有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法技术

本发明专利技术公开了一种有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，其特征是：对三电平有源滤波器谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标的实现方法进行优化整合，在约束函数中仅以输出电流为约束项实现三个控制目标的优化控制。本发明专利技术方法简化了约束函数，省去了约束函数中权重因子的选取，减少了因权重因子整定和多约束项计算带来的计算量，提高了系统的动态响应，实现了多目标的均衡控制。

【技术实现步骤摘要】
有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法
本专利技术涉及有源滤波器(ActivePowerFilter，APF)控制领域，特别涉及一种基于有限控制集模型预测控制(FiniteControlSetModelPredictiveControl，FCS-MPC)的一种新型三电平APF单目标优化控制方法。
技术介绍
模型预测控制(ModelPredictiveControl，MPC)自上世纪70年代被提出以来，经过几十年的发展已从最初的工业领域应用发展成为解决多学科约束优化控制问题的有效方法。通过对有限数量的系统开关状态进行控制解决目标优化问题而形成的有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)是一种基于系统有限的开关状态集合，根据建立的系统预测模型和设计的目标约束函数，遍历计算出所有开关状态分别作用下的系统输出，选择使目标约束函数值最小的开关状态作为系统控制输入的优化控制算法。近年来，FCS-MPC因其建模直观、控制灵活、动态响应好且无需PWM调制环节等优势被广泛应用于逆变器、APF、DCDC变换器的控制中。由于实际系统控制目标的复杂性和多样性，FCS-MPC的约束函数一般含有多个约束项来实现不同目标的优化，每个约束项的权重因子反映了各个控制目标间的相对重要性，它的取值受到具体控制目标参数的影响。由于权重因子整定计算量大，故在实际应用中，权重因子的值一般选取较为困难。同时，过多约束项会引入大量的计算量，影响控制的动态性能。
技术实现思路
针对三电平APF电路，本专利技术提供一种有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，以期避免权重因子的选择，简化约束函数中的约束项，减少需要遍历计算的开关状态数量，从而降低计算量，提高动态性能，实现多目标控制效果的均衡控制。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术有限控制集模型预测单目标三电平APF控制方法，其三电平APF是指三电平有源滤波器，所述三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2、十二只IGBT开关管，六只反并联二极管，三相输出电感L，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合；本专利技术控制方法的特点是：针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。本专利技术有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法的特点也在于：A1、按如下方式实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定的控制根据瞬时无功功率理论计算获得谐波电流参考信号；在谐波电流参考信号的计算环节中添加直流侧电压稳定控制环节，是将直流侧电压参考值与直流侧电压反馈值经过PI调节器得到调节信号Δip，将所述调节信号Δip与瞬时有功电流的直流分量相叠加，所述的谐波电流参考信号中含有基波有功电流的调节分量，所述谐波电流参考信号即为输出电流参考值，由此实现将对直流侧电压的控制整合到对输出电流的跟踪控制中；A2、按如下方式实现直流侧中点电位平衡控制三电平APF的二十七种开关状态组合，每个开关状态组合对应相应的输出电压空间矢量，根据输出电压空间矢量的长短，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量；小矢量开关状态组合成对冗余出现，每对小矢量开关状态组合对应的输出电压矢量相同，并对直流侧两个电容电压的作用是相反的；当通过约束函数计算得到的最优开关状态组合是一个小矢量开关状态组合时，根据所述小矢量开关状态组合对直流侧电容电压的作用趋势，在两个冗余开关状态组合中选择使直流侧电容电压趋于平衡的一个作为最优开关状态组合。本专利技术有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法的特点也在于：所述控制方法包括：B1、建立三电平APF预测模型，所述预测模型包括输出电流预测模型和参考电流预测模型；所述输出电流预测模型为：为tk+1时刻的输出电流预测值，L为输出滤波电感，Ts为采样周期；uf(tk)为tk时刻的APF桥臂侧输出电压的空间向量形式，由开关状态组合决定；up(tk)为tk时刻的PCC点的电压空间向量形式；所述参考电流预测模型为：和一一对应为tk+1、tk、tk-1、tk-2时刻的输出电流参考值；B2、设计有限控制集模型预测单目标控制算法的约束函数为：为tk+1时刻输出电流参考值，利用参考电流预测模型计算获得，为tk+1时刻输出电流预测值，利用输出电流预测模型计算获得，所述有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法是按如下步骤进行：步骤a、将上一周期计算得到的最优开关状态组合Sopt应用于三电平有源滤波器的本周期控制；步骤b、采样当前时刻即tk时刻的直流侧电容电压udc1(tk)和udc2(tk)，三相输出电流ia(tk)、ib(tk)、ic(tk)，以及PCC点的电压upa(tk)、upb(tk)、upc(tk)，计算获得输出电流空间向量形式io(tk)，以及PCC点的电压空间向量形式up(tk)；步骤c、针对不同的开关状态组合，分别利用式(1)所表征的输出电流预测模型，一一对应计算获得每个开关状态组合对应的tk+1时刻的输出电流预测值按照权利要求2中A1所述方法计算获得tk时刻的输出电流参考值根据式(2)所表示的参考电流预测模型，利用输出电流参考值计算获得tk+1时刻的输出电流参考值步骤d、根据式(3)所表征的约束函数，利用步骤c中计算获得的tk+1时刻的输出电流预测值和输出电流参考值进行计算获得与各开关状态组合一一对应的约束函数值，将所有约束函数值进行比较，选取最小约束函数值所对应的开关状态组合，记为开关状态组合M；步骤e、对所述开关状态组合M进行判断：若开关状态组合M是一个小矢量开关状态组合，则根据权利要求2中A2所述的直流侧中点电位平衡控制方法对开关状态组合M进行评估，在两个冗余开关状态组合中选取最优开关状态组合Sopt；若开关状态组合M不是小矢量开关组合，则将所述开关状态组合M直接作为最优开关状态组合Sopt。与已有技术相比，本专利技术有益效果体现在：本专利技术对传统的三电平有源滤波器有限控制集模型预测控制的算法进行改进，通过对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定、直流侧中点电位平衡三个基本控制目标的单独实现方法进行优化整合，在约束函数中仅通过一个约束项进行优化控制，避免了权重因子的选取，简化了约束项，减少了需要遍历计算的开关状态数量，省去了因权重因子整定及多约束项带来的计算量，提高了系统的动态响应，实现了多目标的均衡控制。附图说明图1为本专利技术所针对的三电平APF主电路拓扑结构；图2为本专利技术谐波电流参考信号计算框图；图3为本专利技术三电平电压空间矢量图；图4为本专利技术控制方法流程图；具体实施方式本实施例中所针对三电平APF的主电路拓扑如图1所示，三电平APF是指三电平有源滤波器，三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2，Tj1～Tj4为十二只IGBT开关管，其中j＝a,b,c，D1～D6为六只反并联二极管，L为三相输出电感，忽略电感自身电阻，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合。本实施例是针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。本实施例有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法包括：A1：按如下方式实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定的控制根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有限控制集模型预测单目标三电平APF控制方法，所述三电平APF是指三电平有源滤波器，所述三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2、十二只IGBT开关管，六只反并联二极管，三相输出电感L，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合；其特征是：针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。

