下周期可能的优化开关矢量S(tk+1)＝(Sa(tk+1),Sb(tk+1),Sc(tk+1))必须满足的约束条件：
则可以根据式(4)选择可能的优化开关矢量。对于五电平逆变器可能的优化开关矢量选择范围：
且满足逆变器拓扑决定的开关函数的取值范围，对于五电平逆变器：
Sx(tk+1)∈[-2 2],x∈{a,b,c} (6)
实施第一层优化后可将五电平逆变器的可选优化矢量缩减到5-13个，优化开关矢量选择范围分布如图1所示，最外层六边形的六个顶点可能的优化开关矢量数量为5个；除6个顶点外的最外层矢量可能的优化开关矢量数量为7个；次外层矢量可能的优化开关矢量数量为10个；其余矢量可能的优化开关矢量数量为13个。
4)实施第二层共模电压抑制满意优化。为简化优化性能函数设计，避免权重因子整定环节，引入满意优化思想，根据式(5)中S(tk+1)i＝(Sa(tk+1)i,Sb(tk+1)i,Sc(tk+1)i),1≤i≤13分别计算共模电压：
由于多电平逆变器同一位置下的多个冗余矢量虽然电流跟随性控制性能一致，但对应的共模电压幅值不同，且共模电压幅值最小的矢量有且仅有一个。综合分析所有开关矢量的共模电压幅值情况，根据多电平逆变器拓扑所决定的矢量范围，及剔除第3)步所选矢量中共模电压较大的冗余矢量，并为电流跟随性控制提供更多的选择的要求，确定五电平逆变器的共模电压的满意优化区间[0E/3]，其中E为逆变器直流侧一个电容电压的幅值。可设置如下的满意优化判断函数：
当μi＝0说明该开关矢量不满足共模电压抑制满意优化要求，则直接舍弃，不再用于下一层的优化；当μi＝1说明该开关矢量满足共模电压抑制满意优化要求，则保留并用于下一层的优化。经共模电压满意优化后可将逆变器输出共模电压幅值限制在最高E/3，并将可选优化矢量范围缩减到4-7个。
5)实施第三层电流跟随性最优控制。针对第4)步所确定的可选优化矢量，分别计算tk+2时刻的电流预测值
预测模型形式与式(3)完全相同，在延时补偿的基础上进行预测：
根据式(2)所述电流跟随评价函数
即比较tk+2时刻的电流预测值与给定值间差值大小，选取具有最优电流跟随性的开关矢量，即输出电流跟随误差最小的开关矢量，作为系统的最优开关矢量，式中上标*为给定参考值，
为α-β坐标系给定电流参考值，
为tk+2时刻α坐标轴预测电流值，
为tk+2时刻β坐标轴预测电流值。
6)输出5)所得的最优开关矢量，并在下一周期中作用于逆变器。
7)下一周期重复上述步骤。
图2为五电平逆变器无权重因子FCS-MPC控制算法流程图。图3为无权重因子FCS-MPC在五电平逆变器中的应用效果，给定幅值和相位突变时均具有良好的动态性能；动态过程中相电压及线电压均无超过一个电平等级的电压跳变；共模电压维持在E/3以下，实现了基于满意优化冗余矢量最小共模电压控制。表明本发明所提无权重因子FCS-MPC控制方法成功解决了权重因子整定困难的问题，有效地降低了逆变器的模型预算计算量(缩减到4-7次)，并具有良好的控制性能。
Claims (5)
1.一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值，将上周期选择的最优开关矢量作用于逆变器，获取下周期可能的优化开关矢量，并预测根据预测型预估出tk+1时刻的电流值；
(2)在满足电压跳变限制的前提下，根据上周期选择的最优开关矢量进行相邻开关矢量选择，排除下周期可能的优化开关矢量的冗余矢量；
(3)根据步骤(2)中排除了冗余矢量的下周期可能的优化开关矢量计算共模电压幅值，将所计算的共模电压幅值与设置共模电压幅值条件比较，如果符合条件，则保留最优开关矢量；否则，剔除最优开关矢量；
(4)选择具有最优电流跟随性的开关矢量作为最终优化开关矢量输出，并在下一控制周期作用于逆变器；
(5)下一控制周期重复上述过程。
2.根据权利要求1所述的一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，步骤(1)的方法具体如下：
(1.1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，下标α、β指两相静止坐标系-αβ坐标系，iα(tk)为α坐标轴实际值，iβ(tk)为β坐标轴实际值；并将上周期所选最优开关矢量S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用于逆变器，下标a,b,c指逆变器三相桥臂；
(1.2)延时补偿，根据系统预测模型，预测S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用下tk+1时刻的电流值
上标p指模型预测值，
为tk+1时刻α坐标轴预测电流值，
为tk+1时刻β坐标轴预测电流值。
3.根据权利要求1所述的一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，步骤(2)的方法具体如下：多电平逆变器上周期选择最优开关矢量为S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))，则下周期可能的优化开关矢量S(tk+1)＝(Sa(tk+1),Sb(tk+1),Sc(tk+1))，除满足逆变器拓扑决定的取值范围外，还还必须满足的约束条件为：
4.根据权利要求1所述的一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，步骤(3)的方法具体如下：
(3.1)记步骤(2)中下周期可能的优化开关矢量为：S(tk+1)i＝(Sa(tk+1)i,Sb(tk+1)i,Sc(tk+1)i),1≤i≤n，分别计算共模电压幅值：
其中，n为开关矢量的总个数；
(3.2)设置共模电压满意区间，判断上述计算的共模电压幅值是否处于共模电压满意区间内，如果处于，则保留对应的开关矢量；否则，剔除对应的开关矢量，E为逆变器直流侧一个电容电压的幅值。
5.根据权利要求4所述的一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，步骤(4)的方法具体如下：根据系统预测模型，分别预测(3.2)中保留的共模电压幅值处于满意区间内所对应的开关矢量作用下tk+2时刻的电流值
根据电流跟随评价函数，选取具有最优电流跟随性的开关矢量作为系统的最优开关矢量，即输出电流跟随误差最小的开关矢量，作用于下一控制周期：
式中，上标*为给定参考值，
为α-β坐标系给定电流参考值，
为tk+2时刻α坐标轴预测电流值，
为tk+2时刻β坐标轴预测电流值。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010184488.3A CN111277156B (zh) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 一种无权重因子的多电平逆变器fcs-mpc控制方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010184488.3A CN111277156B (zh) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 一种无权重因子的多电平逆变器fcs-mpc控制方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111277156A CN111277156A (zh) | 2020-06-12 |
