CN118214306A - 一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，包括：在所述单相全桥五电平整流器的外环控制中采用比例‑积分控制；在所述单相全桥五电平整流器的外环控制中采用有限控制集模型预测控制；在采样k时刻，对所述整流器的9个电压矢量进行目标函数g(k)在线计算和评估，选择使目标函数g(k)最小的电压矢量，作为下一个开关周期的控制矢量。本发明通过在每个控制周期内优化有限数量的开关状态，不仅提供了高度的动态响应能力，而且适应了非线性和时变系统的复杂性。FCS‑MPC的极短计算时间使其适用于实时控制要求较高的场景改善电能质量，使其在提高系统稳定性和性能的同时，也具备了多目标优化的潜力。

Description

一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及电机电流控制领域，具体涉及一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法。

背景技术

PI控制是一种常用的调节策略，通过比例(Proportional)和积分(Integral)两个部分来调整系统输出，使其接近期望值。比例控制用于快速响应系统变化，而积分控制则消除稳态误差，确保系统在长时间内达到期望值。PI控制在电源系统中广泛应用，通过调整整流器的控制信号，有效地维持输出电压或电流等在期望范围内。参数的合适调整对系统稳定性和性能至关重要。

MPC(Model Predictive Control模型预测控制)可分为两类：连续控制集(CCS)和有限控制集(FCS)。CCS-MPC通过计算连续的控制信号并通过调制器驱动整流器产生所需的输出电压或电流，同时可以产生固定的开关频率。然而，当在CCS-MPC中考虑约束时，在线计算量很大。与之相比，FCS-MPC充分考虑了逆变器的离散特性和系统约束。具体来说，FCS-MPC首先建立系统的离散数学模型，以固定步长预测未来状态，计算被控对象与参考对象在有限切换状态下的成本函数，然后通过在线优化确定下一个控制周期作用于整流器的最优切换状态。

PI控制作为一种常见的控制策略，尽管在许多应用中表现良好，却存在一些缺点。其倾向于引起过调和欠调问题，即系统在达到期望值时可能产生超过或偏离设定值的振荡，同时它对于复杂系统的动态特性较为简单，可能无法很好地应对非线性或时变的系统。此外，PI控制对系统参数变化较为敏感，需要手动调整参数，而且在面对初始条件的选择和系统工作条件变化时，适应性较差。

发明内容

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，包括：

在所述单相全桥五电平整流器的外环控制中采用比例-积分控制；

在所述单相全桥五电平整流器的内环控制中采用有限控制集模型预测控制；

在采样k时刻，对所述整流器的9个电压矢量进行目标函数g(k)在线计算和评估，选择使目标函数g(k)最小的电压矢量，作为下一个开关周期的控制矢量。

进一步地，所述单相全桥五电平整流器包括一个二极管桥式整流器和一个五电平DC-DC单元。

进一步地，所述五电平DC-DC单元包括四个开关管、四个电容、两个电阻、和四个二极管。

进一步地，所述目标函数g(k)为：

其中，为k+1时刻的给定电流，i_L(k)为k时刻的整流器预测电流，T_s为采样周期，L为所述单相全桥五电平整流器的交流侧的滤波电感，u_s表示交流侧电网电压，u_dc表示单相全桥五电平整流器的输出电压，s表示所述单相全桥五电平整流器的4个开关管的PWM信号的脉宽。

进一步地，在k+1时刻的给定电流由k时刻的参考电流/>k-1时刻的参考电流/>和k-2时刻的参考电流/>通过线性插值得到

进一步地，使g(k)最小的u_dc即为下一个开关周期的控制矢量。

进一步地，所述单相全桥五电平整流器中，所述单相全桥五电平整流器中，四个开关管的PWM信号等于1时，对应的功率开关管导通；反之，四个开关管的PWM信号等于0时，对应的功率开关关闭；四个二极管为续流二极管，具有电压箝位功能。

本发明的优点在于：本发明在整流器控制中，通过有限开关状态模型预测控制展现了卓越的动态性能和适应性。其通过在每个控制周期内优化有限数量的开关状态，不仅提供了高度的动态响应能力，而且适应了非线性和时变系统的复杂性。FCS-MPC的极短计算时间使其适用于实时控制要求较高的场景改善电能质量，使其在提高系统稳定性和性能的同时，也具备了多目标优化的潜力。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明实施方式的单相全桥五电平整流器电路图。

图2示出了根据本发明实施方式的PI控制框图。

图3示出了根据本发明实施方式的单相全桥五电平整流器模型预测控制策略示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

术语解释：

有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)：FCS-MPC首先建立系统的离散数学模型，随后根据控制指令和约束条件在一个控制周期内计算有限切换状态下的代价函数，然后通过在线寻优确定下一时刻应用于整流器的最优切换状态。FCS-MPC可以充分考虑系统的非线性特性，处理具有多个离散状态的复杂系统以及实现多目标优化。

