JP2020512627A - デュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、デュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法に関し、パワーエレクトロニクス変換技術、工業制御分野に属する。該方法は、デュアルループ予測制御をもとに、外部ループ制御には、デッドビート制御を用いる。内部ループ制御には、切り替え制御方法を用い、システムが定常状態にある場合に、デッドビート制御を用いることでシステムの定常状態の精度を確保するとともに一定のスイッチング周波数を実現し、システムが過渡状態にある場合に、有限制御セットモデル予測制御に切り替えることでシステムが定常状態に素早く移行することを確保する。該方法は、デッドビートと有限制御セットモデル予測の２種の制御の各自の利点を兼ね備え、且つ外部ループにはデッドビート制御を用いることでシステム全体の性能を大幅に向上させることができ、パワーエレクトロニクスシステムによる作業要求を満たす。【選択図】図１

Description

本発明はパワーエレクトロニクス変換及び工業制御技術に関し、特にデュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法に関し、パワーエレクトロニクス変換の技術分野に属する。
炭化ケイ素等のワイドバンドギャップパワーデバイスの成熟及び普及や応用に伴い、電力変換器のスイッチング周波数が絶えずに増加しており、それに対応する制御方法は、研究の主流になっている。従来のデュアルループ制御において、外部ループには、主に比例積分（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ、ＰＩ）制御及びスライディングモード制御があるが、その動的性能が低い。システム（システムとは、制御方法の実施対象のことであり、一般的にパワーエレクトロニクス変換器であり、本発明では、単相電圧型インバータを指す）の性能は、外部ループ制御及び内部ループ制御に密接に繋がり、如何に外部ループ制御によりシステム全体の性能を向上させるかは、さらに研究すべき課題である。
現在、一般的に使用されている予測制御方法は、デッドビート制御及び有限制御セットモデル予測制御である。デッドビート制御は、１つの制御周期に被制御量が基準量を追従することを実現でき、優れた定常状態性能を有し、一定のスイッチング周波数を実現することができる反面、変調ユニットの存在によりデッドビート制御の動的性能が制限されてしまう。有限制御セットモデル予測制御は、変換器の離散性能及びスイッチング状態に限りがあるような性能をそのまま利用するので、変調器を必要とせず、動的応答が速く非線形制約を増加しやすいなどの利点を有する反面、スイッチング周波数が固定しないため、フィルター設計が難しくなり、制御性能が制限されてしまう。如何に２種の制御方法の利点を組み合わせて、２種の制御戦略を合理的に切り替えるかは、実用的には重大な意義がある。
従来の制御戦略の欠陥に対して、本発明の目的は、デュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法を提供することである。該方法は、デュアルループ予測制御をもとに、外部ループ制御には、デッドビート制御を用いることで、システム全体の性能を向上させ、内部ループ制御には、切り替え制御方法を用い、システムが定常状態にある場合に、デッドビート制御を採用してシステムの定常状態の精度を確保して固定のスイッチング周波数を実現し、システムが過渡状態にある場合に、有限制御セットモデル予測制御に切り替えてシステムが定常状態に素早く移行することを確保する。
本発明の目的は、以下の技術案の1つによって実現することができる。
デュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法であって、主に、
システム（本発明に記載のシステムとは制御方法の実施対象であり、一般的にはパワーエレクトロニクス変換器である）離散時点の状態方程を作成し、且つ離散化する（Ｓ１）と、
システムの状態変数、制御入力変数、被制御出力変数及び外乱変数を測定する（Ｓ２）と、
電圧外部ループ制御にはデッドビート制御を用いて、電流内部ループ基準値を計算する（Ｓ３）と、
切り替え関数を定義して、システムの位置する状態を判断する（Ｓ４）と、
（Ｓ４）の判断条件に基づき、システムが定常状態にあると判断した場合、内部ループにはデッドビート制御を用い、システムが過渡状態にあると判断した場合に、内部ループには有限制御セットモデル予測制御を用いる（Ｓ５）とを含む。
Figure 2020512627
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さらに、（Ｓ５）では、（Ｓ４）の判断条件に基づき、システムが定常状態にあると判断した場合、内部ループ制御には、デッドビート制御を用いて、システムの定常状態の誤差を減少して且つ一定のスイッチング周波数を実現し、システムが過渡状態にあると判断した場合に、内部ループ制御には有限制御セットモデル予測制御を用いてシステムが定常状態に素早く移行することを確保する。
従来技術に比べて、本発明の有益な効果は、以下のとおりである。
１．外部ループには、デッドビート制御を用いることで、システム全体の性能を大幅に向上させる。
２．システムが定常状態にある場合に、システムの定常状態の誤差を減少することができる。
３．システムが過渡状態にある場合に、システムが過渡状態から定常状態に素早く移行することを確保することができる。
４．システムが定常状態にある場合、固定のスイッチング周波数を実現することができる。
本発明のデュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法の模式図である。 本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション定常状態出力電圧の波形効果図である。 本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション定常状態出力電圧のＴＨＤ効果図である。 本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション基準電圧が変化する時の出力電圧の動的応答の効果図である。
以下、図面及び実例にて本発明の実施をさらに説明するが、本発明の実施及び保護は、これに限定されない。
図１は、デュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法の模式図を示す。
以下、単相電圧型インバータを例として説明する。そのステップは、具体的には、以下のとおりである。
Figure 2020512627
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式（５）で算出した電流値を基準信号として内部ループコントローラに入力する。
Figure 2020512627
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（Ｓ５）（Ｓ４）の判断結果に基づき、様々な状況に適用できる内部ループ制御方法を選択する。
Figure 2020512627
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変調信号を変調ユニットに入力して三角波と比較し、オンオフ組み合わせを計算してインバータに作用させ、さらに出力電圧を制御する。
Figure 2020512627
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異なる予測電流値を式（１３）に代入し、Ｊ値を最小値にするオンオフ組み合わせをインバータに作用させる。
図２、図３及び図４は、本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション効果図である。図２は、本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション定常状態出力電圧の波形効果図である（横座標が時間を表し、縦座標が出力電圧値を表す）。図３は、本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション定常状態出力電圧のＴＨＤ効果図であり（横座標が周波数値を表し、縦座標がフーリエ分解後、周波数値に対応した電圧値を表す）。図４は、本発明を適用したＭＡＴＬＡＢシミュレーション基準電圧が変化する時の出力電圧の動的応答の効果図である（横座標が時間を表し、縦座標が出力電圧値を表し、実線曲線及び破線曲線がそれぞれ基準電圧及び実際の出力電圧を表し、中間における小さな一部以外に、残りは、全て非常に近い）。
具体的なシミュレーションパラメータが表２に示される。
Figure 2020512627
上記アルゴリズムをＣ言語でＭＡＴＬＡＢのＦＵＮＴＩＯＮモジュールに書き込み、サンプリングの変数値をＦＵＮＴＩＯＮモジュールに入力し、現在の時点のオンオフ組み合わせを計算し出力して、スイッチング変換器に作用させる。
図２及び図３に示すように、定常状態の場合、出力電圧の波形が良好であり、電圧歪み率が低い。図４の説明から、基準電圧値が変化した場合、有限制御セットモデル予測制御は、システムを定常状態により素早く移行させ、このため、優れた動的性能を有する。
当業者は、本発明の原理及び本質から逸脱せずにこの具体的な実施例に対して様々な修正又は補充を行い又は類似する方式で代替することができるが、これらの変更は、全て本発明の保護範囲に属する。従って、本発明の技術範囲は、上記実施例に限定されるものではない。

