海上风电并网的有限控制集模型预测控制

针对海上风电场柔性直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)系统传统矢量控制中,PI参数难以整定、需要调制器以及难以实现多目标优化等问题,提出了一种基于有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的新型海上风电VSC-HVDC并网控制策略。该方法结合并网逆变器的离散数学模型,通过电流误差构造价值函数,以价值函数为优化目标,预测并网逆变器未来时刻的开关状态;为避免计算时间延时并实现多目标优化,引入延时补偿和权重系数,产生最优开关组合触发并网逆变器。在Matlab/SIMULINK中建立风电并网系统的仿真模型,并采用FCS-MPC和传统PI控制两种方法实施并网控制,通过对风电场功率波动及电网发生故障等多种运行环境进行仿真,结果有效验证了所提出的FCSMPC方法应用于VSC-HVDC海上风电场并网系统对直流电压的控制能力和故障恢复能力。     

一种多步预测的变流器有限控制集模型预测控制算法

变流器有限控制集模型预测控制(finite control setmodel predictive control,FCS-MPC)算法是一种变流器优化控制算法。该算法具有动态响应快、处理系统约束灵活且无需PWM调制器和相关参数设计等优点,但仅可确保所选开关函数组合在一个控制周期内的最优,这样将使得系统控制趋于保守,而影响系统控制性能。分析传统变流器FCS-MPC算法的保守性,提出一种在一个控制周期内同时考虑最优开关函数组合及次优开关函数组合,并确保在两个控制周期内所选开关函数组合最优的多步预测的FCS-MPC算法(finitecontrol set model predictive control with multi-step prediction,FCS-MPCMSP);进行采用该算法的两电平三相电压型逆变器在空载、带阻感性负载、带非线性负载及负载投入等工况下的仿真和实验。仿真及实验结果表明:采用该算法的三相电压型逆变器输出电压与给定电压的差值明显小于采用传统FCS-MPC算法的情况,改善了逆变器输出电压质量,从而验证了该算法的有效性及可行性。     

PWM-CSR有限控制集模型预测控制

针对电流型PWM整流器(PWM-CSR)传统控制方法计算量大、输入电流谐波含量大、采样频率高的问题,将有限控制集模型预测控制方法应用到PWM-CSR中,并引入"虚拟电阻"技术来减缓变换器前端LC滤波器引起的谐振。首先根据PWM-CSR拓扑结构建立其离散状态空间模型,然后分析PWM-CSR的开关函数组合(控制集)个数,选择使系统优化性能函数最小的开关函数组合作用于PWM-CSR,结合"虚拟电阻"减缓滤波器的谐振,改善输入电流波形。仿真和实验结果表明,该方法能有效降低网侧电流的总谐波畸变率,具有很好的鲁棒性和快速的动态响应。     

中压并网变流器的模型预测直接电流控制

为了提高三电平中点钳位型中压并网变流器的控制性能,设计了一种新颖的模型预测直接电流控制(MPDCC)策略。新型MPDCC控制器基于虚拟电阻较好地处理了LCL滤波器谐振问题。同时,MPDCC控制器具有较长的预测范围,故基于虚拟电阻的参考项在每个步长内与状态轨迹一起被预测,从而使得控制器做出更准确的决策,获取更高的控制精度。利用仿真平台和实验设备进行了仿真研究和实验验证,结果表明,所提出的方法在电网电压扰动下能表现出较好的稳态特性,同时动态性能也较优。     

有限集模型预测控制在电力电子系统中的研究现状和发展趋势

介绍电力电子系统有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)方法的基本原理,根据模型预测控制三要素分析了FCS-MPC在实际应用中存在的不足,指出在后期研究中亟待解决的问题,并就其控制器结构、动态性能和稳态性能等方面与传统滞环控制和线性控制进行比较与分析。从FCS-MPC模型失配、目标函数设定、开关频率不固定、运算量大和控制性能改善等几个方面综述了中外学者针对这些热点的研究现状,并进行了简要分析,讨论并提出相关研究思路。根据FCS-MPC的应用需求和研究现状展望了未来需要进一步深入和拓展的研究方向。     

T型三电平并网逆变器有限集模型预测控制快速寻优方法

三电平变流器控制系统采用有限集模型预测控制(FCS-MPC),滚动优化需要遍历所有开关状态,针对其导致处理器运算量增加、处理时间长的问题,提出一种T型三电平并网逆变器优化计算量的FCS-MPC方法.通过构建基于电压预测的单目标代价函数,避免设计权重系数问题,减化单次寻优的步骤;根据直流母线电位分布选择冗余小矢量,实现中点电位平衡,使每个控制周期的预测次数减小至3次,提高寻优效率.有限控制集在预测过程中将所包含矢量的加权误差二次方最小作为依据划分,并利用矢量角补偿系统延迟,提高预测精度,使并网电流质量得到改善.搭建基于RT-Lab的功率硬件在环仿真系统和物理装置验证所提控制策略,实验结果验证了所提理论分析的正确性和控制策略的有效性.     