【技术特征摘要】
1.一种有限控制集模型预测单目标三电平APF控制方法，所述三电平APF是指三电平有源滤波器，所述三电平APF的主电路结构包括：直流侧电容C1和电容C2、十二只IGBT开关管，六只反并联二极管，三相输出电感L，三电平APF共有二十七种不同的开关状态组合；其特征是：针对三电平APF谐波电流补偿、直流侧电压稳定和直流侧中点电位平衡三个控制目标，仅以输出电流为约束项实现控制目标的优化控制。2.根据权利要求1所述的有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，其特征是：A1、按如下方式实现谐波电流补偿和直流侧电压稳定的控制根据瞬时无功功率理论计算获得谐波电流参考信号；在谐波电流参考信号的计算环节中添加直流侧电压稳定控制环节，是将直流侧电压参考值与直流侧电压反馈值经过PI调节器得到调节信号Δip，将所述调节信号Δip与瞬时有功电流的直流分量相叠加，所述的谐波电流参考信号中含有基波有功电流的调节分量，所述谐波电流参考信号即为输出电流参考值，由此实现将对直流侧电压的控制整合到对输出电流的跟踪控制中；A2、按如下方式实现直流侧中点电位平衡控制三电平APF的二十七种开关状态组合，每个开关状态组合对应相应的输出电压空间矢量，根据输出电压空间矢量的长短，分为大矢量、中矢量、小矢量和零矢量；小矢量开关状态组合成对冗余出现，每对小矢量开关状态组合对应的输出电压矢量相同，并对直流侧两个电容电压的作用是相反的；当通过约束函数计算得到的最优开关状态组合是一个小矢量开关状态组合时，根据所述小矢量开关状态组合对直流侧电容电压的作用趋势，在两个冗余开关状态组合中选择使直流侧电容电压趋于平衡的一个作为最优开关状态组合。3.根据权利要求2所述的有限控制集模型预测单目标三电平有源滤波器控制方法，其特征是：所述控制方法包括：B1、建立三电平APF预测模型，所述预测模型包括输出电流预测模型和参考电流预测模型；所述输出电流预测模型为：为tk+1时刻的输出电流预测值，L为输出滤波电感，Ts为采样周期；uf(tk)为tk时刻的APF桥臂侧输出电压的空间向量形...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国荣，彭勃，解润生，王啸飞，李智，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34