Claims (6)

  1. デュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法であって、システム離散時点の状態方程を作成し、且つ離散化する（Ｓ１）と、システムの状態変数、制御入力変数、被制御出力変数及び外乱変数を測定する（Ｓ２）と、電圧外部ループ制御には、デッドビート制御を用いて、電流内部ループ基準値を計算する（Ｓ３）と、切り替え関数を定義して、システムの状態を判断する（Ｓ４）と、（Ｓ４）の判断条件に基づき、システムが定常状態にあると判断した場合、内部ループにはデッドビート制御を用い、システムが過渡状態にあると判断した場合に、内部ループには有限制御セットモデル予測制御を用いる（Ｓ５）とを含むことを特徴とするデュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法。
  2. Figure 2020512627
  3. Figure 2020512627
  4. Figure 2020512627
  5. Figure 2020512627
  6. （Ｓ５）では、（Ｓ４）の判断条件に基づき、システムが定常状態にあると判断した場合、内部ループ制御には、デッドビート制御を用いて、システムの定常状態の誤差を減少して且つ一定のスイッチング周波数を実現し、システムが過渡状態にあると判断した場合に、内部ループ制御には有限制御セットモデル予測制御を用いてシステムが定常状態に素早く移行することを確保することを特徴とする請求項１に記載のデュアルループ予測制御に基づく切り替え制御方法。
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