一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法，具体为：建立多电平变流器系统的离散化预测模型，从而实现对控制状态量的精确预测；控制算法部分首先通过预测电流误差和比较边界确定是否需要改变控制输出；然后，在确定需要更新控制输出后，对采用不同电压矢量后控制系统电流误差进行线性化外推，带入代价函数并进行最小化处理；最后，根据所选最优矢量和变流器直流母线中点电压大小，进行矢量重构实现对中点电压的平衡控制。本发明专利技术实现在无权重因子下的多电平变流器多目标模型预测控制，同时实现多步长预测，有效提高了模型预测控制算法的控制性能和鲁棒性。型预测控制算法的控制性能和鲁棒性。型预测控制算法的控制性能和鲁棒性。

【技术实现步骤摘要】
一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法


[0001]本专利技术属于模型预测控制和电力电子传动领域，具体涉及一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，模型预测控制(Model Predictive Control，简称MPC)受到了广泛的研究和关注，有望在光伏、风电、新能源汽车以及牵引传动等工业领域得到推广应用。MPC通过预测模型和代价函数方程，将控制目标转化为一个实时在线优化问题，有效利用了变流器有限个开关矢量的特点，直接输出最优控制矢量而不依赖于外部调制生成开关信号。相较于传统的矢量控制，MPC具有多目标、多变量和多约束条件的控制特性，因此更加适合控制目标和约束更为复杂的多电平变流器系统。多电平变流器的控制需要同时考虑多个目标，如电流/转矩跟踪，直流母线电容电压平衡，开关频率优化等等。然而，由于这些控制目标可能是相互冲突的，为了达到最优的控制效果，需要解决代价函数设计优化及多权重因子间的分配问题。目前，尚没有一套通用的权重因子理论计算方法，通常采用经验试错法来设计代价函数，难以达到最优的控制效果。
[0003]无权重MPC通过对控制结构和代价函数的重新设计消除权重因子，从而避免权重因子的调节，是一个较好的解决思路。然而，目前多数方法仅仅集中于单个权重因子的消除，对于多电平变流器这种多目标多约束控制系统并不适用。因此，需要研究一种改进的适用于多电平变流器的MPC方法，实现多控制目标的无权重因子优化。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是针对上述的不足，提供一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法，采用了多重级联控制结构来消除权重因子，同时采用多步长预测提升控制性能。该方法适用于两电平、三电平变流器拓扑，如T型、二极管中点钳位型、有源中点钳位型及各种混合变流器拓扑结构等，避免了多目标优化下的权重因子调节，节省了大量试错法调节时间，同时达到了最优化控制效果。
[0005]本专利技术的一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法，包括以下步骤：步骤1：建立多电平变流器控制系统的离散化数学模型，包括电流预测模型、中点电压预测模型、开关预测模型，将采集的变流器电流信号进行一步补偿以抵消控制延迟。
[0006]步骤2：构建电流边界同时定义其边界值，预测在变流器开关状态不变时，下一时刻的电流大小，并与参考电流值比较得出其电流误差预测值；将电流误差预测值与边界值比较，生成后续控制环节的触发信号，进而决定是否对当前开关状态进行更新。
[0007]步骤3：构建电流误差的多步长离散化预测数学模型，对所有可用电压矢量下的电流误差轨迹进行外推，计算出使得电流误差保持在边界内的时间以及对应开关矢量所需的开关次数，构建新的代价函数，选出在该时间段内平均开关频率最小的电压矢量作为最优矢量。
[0008]步骤4：构建直流母线侧中点电压的边界并定义其边界值，将中点电压值与边界值比较，决定是否进行中点电压平衡控制；当步骤3选取最优矢量为小电压矢量且中点电压值超出其定义的最大边界时，基于小矢量互补的原则，选取使得中点电压减小方向的电压矢量作为最优输出。
[0009]进一步的，步骤1具体为：1)电流状态预测以三相电机或类似RL负载作为控制对象，可建立其通用的电压电流状态方程，表示为：其中，状态向量x1代表输出的电流状态，输入向量u代表变流器的输出电压幅值，F、G、D代表状态方程矩阵，由变流器所驱动的负载类型决定。
[0010]采用一阶欧拉离散方法将上述公式进行离散化处理，得到定子电流的预测值为：其中，k表示变量所在的时刻，状态向量分别表示为：A=I+FT
s
，B=GT
s
，E=DT
s
，T
s
表示采样周期。在进行一步延时补偿时，基于上式计算得出k+1时刻的电流值作为当前时刻的实际电流值再进行后续运算。
