JP6866985B2 - 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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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。
電圧外部ループ制御と電流内部ループ制御とからなるデュアルループ制御が適用されるシステムの予測制御（デュアルループ予測制御）における、デッドビート制御と有限制御セットモデル予測制御との切り替え制御方法であって、
主に前記システム（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）の状態方程式を離散化した離散化方程式を作成する第一ステップ（Ｓ１）と、
前記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第二ステップ（Ｓ２）と、
前記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第三ステップ（Ｓ３）と、
切り替え関数を定義して、前記システムの状態を判断する第四ステップ（Ｓ４）と、
前記第四ステップ（Ｓ４）の判断条件に基づき、前記システムが定常状態にあると判断した場合、前記電流内部ループ制御にはデッドビート制御を用い、前記システムが過渡状態にあると判断した場合に、前記電流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る第五ステップ（Ｓ５）とを含む。
主に前記システム（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）の状態方程式を離散化した離散化方程式を作成する第一ステップ（Ｓ１）と、
前記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第二ステップ（Ｓ２）と、
前記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第三ステップ（Ｓ３）と、
切り替え関数を定義して、前記システムの状態を判断する第四ステップ（Ｓ４）と、
前記第四ステップ（Ｓ４）の判断条件に基づき、前記システムが定常状態にあると判断した場合、前記電流内部ループ制御にはデッドビート制御を用い、前記システムが過渡状態にあると判断した場合に、前記電流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る第五ステップ（Ｓ５）とを含む。
さらに、 前記第二ステップ（Ｓ２）では、前記システムの状態変数Ｖ０（ｋ）、ｉＬ（ｋ）、制御入力変数Ｖｒ（ｋ）、被制御出力変数ｙｃ（ｋ）及び外乱変数Ｖｉｎ（ｋ）、ｉ０（ｋ）を測定する。
さらに、 前記第五ステップ（Ｓ５）では、前記第四ステップ（Ｓ４）の判断条件に基づき、前記システムが定常状態にあると判断した場合、前記電流内部ループ制御には、デッドビート制御を用いて、前記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、前記システムが過渡状態にあると判断した場合に、前記電流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前記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。
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。
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。
（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。
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。
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。
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)
- 電圧外部ループ制御と電流内部ループ制御とからなるデュアルループ制御が適用されるシステムの予測制御における、デッドビート制御と有限制御セットモデル予測制御との切り替え制御方法であって、
前記システムの状態方程式を離散化した離散化方程式を作成する第一ステップ（Ｓ１）と、
前記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第二ステップ（Ｓ２）と、
前記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第三ステップ（Ｓ３）と、
切り替え関数を定義して、前記システムの状態を判断する第四ステップ（Ｓ４）と、
前記第四ステップ（Ｓ４）の判断条件に基づき、前記システムが定常状態にあると判断した場合、前記電流内部ループ制御にはデッドビート制御を用い、前記システムが過渡状態にあると判断した場合に、前記電流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る第五ステップ（Ｓ５）とを含むことを特徴とする切り替え制御方法。 -
- 前記第二ステップ（Ｓ２）では、前記システムの状態変数Ｖ０（ｋ）、ｉＬ（ｋ）、制御入力変数Ｖｒ（ｋ）、被制御出力変数ｙｃ（ｋ）及び外乱変数Ｖｉｎ（ｋ）、ｉ０（ｋ）を測定することを特徴とする請求項１に記載の切り替え制御方法。
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- 前記第五ステップ（Ｓ５）では、前記第四ステップ（Ｓ４）の判断条件に基づき、前記システムが定常状態にあると判断した場合、前記電流内部ループ制御には、デッドビート制御を用いて、前記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、前記システムが過渡状態にあると判断した場合に、前記電流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前記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に記載の切り替え制御方法。
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