一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略制造技术

本发明专利技术公开了一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略，包括获取系统预测模型，以便对受控对象在未来时刻的状态进行预测；对受控对象在未来时刻的基波及各次谐波幅值进行提取；计算代价函数，并选择使代价函数最小的开关状态反馈给控制系统；在下一个采样时刻，循环上述过程，以获得完整周期的开关状态，实现控制系统对指定次谐波的抑制要求；本发明专利技术所提预测控制算法能有效抑制，其中偶次谐波基本被消除，并在保证低次谐波均被有效抑制的同时，系统开关频率最低可降至700Hz，本发明专利技术可达到与SHEPEM策略同等的效果，在降低开关频率的同时对逆变器输出波形的谐波有效抑制；并相较之可在线计算，实时性更好，能有效减轻硬件资源负担。减轻硬件资源负担。减轻硬件资源负担。

【技术实现步骤摘要】
一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略


[0001]本专利技术涉及逆变器控制领域，具体涉及一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略。

技术介绍

[0002]近年来，基于风能、太阳能等可再生能源的分布式发电系统以其清洁、经济、可持续发展等优势逐渐受到重视，成为研究热点。微电网作为一种将分布式电源装置、储能系统、多种负荷装置有机整合在一起的小型发配电系统，可将分布式可再生能源充分利用，并更好发挥其发电潜能。微电网可脱离大电网孤岛运行，其中逆变器是孤岛型微电网与独立负载之间的重要接口，主要通过控制逆变器，以实现对孤岛型微电网中微源的网侧电压进行控制。在孤岛型微电网中，由逆变器为负载端提供所需的电能。由于没有外部电网的支撑，逆变器及负载侧的非线性负荷会导致输出电压波形中出现大量谐波，进而产生严重畸变。这会对孤岛型微电网的电压质量产生严重影响，无法满足对电能质量要求较高用户的需求。通常可以选择带有L型或LCL型滤波器的逆变器对谐波进行滤除，然而低次谐波(常为5
th
、7
th
等)则难以被滤除。且逆变器输出波形的低次谐波含量越大，开关损耗相应也越大，会使得逆变效率降低。因此对逆变器的优化控制研究是提高电力系统离网运行时输出电能质量的关键技术。
[0003]为降低谐波失真含量，需选择合适的控制策略对逆变器进行控制。常见的控制策略，如基于载波的脉宽调制(PWM)及常规空间电压矢量调制(SVPWM)等异步脉宽调制方法，负载谐波性能相对较好。为降低逆变器的开关损耗，提高其输出效率，通常需要使其工作在低开关频率条件下。然而随着开关频率的降低，上述两种调制方法输出的波形中谐波不断增大，会导致电力系统无法正常工作。
[0004]指定谐波消除PWM策略(selective harmonic elimination
‑
PWM，SHE
‑
PWM)可以在降低开关频率的同时对逆变器输出波形的谐波有效抑制，且相比载波调制，逆变器输出效率得到有效提高。目前SHEPWM技术常通过对电压波形进行傅里叶分析，并求解不同调制比m对应的开关角，并将离线求解所得切换模式以及开关角度存储在控制器的内存空间中，依据开关次数N以及调制比m查询相应的开关角。此方法虽能一定程度对指定次谐波进行消除，然而，开关角的计算需要求解超越方程，且是在离线条件下完成，求解过程较复杂，算法实时性较差，且动态响应不高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的为了克服SHEPWM调制策略中其算法实时性较差、动态性能不高的不足之处，提出一种基于预测控制方法的指定谐波抑制开关策略，使逆变器在低开关频率下运行的同时，实现对谐波的抑制，并提高控制系统的动态性能。
[0006]为此，本专利技术提供的技术方案为：一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略，主要包括以下过程：
[0007](1)获取系统预测模型，以便对受控对象在未来时刻的状态进行预测；
[0008](2)对受控对象在未来时刻的基波及各次谐波幅值进行提取；
[0009](3)计算代价函数，并选择使代价函数最小的开关状态反馈给控制系统；
[0010](4)在下一个采样时刻，循环上述过程，以获得完整周期的开关状态，实现控制系统对指定次谐波的抑制要求。
[0011]优选地，对系统预测模型的获取主要包括以下步骤：
[0012]1‑
1)提取各次谐波信号需在至少一个基波周期的采样窗口中进行，系统对前N个采样点的输入进行初始化，并设置flag_init作为判断系统是否进入初始化的标识信号；
[0013]1‑
2)当flag_init＝1时，系统进行初始化处理；
[0014]1‑
3)当flag_init≠1时，对系统预测模型进行获取，以便对受控对象在未来时刻的状态进行预测。
[0015]优选地，对谐波提取主要包括以下步骤：
[0016]2‑
1)对每一时刻的谐波电压信号采样点，通过信号以公式(1)的形式获取单位谐波幅值分量；
[0017][0018]上式中，x[n]为离散的时间信号；X[k]为离散的频域信号，k值表示为基频的倍数，即谐波次数；N为基波周期内采样点个数；n为c采样点数；