| CN111277156B true CN111277156B (zh) | 2021-07-23 |
Family
ID=71002493
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010184488.3A Active CN111277156B (zh) | 2020-03-16 | 2020-03-16 | 一种无权重因子的多电平逆变器fcs-mpc控制方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111277156B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111817595B (zh) * | 2020-06-22 | 2021-12-17 | 浙江工业大学 | 一种无权重系数的准z源逆变器模型预测控制方法 |
| CN111682791B (zh) * | 2020-06-23 | 2021-10-12 | 江苏师范大学 | 一种两段式有限集模型预测控制方法 |
| CN112910295B (zh) * | 2021-01-20 | 2022-05-20 | 山东大学 | 三相多电平逆变器零时延多矢量模型预测控制方法及系统 |
| CN115622465B (zh) * | 2022-11-18 | 2023-04-11 | 西南交通大学 | 一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法 |
| CN116169917A (zh) * | 2023-04-26 | 2023-05-26 | 希望森兰科技股份有限公司 | 一种无权重系数低共模电压模型预测控制算法 |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5440576B2 (ja) * | 2011-09-13 | 2014-03-12 | 株式会社デンソー | 回転機の制御装置 |
| CN106533311B (zh) * | 2016-11-09 | 2019-05-31 | 天津大学 | 一种基于磁链矢量的永磁同步电机转矩控制策略 |
| CN106712555A (zh) * | 2017-01-19 | 2017-05-24 | 江苏师范大学 | 一种基于共模电压满意决策的fcs‑mpc方法 |
| CN106972735B (zh) * | 2017-01-19 | 2019-04-30 | 江苏师范大学 | 一种新型fcs-mpc低开关频率控制方法 |
| CN110492819A (zh) * | 2019-07-12 | 2019-11-22 | 江苏师范大学 | 一种两相多电平逆变器驱动三相电机的fcs-mpc控制方法 |
| CN110557074B (zh) * | 2019-08-27 | 2020-12-29 | 天津大学 | 用于级联h桥逆变器永磁电机系统的预测电流控制方法 |
-
2020
- 2020-03-16 CN CN202010184488.3A patent/CN111277156B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111277156A (zh) | 2020-06-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111277156B (zh) | 一种无权重因子的多电平逆变器fcs-mpc控制方法 | |
| CN108306298B (zh) | 一种柔性多状态开关接入配电网的设计方法 | |
| CN105552959B (zh) | 基于扩张状态观测器的三相并网整流器预测直接功率控制方法 | |
| CN108988402B (zh) | 基于优化调度的交直流配电网优化控制方法 | |
| CN110676838B (zh) | 柔性配电系统故障自适应鲁棒优化恢复方法 | |
| CN112671001B (zh) | 一种级联h桥型储能statcom的soc均衡控制方法 | |
| CN107707142B (zh) | 基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法 | |
| CN113193766B (zh) | 一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及系统 | |
| CN111313713B (zh) | 一种大规模直流变压器的分布式控制方法 | |
| CN106712555A (zh) | 一种基于共模电压满意决策的fcs‑mpc方法 | |
| CN116131641A (zh) | 直流配电网下混合型模块化多电平变换器控制方法 | |
| CN116436327A (zh) | 一种基于神经网络的变流器自适应预测控制方法及系统 | |
| CN115864521A (zh) | 一种面向并网逆变器的动态阻尼无源化顺序模型预测控制方法 | |
| CN108429477B (zh) | 一种基于双半桥和并联全桥混合的mmc子模块优化均压方法 | |
| CN112688587A (zh) | 一种阻抗源逆变器的鲁棒预测控制方法 | |
| CN113258590B (zh) | 高风电渗透率下交直流系统分阶段电压控制方法及系统 | |
| CN109004852A (zh) | 模块化多电平变流器的模型预测控制策略 | |
| CN109617438B (zh) | 纯电动汽车模块化多电平转换器的控制方法 | |
| CN115864872A (zh) | 一种面向并联t型三电平整流器的公平顺序模型预测控制多目标优化方法 | |
| CN115065227A (zh) | 应用于多电平功率因数校正电路的分数阶预测控制方法 | |
| Dekka et al. | Model predictive control of modular multilevel converters | |
| CN113746109A (zh) | 一种降低并网逆变器开关损耗的顺序模型预测控制方法 | |
| CN109659954B (zh) | 一种链式statcom的排序模型预测控制方法 | |
| Mohammadzadeh et al. | Application of mixture of experts in machine learning-based controlling of DC-DC power electronics converter | |
| CN113809944B (zh) | 海上风电柔直变流器并网电流追踪及环流预测控制方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |