應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的低頻快速有限集模型預(yù)測(cè)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電力電子變流和智能控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其設(shè)及應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的 低頻快速有限集模型預(yù)測(cè)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，電力電子系統(tǒng)在生產(chǎn)和生活中起到不可替代的作用，但 電力電子變換器大量的使用造成了的諧波污染和能量損耗，運(yùn)些突出的問(wèn)題日益成為整個(gè) 電力電子領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。其中電力電子系統(tǒng)中的控制技術(shù)直接影響變換器的性能，也直 接影響著諧波和電能損耗，所W電力電子控制技術(shù)是當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。
[000引 電力電子系統(tǒng)目前常見(jiàn)的控制策略有：滯環(huán)比較控制、模型預(yù)測(cè)控制、電流預(yù)測(cè)控 審IJ、前饋解禪控制、直接功率控制等，但是運(yùn)些控制目前仍有不足之處：簡(jiǎn)單的滯環(huán)比較控 制輸入電流紋波依然較大，控制性能和開關(guān)頻率受環(huán)寬的影響較大；而前饋解禪控制為線 性控制，需要一些參數(shù)的設(shè)定，還需要增加SVPWM或SPWM環(huán)節(jié)，算法復(fù)雜；電流預(yù)測(cè)控制受 系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)變化影響較大，很容易失控；直接功率控制要依靠開關(guān)表，容易與實(shí)際運(yùn)行產(chǎn) 生脫節(jié)導(dǎo)致性能變壞；傳統(tǒng)有限集模型預(yù)測(cè)控制雖然動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較快，但算法在線計(jì)算量 大造成延時(shí)影響控制效果，另外需要較高的開關(guān)頻率才能有較好的控制效果，開關(guān)損耗大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)現(xiàn)有控制策略的不足，本發(fā)明目的在于提供應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的低頻快速 有限集模型預(yù)測(cè)控制方法。該方法W傳統(tǒng)有限集模型預(yù)測(cè)控制（Finite Control Set Model Predictive Control，F(xiàn)CS-MPC)為基礎(chǔ)，W開關(guān)器件開關(guān)次數(shù)最少為原則，期望相鄰采樣時(shí) 刻電力電子系統(tǒng)開關(guān)函數(shù)至多只有一個(gè)數(shù)值發(fā)生變化；根據(jù)運(yùn)個(gè)原則和上一采樣時(shí)刻的最 優(yōu)開關(guān)函數(shù)，可W找出當(dāng)前采樣時(shí)刻期望的所有開關(guān)函數(shù)；根據(jù)系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型和上述期望 的開關(guān)函數(shù)分別預(yù)測(cè)下一采樣時(shí)刻的輸出，無(wú)需預(yù)測(cè)期望之外的開關(guān)函數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出，從 而精簡(jiǎn)運(yùn)算過(guò)程；通過(guò)遍歷法在上述所有的預(yù)測(cè)結(jié)果中找出使得目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的值對(duì)應(yīng)的 最優(yōu)開關(guān)函數(shù)，尋優(yōu)范圍大大縮小，縮短算法執(zhí)行時(shí)間；在當(dāng)前采樣時(shí)刻內(nèi)先后作用上一采 樣時(shí)刻最優(yōu)開關(guān)函數(shù)和找出的當(dāng)前采樣時(shí)刻最優(yōu)開關(guān)函數(shù)，按計(jì)算出的時(shí)間分別作用。
[0005] 本發(fā)明的目的可W通過(guò)W下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的低頻快速有 限集模型預(yù)測(cè)控制方法，主要步驟如下：
[0006] (SI)根據(jù)電力電子變換器的特性確定狀態(tài)變量x(k)并列出狀態(tài)方程；找出所有 可能的開關(guān)狀態(tài)定義開關(guān)函數(shù)s(j)，其中j = 1:M，M為變換器所有可能出現(xiàn)的開關(guān)函數(shù)總 數(shù)；并明確開關(guān)函數(shù)S(j)與控制量U(k)的關(guān)系；
[0007] 悅）測(cè)量電力電子變換器的狀態(tài)變量、輸出量和可測(cè)干擾量；
[0008] (S3)根據(jù)開關(guān)器件開關(guān)次數(shù)最少的原則，期望相鄰采樣時(shí)刻電力電子變換器的開 關(guān)函數(shù)至多只有一個(gè)數(shù)值發(fā)生變化；根據(jù)上一采樣時(shí)刻的最優(yōu)開關(guān)函數(shù)s(k-l) Wt,找出當(dāng) 前采樣時(shí)刻期望的所有開關(guān)函數(shù)S化)1的集合作為控制集，其中i = 1:N，N為期望開關(guān)函 數(shù)的總數(shù)，N<M;根據(jù)開關(guān)函數(shù)S與控制量U(k)的關(guān)系找出期望的所有控制量U似1，其中i =1 :N ;定義k-1時(shí)刻為上一采樣時(shí)刻，k時(shí)刻為當(dāng)前采樣時(shí)刻，k+1為下一采樣時(shí)刻；
[0009] (S4)設(shè)系統(tǒng)采樣周期為Ts,將（SI)中的狀態(tài)方程改寫為離散形成，根據(jù)悅）所 述的測(cè)量量和（S3)的期望的所有控制量U(k)i預(yù)測(cè)下一采樣時(shí)刻的狀態(tài)變量x(k+l)1，其 中 i = 1:N ;
