一种多步预测的变流器模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多步预测的变流器模型预测控制方法，其具体步骤为：设置控制时域与预测时域长度，控制时域包含若干个控制周期，预测时域比控制时域多一个控制周期，按控制时域更新控制量；在当前控制时域的每一个控制周期内，采样系统状态，实施相应控制，逐步计算预测时域内的系统状态，根据最后预测的系统状态，采用模型预测控制算法寻优计算下一控制时域中对应的最优控制量；对下一控制时域内的全部控制量进行脉冲优化以降低开关频率；在下一个控制时域的控制周期内实施优化后的控制量。该设计方法采用增加预测时域但不增加寻优时域的策略来减少多步预测的计算量，通过构建控制时域并采用脉冲优化的策略来降低开关频率，改善了控制性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多步预测的变流器模型预测控制方法
本专利技术涉及一种变流器模型预测控制方法，特别涉及一种多步预测的变流器模型预测控制方法。
技术介绍
变流器模型预测控制算法是变流器控制方法的研究热点，它基于模型预测控制理论，结合变流器自身的控制特点，采用预测模型进行计算，基于代价函数进行寻优，实现了变流器的综合优化控制。在现有的变流器模型预测控制算法中，变流器有限控制集模型预测控制算法(finitecontrolsetmodelpredictivecontrol,FCS-MPC)针对变流器开关控制信号的离散特性，通过设计开关函数组合，并利用开关函数组合个数有限的特性，由变流器预测模型遍历计算全部开关函数组合分别作用下的系统状态预测值；通过构建代价函数来综合变流器系统的控制性能，并选择使代价函数最小的开关函数组合作用于变流器。FCS-MPC算法具有建模直观、控制直接、动态响应快、无需经典变流器控制结构中的PWM调制模块等优势，但也存在在线计算复杂、开关频率较高且不可控、难以实现经典模型预测控制理论中的多步预测计算等问题，这将导致算法保守且影响算法的抗干扰性，而较高的开关频率则增加了变流器的热损耗，降低了变流器的效率。针对FCS-MPC算法多步预测的问题，已公开的方法主要包括：1、文献(一种多步预测的变流器有限控制集模型预测控制算法.中国电机工程学报,2012,32(33):37-44.)，采用三步预测计算，两步寻优计算的策略来降低算法的保守性，这种方法难以直接增加预测步数。2、文献(Modelpredictivedirectcurrentcontrol:Formulationofthestatorcurrentboundsandtheconceptoftheswitchinghorizon.IEEEIndustryApplicationsMagazine,2012,18(2):47-59.)，是一种经典的多步模型预测控制算法。该算法基于外推法进行系统状态的预测计算，将预测时域组织成“S”、“E”两种状态，“S”是开关状态(switch)，“E”是外推状态(extrapolate)。在多步预测计算过程中，只有在“S”状态才进行寻优计算，而在“E”状态仅仅基于“S”状态的最优控制量计算系统响应，这两种状态的切换由状态量跟踪偏差的宽度决定，因此需折中考虑预测步数的长度与算法跟踪控制性能。3、文献(Long-horizonfinite-control-setmodelpredictivecontrolwithnonrecursivespheredecodingonanFPGA.IEEETransactionsonpowerelectronics,2020,35(7):7520-7531)，采用球解码算法结合FPGA并行计算硬件实现多步预测。
技术实现思路
为了解决现有变流器模型预测控制算法存在的上述技术问题，本专利技术提供一种易于实现、高效可靠的多步预测变流器模型预测控制方法。本专利技术解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：A1、设置预测时域Tp与控制时域Tc的长度，Tc=nTs，Tp=(n+1)Ts；A2、在当前控制时域的第k个控制周期内，采样状态x(k)，实施控制SLK(k)，由多步预测寻优计算得到Sop(k)；A3、对下一控制时域内的全部控制量Sop(1:n)进行脉冲优化得到SLK(1:n)；A4、在下一控制时域的控制周期内实施优化后的控制量SLK(k)。本专利技术的技术效果在于：本专利技术基于模型预测控制理论，设置变流器模型预测控制算法的控制时域与预测时域，在控制时域内的每个控制周期中进行采样、实施控制，并完成预测时域内系统状态的预测计算，进而得到下一控制时域的最优控制量，最后对下一控制时域中的全部控制量进行脉冲优化，实现了降低开关频率的目的。这种设计方法采用增加预测时域但不增加寻优时域的策略来减少多步预测的计算量，由每个控制周期的状态采样值计算预测时域内的状态预测值，通过构建控制时域并采用脉冲优化的策略来降低开关频率，改善了系统控制性能。附图说明图1为本专利技术中变流器有限控制集模型预测控制算法(FCS-MPC)原理图。图2为本专利技术的流程图。图3为本专利技术的时序计算流程图。图4为本专利技术中控制时域n=6的计算时序图。图5为本专利技术中基于面积等效原则的脉冲优化原理图。图6为本专利技术中三相逆变器输出电压仿真波形图。图7为本专利技术中输出控制脉冲对比细节图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术针对现有变流器有限控制集模型预测控制算法(finitecontrolsetmodelpredictivecontrol,FCS-MPC)存在的预测时域短以及开关频率难以降低的缺点，设计多步预测机制与脉冲优化策略。经典FCS-MPC算法结构框图如图1所示。定义变流器的开关函数S，S=1表示开关闭合，S=0表示开关关断。对于三相变流器，将某一时刻作用于变流器的开关函数组合表示为向量S=[Sa,Sb,Sc]T。对于三相两电平变流器，开关函数，其中Sjp表示上桥臂开关管开关函数，Sjn表示下桥臂开关管开关函数，且Sj∈{0,1}，j=a,b,c。在当前时刻k，先实施由前一控制周期计算出的最优开关函数组合S(k)，再根据状态采样值x(k)，由预测模型计算出k+1时刻的状态预测值xp(k+1)。在状态预测值xp(k+1)的基础上，由预测模型遍历计算全部开关函数组合分别作用下的状态预测值xpi(k+2)，其中i=1,..,g，g为变流器全部开关函数组合的个数。计算各开关函数组合对应的代价函数，取代价函数最小的开关函数组合作为下一控制周期的控制量S(k+1)。由FCS-MPC算法原理可知，预测模型与代价函数的遍历计算是导致算法在线计算量大的主要原因，并将随着预测时域的增加呈指数上升，因此简单的增加预测时域是不可行的。而由预测控制理论可知，适当增加预测时域将有利于提高算法控制性能，使得局部最优控制量具有一定的全局最优性，因此增加预测时域是进一步提高算法控制性能的有效途径。此外，与传统变流器控制算法相比，FCS-MPC算法在结构上最显著的特征是没有PWM波形调制器，这使得变流器的开关频率只能由控制周期以及代价函数决定，而简单的增加控制周期长度将减少最小脉冲的宽度，代价函数的设计也只能通过构建约束来减少开关次数。针对经典FCS-MPC算法存在的上述问题，本专利技术专利构建了一种多步预测的变流器模型预测控制算法，借鉴预测控制理论中预测时域与控制时域的概念实现多步预测计算，采用面积等效原则构建简单、有效的脉冲优化策略实现降低开关频率的目的，算法的计算量可以满足实时控制的要求。本专利技术的多步预测的变流器模型预测控制算法，其流程如图2所示，包括以下几个步骤：A1、设置预测时域Tp与控制时域Tc的长度；Tc=nTs(1)Tp=(n+1)Ts(2)其中，n为大于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多步预测的变流器模型预测控制方法，包括以下步骤：/nA1、设置预测时域T