[0011]2)中点电压状态预测根据变流器直流母线侧上、下电容的电压值，以及直流母线中性点的电流大小，基于一阶欧拉法离散化处理方法，得到多电平变流器的直流母线中点电压离散化数学模型的通用表达形式：其中，C
dc
为直流侧电容的容值，x2表示为x2=[v
n
]，v
n
=(v
c2
‑
v
c1
)/2，v
c1
和v
c2
分别表示直流母线侧上、下电容电压值。由于中点电压控制实时性和精确性要求不如电流控制高，因此不需要进行一步延时补偿。
[0012]3)开关状态预测定义当前开关切换次数的状态方程如下：其中，l表示第l个矢量，l的数量代表可用电压矢量数量，取决于具体实施的变流器类型以及划定的电压扇区。
[0013]进一步的，步骤2定义电流误差的表达形式，其表达式为：其中，x* 1表示为电流向量的参考值，向量e
i
表示电流的预测误差。
[0014]定义了电流边界表示为ε1，其值代表所容许的电流误差范围。
[0015]边界比较的比较逻辑基于一种滞环表达方法：当|e
i
(k+1)|<ε1时，保持当前输出不变，后续的控制步骤不被激活；如果|e
i
(k+1)|>ε1，超过了定义电流边界，将会生成一个触发
信号，激活控制阶段，即步骤3。
[0016]进一步的，步骤3包含电流误差外推及代价函数最小化，具体为：电流误差外推使用了一阶线性化处理方法，其表达式为：式中，n表示预测的步长。
[0017]将k+n时刻的电流误差e
i
(k+n)转化为一元二次方程形式求解，其表示为：求解该方程：通过假定误差e
i
(k)与e
i
(k+n)相等，替换nT
s
为t
d
，从而可获取电流误差在误差容许范围的最大持续时间，其求解后的最终表达式为：其中，t
d
为电流误差不超过边界的时间。
[0018]代价函数最小化，其方法特征为：其中，J为代价函数，通过最小化代价函数表达式从而选出最优的电压矢量。
[0019]进一步的，步骤4中，基于互补小矢量对中点电压控制效果相反特征，通过小矢量替换实现中点电压平衡，同时基于边界滞环控制来生成步骤4激活的触发信号。
[0020]定义了中点电压边界值为ε2；边界判定逻辑为：首先判定当前中点电压值x2(k)是否超出ε2；如果|x2(k)|<ε2，则跳过步骤4；若|x2(k)|>ε2，判定步骤3求解出的最优矢量是否为小矢量，若是小矢量，则进一步预测小矢量及其互补小矢量对下一时刻中点电压的影响，选择使|x2(k+1)|值更小的小矢量作为最优矢量输出。
[0021]本专利技术的有益技术效果为：（1）本专利技术所述方法采用级联方式消除了代价函数中的权重因子调节，完全摒弃了传统MPC中的代价函数，避免了使用单一代价函数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立多电平变流器控制系统的离散化数学模型，包括电流预测模型、中点电压预测模型、开关预测模型，将采集的变流器电流信号进行一步补偿以抵消控制延迟；步骤2：构建电流边界同时定义其边界值，预测在变流器开关状态不变时，下一时刻的电流大小，并与参考电流值比较得出其电流误差预测值；将电流误差预测值与边界值比较，生成后续控制环节的触发信号，进而决定是否对当前开关状态进行更新；步骤3：构建电流误差的多步长离散化预测数学模型，对所有可用电压矢量下的电流误差轨迹进行外推，计算出使得电流误差保持在边界内的时间以及对应开关矢量所需的开关次数，构建新的代价函数，选出在该时间段内平均开关频率最小的电压矢量作为最优矢量；步骤4：构建直流母线侧中点电压的边界并定义其边界值，将中点电压值与边界值比较，决定是否进行中点电压平衡控制；当步骤3选取最优矢量为小电压矢量且中点电压值超出其定义的最大边界时，基于小矢量互补的原则，选取使得中点电压减小方向的电压矢量作为最优输出。2.根据权利要求1所述的一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤1具体为：1)电流状态预测其中，状态向量x1代表输出的电流状态，输入向量u代表变流器的输出电压幅值，F、G、D代表状态方程矩阵，由变流器所驱动的负载类型决定；采用一阶欧拉离散方法进行离散化处理，得到定子电流的预测值为：其中，k表示变量所在的时刻，状态向量分别表示为：A=I+FT
s
，B=GT
s
，E=DT
s
，T
s
表示采样周期，I表示单位矩阵；2)中点电压状态预测基于一阶欧拉法离散化处理方法，得到多电平变流器的直流母线中点电压离散化数学模型的通用表达形式：其中，C
dc
为直流侧电容的容值，x2表示为x2=[v
n
]，v
n
=(v
c2
‑
v
c1
)/2，v
c1
和v
c2
分别表示直流母线侧上、下电容电压值；3)开关状态预测定义当前开关切换次数的状态方程如下：其中，x3代表变流器发生状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：马光同，孙振耀，徐帅，任冠州，姚春醒，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：