大功率三电平变流器有限控制集开关频率预测控制

针对现有大功率变流器缺少主动式开关频率灵活控制方式来实现热管理的问题,提出一种有限控制集开关频率控制方法.建立中点箝位(NPC)三电平脉宽调制(PWM)整流器有限控制集预测模型,引入固定滑窗开关频率统计方法;在有限控制集预测控制基础上添加固定滑窗时间内开开关频率优化项,建立统一多目标价值函数,选择最小化价值函数的电压矢...     

一种开关频率可控的有限集模型预测控制

有限集模型预测控制（FCS-MPC）在逆变器控制中具有简单直观、响应快速、易于多目标优化等优点,但无调制器的特点造成逆变器开关频率随工作点、系统参数等多种因素变化。为保留FCS-MPC优点的同时解决开关频率不固定的问题,该文提出一种基于自适应代价函数的开关频率控制方法,通过检测开关频率与参考频率的误差,自动调节开关代价权重系数,实现开关频率对参考值的跟随。通过三相永磁同步电机逆变器驱动实验结果表明,所提出方法可以在全工作范围跟踪参考频率,对系统参数变化具有一定的鲁棒性,同时保留了FCS-MPC的优点。     

永磁同步电机有限控集模型预测电流控制预测误差分析

在采用有限控集模型预测电流控制策略的永磁同步电机驱动系统中,预测模型使用的电机参数尤其是定子电感可能与实际值并不匹配,会造成模型预测控制算法存在预测上的误差,进而影响系统稳态控制性能。针对该问题,首先定义了预测误差作为评价指标,然后推导出电流预测误差的数学模型,理论分析表明预测模型使用的d、q轴电感值正向偏差和负向偏差对于d、q轴电流预测误差会产生不一样的影响,且负向偏差影响更大。实验结果验证了上述关于电流预测误差的理论分析,同时对相应的电流稳态跟踪误差进行了实验分析,显示出预测误差对于稳态跟踪性能的影响。得到的预测误差数学模型和分析结论能够为模型预测算法预测误差的降低和控制性能的提升提供理论指导。     

光储微电网逆变器有限集模型预测控制

针对光储微电网并网稳定问题提出了一种有限集模型预测控制（FCS-MPC）方案。储能系统双向DC/DC变换器采用电压电流双环控制,以稳定直流母线电压。建立并网逆变器离散化数学模型,将逆变器输出电流作为成本函数控制量,构建电流预测控制器。逆变器电流采用前2步预测,并使用矢量角补偿法对控制过程进行延时补偿。利用MATLAB/Simulink搭建光伏储能微电网仿真模型,对比分析传统控制和模型预测控制的电压电流响应。结果显示,所提方案在负载变化和光伏功率波动情况下,能提高直流母线电压稳定性,减小并网电流畸变率。     

两电机转矩同步系统有限集模型预测控制

首先分析了基于转矩跟随结构的两电机转矩同步控制系统,针对传统结构中同步误差开环控制的问题,通过推导同步误差变化率的影响因素,提出了一种基于统一预测模型的两电机转矩同步有限集模型预测控制策略。通过对两电机同步系统进行统一建模,将电机之间的q轴电流同步误差作为统一预测模型的一个状态变量,从预测控制的角度对同步误差实现闭环控制,使同步误差参与逆变器开关状态选择。最后,实验证明了所提控制策略能够实现系统的转矩同步控制。     

七相逆变器有限控制集模型预测控制技术研究

为得到七相变频调速系统电流控制的良好动静态性能,将有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)策略应用到七相电压源型逆变器的电流控制中。七相电压源型逆变器具有128个空间矢量,其中包含126个非零矢量和2个零矢量,在每个采样周期内,选择几组特殊的空间矢量,并对这些空间矢量进行在线评估,采用使目标函数最小的空间矢量作为下一个周期施加的矢量。此控制策略简单,具有较好的动静态性能,谐波消除明显。以DSP芯片TM320F28335为处理器,搭建七相逆变器阻感负载实验平台,进行相关实验,进一步研究目标函数、空间矢量数目以及采样时间等因素对控制性能的影响。研究结果证明了控制策略的正确性和有效性。     