【技术特征摘要】
1.一种多步预测的变流器模型预测控制方法，包括以下步骤：
A1、设置预测时域Tp与控制时域Tc的长度，Tc=nTs，Tp=(n+1)Ts；
A2、在当前控制时域的第k个控制周期内，采样状态x(k)，实施控制SLK(k)，由多步预测寻优计算得到Sop(k)；
A3、对下一控制时域内的全部控制量Sop(1:n)进行脉冲优化得到SLK(1:n)；
A4、在下一控制时域的控制周期内实施优化后的控制量SLK(k)。


2.根据权利要求1所述的多步预测的变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述的步骤A1中预测时域Tp与控制时域Tc按下式计算；
Tc=nTs(1)
Tp=(n+1)Ts(2)
其中，n为大于1的整数；Ts是控制周期，单位为秒。


3.根据权利要求1所述的多步预测的变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述的步骤A2的具体步骤为；
A21、构建控制量数组SLK[n]与预测寻优结果数组Sop[n]；
控制时域内的控制量存放在数组SLK[n]中，预测寻优的计算结果存放在数组Sop[n]中，控制周期与采样周期均为Ts，Ts也是算法输出的最小脉冲宽度；
A22、在当前控制时域内进行多步预测寻优计算；
控制时序k=1，实施控制SLK(1)，并采样系统状态x；基于状态x，结合SLK(1:n)，采用变流器状态预测函数fp进行n步预测计算，得到状态预测值xp(n+1)；在xp(n+1)的基础上，遍历计算全部变流器开关函数组合分别作用下的预测值xpi(n+2)，其中i=1,..,g，g为变流器全部开关函数组合的个数，由代价函数fc寻...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈坤，刘录光，南晨晨，杜保强，李晋，张协衍，
申请(专利权)人：湖南师范大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43