[0010] (S5)根據(jù)電力電子變換器的工作特性和控制要求定義目標(biāo)函數(shù)J，將（S4)預(yù)測(cè)的 X化+1)1與參考值X (k+ir通過(guò)遍歷法求出U似Wt,得到對(duì)應(yīng)的S似。Pt; W11] (S6)由S化-Dwt對(duì)應(yīng)的u(k-l)wt、煩）求出的U似。Pt和目標(biāo)函數(shù)J算出U(k)Wt 的作用時(shí)間twt; 陽(yáng)01引 （S7)在當(dāng)前采樣時(shí)刻將IKk-I)Wt和U(k)。。洗后作用到電力電子變換器，在采樣 周期的0至Ts-t。。擁間段首先作用S(k-1)Dpt，在Ts-t。。產(chǎn)TS時(shí)間段作用S似DP"
[0013] 所述步驟（S2)中，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境和控制需求測(cè)量電力電子變換器的狀態(tài)變 量、輸出量和可測(cè)干擾量。
[0014] 所述步驟（S3)中，根據(jù)開關(guān)器件開關(guān)次數(shù)最少的原則，期望相鄰采樣時(shí)刻電力 電子變換器的開關(guān)函數(shù)至多只有一個(gè)數(shù)值發(fā)生變化。根據(jù)上一采樣時(shí)刻的最優(yōu)開關(guān)函數(shù) s(k-l)。。。確定當(dāng)前采樣時(shí)刻期望的出現(xiàn)的所有開關(guān)函數(shù)S化)1的集合作為控制集，其中i =1:N，N為期望開關(guān)函數(shù)的總數(shù)，N<M;根據(jù)開關(guān)函數(shù)S與控制量U(k)的關(guān)系找出期望的 所有控制量U化)i(i = 1:腳，由于N<M，將控制集合縮小，減輕了控制運(yùn)算負(fù)擔(dān)。
[0015] 所述步驟（S4)中，設(shè)系統(tǒng)采樣周期為Ts,將（SI)中的狀態(tài)方程改寫為離散形 成，根據(jù)（S2)的測(cè)量量和（S3)的期望的所有控制量U(k)i預(yù)測(cè)下一采樣時(shí)刻的狀態(tài)變量 x(k+l)i，其中i = 1:N，無(wú)需預(yù)測(cè)期望之外的開關(guān)函數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出，預(yù)測(cè)值數(shù)量由M變?yōu)镹 從而精簡(jiǎn)運(yùn)算過(guò)程。
[0016] 所述步驟（S5)中根據(jù)電力電子變換器的工作特性和控制要求定義目標(biāo)函數(shù)J，將 (S4)預(yù)測(cè)的X化+1)1與參考值X (k+ir通過(guò)遍歷法求出U似。Pt,得到對(duì)應(yīng)的S似。Pt,尋優(yōu)范 圍由M變?yōu)镹，縮短算法運(yùn)算時(shí)間。
[0017] 所述步驟（S6)和（S7)中，由S化-l)wt對(duì)應(yīng)的u(k-l) wt、煩）求出的U似。Pt和目 標(biāo)函數(shù)J算出U似。Pt的作用時(shí)間t如果t"pt<0, 就取0,如果t "pt〉Ts，就取TS;在 當(dāng)前采樣時(shí)刻將U化-1)Wt和U化）Wt先后作用到電力電子變換器，在采樣周期的0至 時(shí)間段首先作用5化-1)。。,，在1>*。。,至1\時(shí)間段作用8化）。^，通過(guò)運(yùn)種作用方式進(jìn)一步減 少開關(guān)工作次數(shù)。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0019] 1、與傳統(tǒng)有限集模型預(yù)測(cè)控制相比，保留優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，算法精簡(jiǎn)快速；
[0020] 2、電力電子變換器無(wú)需傳統(tǒng)的SVPWM調(diào)制單元或SPWM調(diào)制單元；
[0021] 3、開關(guān)器件開關(guān)次數(shù)減少到最低，開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗大幅度降低。
【附圖說(shuō)明】
[0022] 圖1是本發(fā)明的應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的低頻快速有限集模型預(yù)測(cè)控制方法示意 圖；
[0023]圖2是本發(fā)明的應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的低頻快速有限集模型預(yù)測(cè)控制方法算法 流程圖；
[0024] 圖3是應(yīng)用本發(fā)明的S相電壓型整流器雙矢量作用示意圖； 陽(yáng)02引圖4是應(yīng)用本發(fā)明的S相電壓型整流器matl油仿真直流側(cè)輸出電壓的效果圖。
[0026] 圖5是應(yīng)用本發(fā)明的S相電壓型整流器matl油仿真A相交流側(cè)輸入電壓和電流 的效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述說(shuō)明，但本發(fā)明的實(shí)施方式 不限于此。需指出的是，W下若有未特別詳細(xì)說(shuō)明之過(guò)程或參數(shù)，均是本領(lǐng)域技術(shù)人員可參 照現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
[0028] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的低頻快速有限集模型預(yù)測(cè)控 制方法示意圖和算法流程圖，主要步驟如下：
[0029] (SI)根據(jù)電力電子變換器的特性確定狀態(tài)變量x(k)并列出狀態(tài)方程，找出所有 可能的開關(guān)狀態(tài)定義開關(guān)函數(shù)s(j) (j = 1:M，M為變換器所有可能出現(xiàn)的開關(guān)函數(shù)總數(shù)；下 同）并明確開關(guān)函數(shù)S(j)與控制量U(k)的關(guān)系：考慮變換器狀態(tài)空間模型如下：
陽(yáng)的1 ] 其中.雌)e i?"*是狀態(tài)變量；《(巧G i?"。是控制輸入變量；義腳€及"。是被控輸出變 量；e 可測(cè)量的外部干擾變量；A，Bu, Bd, Cc均為與系統(tǒng)參數(shù)有關(guān)的矩陣。
[0032] 電力電子變換器通過(guò)控制可控開關(guān)