一种基于无差拍外环控制的串联型APF有限集模型预测控制策略研究

串联型有源电力滤波器（series active power filter, SAPF）作为一种串接于电网和负载之间实现快速补偿系统电压的电力电子装置,是解决配电网电压质量问题的理想设备。该文以两电平SAPF为研究对象,提出一种基于无差拍外环控制的有限集模型预测控制（finite control set model predictive control, FCS-MPC）策略。首先在传统双闭环控制基础上,引入FCS-MPC控制策略,在dq坐标系下建立系统离散预测模型,分析系统延时及其补偿,实现滚动优化控制,替代了传统电流环并省略调制环节,降低控制算法的复杂度;在此基础上,为避免交叉解耦环节和控制器参数整定,在[αβ]坐标系下对逆变器出口参考电流的获取进行改进,根据数学模型,利用无差拍控制替代传统电压外环,减少了坐标变换,进一步简化控制结构;最后通过Matlab/Simulink和Typhoon HIL 402半实物平台,对所提控制策略与传统电压电流双闭环控制策略进行仿真对比与实物验证。结果表明,针对电网电压暂升、暂降以及谐波的工况,所提控制策略均具有良好的电压补偿效果,能有效降低电压的谐波畸变率。     

LCL电压型整流器模型预测优化控制

提出了一种基于LCL滤波的电压型整流器VSR(Voltage Source Rectifier)有限控制集模型预测优化控制策略。传统的LCL整流器模型预测电流控制需要附加有源阻尼算法(MPC-AD)来消除LCL滤波器引起的谐振问题,此时会大大增加系统的计算负担且控制性能有待提升。为此利用模型预测控制中多变量控制的特性,通过构建单个代价函数同时控制网侧电流矢量、滤波电容电压矢量以及整流器侧电流矢量(MPC-i₁i₂u_c),无需状态变量反馈有源阻尼,然后通过所构造的代价函数J来选取下一时刻最优开关状态作用于系统。为验证所提出方法的可行性,进行仿真实验并搭建测试样机,通过与传统的MPC-AD控制方法进行比较,验证了所提出优化控制策略的可行性与优越性。     

准Z源逆变器驱动永磁同步电机的有限集模型预测控制

针对准Z源逆变器(qZSI)驱动永磁同步电机(PMSM)系统的特点,在两相静止坐标系下,提出一种有限集模型预测控制策略。由准Z源网络电容电压闭环与PMSM电磁功率前馈生成电感电流参考值,通过预测电感电流值并引入子代价函数来确定是否选择直通(ST)状态,以实现qZSI的升压控制。在非直通(NST)状态下,分别对8种开关状态下的PMSM定子电流进行预测,并与转速闭环控制生成的参考电流进行比较,选择最优的开关状态,以实现对PMSM的控制。仿真结果表明,所提控制策略可实现对qZSI的升压及PMSM转速的控制,系统具有良好的稳态及动态性能。     

永磁同步电机鲁棒有限集模型预测电流控制算法

在永磁同步电机(PMSM)驱动系统中,基于有限集模型预测电流控制(FCS-MPCC)算法所设计的系统电流内环控制器,性能受电机参数变化的影响。推导了PMSM预测模型,同时以电压矢量为约束项重构价值函数,并针对数字延时导致的电流纹波问题进行了补偿。提出了一种鲁棒性较强的FCS-MPCC算法,通过在预测模型中引入权重系数并定量调节,以降低算法对参数的敏感性。仿真结果表明,所提算法有效,能使系统具备良好的动态性能和稳态精度。     

永磁同步电机有限状态集模型预测控制对比研究

建立了表面式永磁同步电机模型预测电流控制、基于转子坐标系和基于定子坐标系的模型预测转矩控制系统,从系统实现、运行性能、平均开关频率和参数鲁棒性对以上三种控制策略进行仿真对比,为永磁同步电机模型预测控制策略的选择提供参考.     

改进型永磁同步电机有限控制集模型预测速度控制

永磁同步电机传统有限集模型预测速度控制策略中电压矢量方向固定,可选矢量范围具有一定局限性,输出电压的突然变化,会导致电流纹波较大。因此,提出了一种基于电压细分的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)直接速度控制策略。所提策略在FCS-MPC方案中引入了一组具有可调振幅和可移动原点特征的有限电压细分矢量作为候选电压,同时为了获得更准确的电流预测,使用了双线性变换(即Tustin变换)积分近似。该控制器能够预测未来电流和速度,并使用脉宽调制输出最佳细分电压。采用两电平三相逆变器驱动的永磁同步电机进行仿真验证结果表明,与传统的FCS-MPC方案相比,所提策略有效地减小了电流纹波,拓宽了电压矢量选择的范围,同时提高了电机鲁棒性。