单相全桥五电平整流器的拓扑结构如图1所示，包括一个二极管桥式整流器和一个五电平DC-DC单元。交流侧电网电压表示为u_s。交流侧的滤波电感记为L，起到升压的目的。交流侧电流表示为i_L。二极管桥式整流器由4个低频二极管D₁、D₂、D₃、D₄组成。开关管T₁、T₂、T₃和T₄的PWM信号分别记为S₁、S₂、S₃和S₄。当S_i＝1(i＝1，2，3，4)时，对应的功率开关管导通。反之，当S_i＝0时，对应的功率开关关闭。D₅、D₆、D₇、D₈为续流二极管，具有电压箝位功能。直流侧电容C₁、C₂、C₃和C₄的电压分别表示为u_c1、u_c2、u_c3和u_c4。直流侧的两个负载分别为R₁和R₂。稳态运行时，u_c1＝u_c2＝u_c3＝u_c4＝u_dc/2。

下面对单相五电平整流器的原理进行详细介绍。并以直流侧的“O”为参考点对输出电平u_ao进行分析。当i_L＞0时：如果开关T₁和T₂都关断，则u_ao＝u_dc/2，若开关T₁和T₂中只有一个为导通，则u_ao＝u_dc/4。若开关T₁和T₂均为导通，则u_ao＝0。当i_L＜0时，输出电平由开关管T₃和T₄决定，其规律与i_L＞0时类似。相应地，电压u_ao输出5个电平，包括-u_dc/4、-u_dc/2、0、u_dc/4、u_dc/2。因此，端口电压u_ab可以输出9个电平。

B.控制外环

控制外环与采用传统PI控制。其控制框图如图2所示。

C.控制内环

为了便于建立整流器的数学模型，假设电感和电容为理想元件。对于传统的控制方法，为了简化控制器的设计，一般假设4个有功功率开关管的占空比相等，考虑到多电平输出电压的要求，通常将4个PWM信号设计为在每个开关周期内具有相同的脉宽但相位角不同。因此

s₁＝s₂＝s₃＝s₄＝s#(1)

将基尔霍夫电流定律应用于图1，可得整流器的等效数学模型为

输出电压方程为

假定采样周期T_s比较小，通过前向欧拉公式将式(3)离散化，得到

则在k+1时刻，整流器预测电流为

假定在k+1时刻，整流器电流到达给定电流，即

根据式(6)，则整流器的输出参考电压为

其中在k+1时刻整流器电流给定可由k时刻的参考电流/>k-1时刻的参考电流/>和k-2时刻的参考电流/>通过线性插值得到

D.构建预测模型

本发明采用的预测模型g(k)如下

将(5)带入(9)得

其中，使g(k)最小的u_dc即所需的电压。

D.控制策略

单相全桥五电平整流器有限开关状态模型预测控制策略如图3所示，在采样k时刻，对整流器9个电压矢量进行目标函数g(k)在线计算和评估，哪一个电压矢量使目标函数g(k)最小，这一电压矢量在下一个开关周期将作用。

需要说明的是：

在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备有固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本申请也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本申请的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本申请的最佳实施方式。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本申请的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本申请并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本申请的示例性实施例的描述中，本申请的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本申请要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本申请的单独实施例。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本申请的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本申请的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本申请实施例的虚拟机的创建系统中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本申请还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者系统程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本申请的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本申请进行说明而不是对本申请进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本申请可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干系统的单元权利要求中，这些系统中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到其各种变化或替换，这些都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，包括：

在所述单相全桥五电平整流器的外环控制中采用比例-积分控制；

在所述单相全桥五电平整流器的内环控制中采用有限控制集模型预测控制；

在采样k时刻，对所述整流器的9个电压矢量进行目标函数g(k)在线计算和评估，选择使目标函数g(k)最小的电压矢量，作为下一个开关周期的控制矢量。

2.根据权利要求1所述的一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，

所述单相全桥五电平整流器包括一个二极管桥式整流器和一个五电平DC-DC单元。

3.根据权利要求2所述的一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，

所述五电平DC-DC单元包括四个开关管、四个电容、两个电阻、和四个二极管。

4.根据权利要求3所述的一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，

所述目标函数g(k)为：

其中，为k+1时刻的给定电流，i_L(k)为k时刻的整流器预测电流，T_s为采样周期，L为所述单相全桥五电平整流器的交流侧的滤波电感，u_s表示交流侧电网电压，u_dc表示单相全桥五电平整流器的输出电压，s表示所述单相全桥五电平整流器的4个开关管的PWM信号的脉宽。

5.根据权利要求4所述的一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，

在k+1时刻的给定电流由k时刻的参考电流/>k-1时刻的参考电流和k-2时刻的参考电流/>通过线性插值得到

6.根据权利要求4或5所述的一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，

使g(k)最小的u_dc即为下一个开关周期的控制矢量。

7.根据权利要求3所述的一种应用于单相全桥五电平整流器的模型预测控制方法，其特征在于，

所述单相全桥五电平整流器中，四个开关管的PWM信号等于1时，对应的功率开关管导通；反之，四个开关管的PWM信号等于0时，对应的功率开关关闭；四个二极管为续流二极管，具有电压箝位功能。

8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序以实现如权利要求1-7任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。