[发明专利]应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法

说明书

本发明公布了应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法。本发明以传统有限集模型预测控制为基础，以开关器件开关次数最少为原则，期望相邻采样时刻电力电子系统开关函数至多只有一个数值发生变化，根据这个原则确定当前采样时刻期望出现的开关函数集合作为控制集；在当前采样时刻按计算的时间先后作用上一采样时刻最优开关函数和当前采样时刻最优开关函数。本发明公布的应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法在保留传统有限集模型预测控制优点的同时，算法精简快速，开关损耗低等显著优点。

技术领域

本发明涉及电力电子变流和智能控制技术领域，尤其涉及应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法。

背景技术

随着经济和社会的发展，电力电子系统在生产和生活中起到不可替代的作用，但电力电子变换器大量的使用造成了的谐波污染和能量损耗，这些突出的问题日益成为整个电力电子领域关注的重点。其中电力电子系统中的控制技术直接影响变换器的性能，也直接影响着谐波和电能损耗，所以电力电子控制技术是当前研究的一个热点。

电力电子系统目前常见的控制策略有：滞环比较控制、模型预测控制、电流预测控制、前馈解耦控制、直接功率控制等，但是这些控制目前仍有不足之处：简单的滞环比较控制输入电流纹波依然较大，控制性能和开关频率受环宽的影响较大；而前馈解耦控制为线性控制，需要一些参数的设定，还需要增加SVPWM或SPWM环节，算法复杂；电流预测控制受系统运行参数变化影响较大，很容易失控；直接功率控制要依靠开关表，容易与实际运行产生脱节导致性能变坏；传统有限集模型预测控制虽然动态响应比较快，但算法在线计算量大造成延时影响控制效果，另外需要较高的开关频率才能有较好的控制效果，开关损耗大。

发明内容

针对现有控制策略的不足，本发明目的在于提供应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法。该方法以传统有限集模型预测控制(Finite Control SetModel Predictive Control，FCS-MPC)为基础，以开关器件开关次数最少为原则，期望相邻采样时刻电力电子系统开关函数至多只有一个数值发生变化；根据这个原则和上一采样时刻的最优开关函数，可以找出当前采样时刻期望的所有开关函数；根据系统预测模型和上述期望的开关函数分别预测下一采样时刻的输出，无需预测期望之外的开关函数对应的输出，从而精简运算过程；通过遍历法在上述所有的预测结果中找出使得目标函数最优的值对应的最优开关函数，寻优范围大大缩小，缩短算法执行时间；在当前采样时刻内先后作用上一采样时刻最优开关函数和找出的当前采样时刻最优开关函数，按计算出的时间分别作用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：应用于电力电子系统的低频快速有限集模型预测控制方法，主要步骤如下：

(S1)根据电力电子变换器的特性确定状态变量x(k)并列出状态方程；找出所有可能的开关状态定义开关函数S(j)，其中j＝1:M，M为变换器所有可能出现的开关函数总数；并明确开关函数S(j)与控制量U(k)的关系；

(S2)测量电力电子变换器的状态变量、输出量和可测干扰量；

(S3)根据开关器件开关次数最少的原则，期望相邻采样时刻电力电子变换器的开关函数至多只有一个数值发生变化；根据上一采样时刻的最优开关函数S(k-1)_opt，找出当前采样时刻期望的所有开关函数S(k)_i的集合作为控制集，其中i＝1:N，N为期望开关函数的总数，N<M；根据开关函数S与控制量U(k)的关系找出期望的所有控制量U(k)_i，其中i＝1:N；定义k-1时刻为上一采样时刻，k时刻为当前采样时刻，k+1为下一采样时刻；

(S4)设系统采样周期为Ts，将(S1)中的状态方程改写为离散形成，根据(S2)所述的测量量和(S3)的期望的所有控制量U(k)_i预测下一采样时刻的状态变量x(k+1)_i，其中i＝1:N；