[0019]2‑
2)对公式(1)进行滑窗离散傅里叶变换：在t时刻计算X[k]|
t
，在下一采样时刻t+T
s
只需要将X[k]|
t
计算结果中最早的一个时域信号采样点x[t
‑
(N
‑
1)T
s
]去除，并加上最新采样点x[t+T
s
]，最后乘以移位因子，得到在t+T
s
时刻的计算结果实现对时域信号频谱的求解；
[0020]优选地，计算代价函数具体包括以下步骤：
[0021]3‑
1)各相电压信号u
*
(A、B、C)在未来时刻的状态均有两种，分别记为u
ad1
(u
*
)和u
ad2
(u
*
)，对每一时刻的谐波电压信号采样点，通过信号以公式(1)的形式获取单位谐波幅值分量，并分别将状态u
ad1
(u
*
)存储至存储器m
h1
中，将状态u
ad2
(u
*
)存储至存储器m
h2
中，并将一个基波周期的频域计算结果存储至存储器M
h
中；
[0022]通过信号以公式(1)的形式获取单位谐波幅值分量，并分别将状态u
ad1
(u
*
)存储至存储器m
f1
中，将状态u
ad2
(u
*
)存储至存储器m
f2
中，并将一个基波周期的频域计算结果存储至存储器M
f
中；
[0023]3‑
2)对控制目标各相电压信号，每次计算的谐波幅值分量根据电压信号未来时刻的状态为u
ad1
(u
*
)或u
ad2
(u
*
)，依此判断其状态结果是储存在m
h1
或是m
h2
的数据集中，并根据上一时刻预测结果来判断此时触发选择传递的是哪一个数据集的值；
[0024]3‑
3)随后通过滑窗离散傅里叶变换对每个基波周期的完整数据点提取各次谐波分量，并储存在数据集M
h
中；
[0025]3‑
4)将提取的谐波分量送入代价函数中计算，并选取最为合适的电压信号，以获
得逆变器期望输出电压波形；
[0026]3‑
5)根据以下控制目标来确定代价函数：
①
控制低次谐波失真，避免对电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略，其特征在于，主要包括以下过程：(1)获取系统预测模型，以便对受控对象在未来时刻的状态进行预测；(2)对受控对象在未来时刻的基波及各次谐波幅值进行提取；(3)计算代价函数，并选择使代价函数最小的开关状态反馈给控制系统；(4)在下一个采样时刻，循环上述过程，以获得完整周期的开关状态，实现控制系统对指定次谐波的抑制要求。2.根据权利要求1所述的一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略，其特征在于，对系统预测模型的获取主要包括以下步骤：1
‑
1)提取各次谐波信号需在至少一个基波周期的采样窗口中进行，系统对前N个采样点的输入进行初始化，并设置flag_init作为判断系统是否进入初始化的标识信号；1
‑
2)当flag_init＝1时，系统进行初始化处理；1
‑
3)当flag_init≠1时，对系统预测模型进行获取，以便对受控对象在未来时刻的状态进行预测。3.根据权利要求1所述的一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略，其特征在于，对谐波提取主要包括以下步骤：2
‑
1)对每一时刻的谐波电压信号采样点，通过信号以公式(1)的形式获取单位谐波幅值分量；上式中，x[n]为离散的时间信号；X[k]为离散的频域信号，k值表示为基频的倍数，即谐波次数；N为基波周期内采样点个数；n为c采样点数；2
‑
2)对公式(1)进行滑窗离散傅里叶变换：在t时刻计算X[k]|
t
，在下一采样时刻t+T
s
只需要将X[k]|
t
计算结果中最早的一个时域信号采样点x[t
‑
(N
‑
1)T
s
]去除，并加上最新采样点x[t+T
s
]，最后乘以移位因子，得到在t+T
s
时刻的计算结果实现对时域信号频谱的求解；4.根据权利要求1所述的一种具有低开关频率特性的预测控制指定谐波抑制开关策略，其特征在于，计算代价函数具体包括以下步骤：3
‑
1)各相电压信号u
*
(A、B、C)在未来时刻的状态均有两种，分别记为u
ad1
(u
*
)和u
ad2
(u
*
)，对每一时刻的谐波电压信号采样点，通过信号以公式(1)的形式获取单位谐波幅值分量，并分别将状态u
ad1
(u
*
)存储至存储器m
h1
中，将状态u
ad2
(u
*
)存储至存储器m
h2
中，并将一个基波周期的频域计算结果存储至存储器M
h
中；通过信号以公式(1)的形式获取单位谐波幅值分量，并分别将状态u
ad1
(u
*
)存储至存储器m
f1
中，将状态u
ad2
(u
*
)存储至存储器m
f2
中，并将一个基波周期的频域计算结果存储至存储器M
f
中；
3
‑
2)对控制目标各相电压信号，每次计算的谐波幅值分量根据电压信号未来时刻的状态为u
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(u
*
)或u<...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐昕，杨康，约阿希姆，
申请(专利权)人：北京科技大学顺德研究生院，
类型：发明
国别省市：