【《模型预测直接功率控制分析案例》4100字】

模型预测直接功率控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u23338模型预测直接功率控制分析案例 1298381.1直接功率控制算法 1175941.2PWM整流器直接功率控制原理 249601.3模型预测控制的原理 6280001.4改进模型预测直接功率控制算法 8传统直接功率控制(DirectPowerControl,DPC)，即开关表直接功率控制(Look-upTableDirectPowerControl,LUT-DPC)，该思想最早在1990年由日本学者TokuoOhnishi提出，在1998年被ToshihikoNoguchi命名为直接功率控制并广泛普及REF_Ref30065\r\h[59]。1.1直接功率控制算法在设计直接功率控制器时，其内环的设计对象是功率。下面我们介绍一下传统功率和瞬时功率定义。传统功率定义：(1.15)将正弦变化的电压电流用傅里叶级数表示为：(1.16)式（1.16）中，为正弦基波角频率；为n次谐波角频率，；式中为基波频率；为n次谐波电压、电流相位差。由式（1.16）可知有功功率P、无功功率Q、视在功率S之间的关系如下；(1.17)式中为n次谐波电压、电流之间的相位差。采用传统的功率定义会有很多局限性，如在不平衡或者不对称电网时，会导致电流和电压发生畸变，所以采用适用范围更广的瞬时功率定义法更为合适，瞬时功率定义法不仅可以确保功率的实时控制，并且可以快速调节功率的流动方向，确保系统运行稳定。瞬时功率定义当三相电流电压经过坐标变换到坐标系下，得到电流,和电压，此时瞬时功率表达式为(1.18)表示成矩阵形式为：(1.19)同理将上式转换到dq坐标系下，得(1.20)式（1.18）~（1.20）中，p为瞬时有功功率，q为瞬时无功功率。1.2PWM整流器直接功率控制原理图1.6PWM整流器DPC系统结构图图1.6是PWM整流器的直接功率控制系统结构图，它是由主电路和控制电路组成。控制电路由瞬时功率计算、滞环比较器、开关矢量表、电网电压矢量扇区鉴别器、PI调节器等五部分组成。首先将电网电压和电流通过坐标变换变为两相静止的电压变量和电流变量。然后通过功率计算公式得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，然后再通过确定电压矢量所在的扇区。比较p、q与、，将得到的差值代入滞环比较器中得到开关状态变量和。通过已经得到的数据在开关表中寻找最合适的开关状态来驱动主电路。下文主要对控制电路进行简单介绍。1）滞环比较器滞环比较器是bang-bang控制器的一种，它是一种非线性控制器，并且其控制算法简单，动态响应快，非常适合PWM整流器这样的具有非线性特性的功率开关器件。直接功率控制对有功功率和无功功率的给定值与实际值的误差进行校正，并分别由一个滞环比较器控制。图1.7为有功功率和无功功率滞环比较器的滞环特性，其中和分别为其滞环宽度。图1.7有功、无功功率滞环比较器的滞环特性滞环比较器只有两个输出值，其逻辑式（1.21）如所示：(1.21)式（1.21）中，和分别为有功、无功功率滞环控制器的环宽，和为功率之间的误差。通过图1.7和式（1.21）可以发现，滞环比较器的功能就是保证功率误差在给定的约束范围内，当功率误差超出约束值时，控制器通过不断更新开关状态来减小误差。滞环宽度是影响滞环控制系统性能好坏的关键，而环宽大小则受直流侧电压和滤波电感L影响，所以为了提高系统的精确度，我们要根据实际情况来设计环宽大小。2）电网电压矢量扇区鉴别器在直接功率控制中，无需像SVPWM控制策略中对电压矢量进行精确定位，只需根据功率控制精度，得知电压矢量所在扇区，就能进行控制。首先应该确定电网电压矢量的相位，为了数字化相位角，我们将扇区做如下划分，如图1.8所示，并且所得到的12扇区可以用数字表示为：(1.22)其中n=1~12，通过简单的比较器，就可以得知电压矢量所在扇区号。图1.8空间电压矢量划分图开关矢量表开关矢量表的好坏与否直接影响传统直接功率控制系统的性能。三相PWM整流器可以输出八个对瞬时功率作用不同的开关矢量，我们通过、和电流、电压与功率间的关系以及电源电压扇区来确定唯一的开关状态，而开关矢量表的建立是通过系统发出PWM脉冲控制开关器件导通与关断。所以对开关表进行优化，可以很大程度上提高系统性能。首先规定开关函数的组合函数为，空间矢量组合如图1.9所示。图1.9开关表空间矢量划分图PWM整流器系统的电压矢量方程如式（2.28）所示，忽略交流侧电阻电压，可得电流矢量方程为(1.23)将式（1.23）中的电流矢量在d-q轴上进行分解得(1.24)由瞬时功率定义可知，我们可以通过调节有功功率大小来控制电流幅值，调节无功功率大小来控制电流相位，从而实现对交流侧电流的控制。假设电源电压矢量为,所选开关矢量为。图1.10中在d轴的投影ab决定了有功功率增量的大小和方向，当投影在d轴正半轴时，有功功率增加，反之则减少；同理，在q轴的垂直分量决定了无功功率的大小和方向。本文所采用的空间矢量表如表1.5所示。图1.10开关矢量的影响表1.5空间矢量表电网电压矢量所在扇区SpSq12345678910111210V6V7V1V0V2V7V3V0V4V7V5V011V7V7V0V0V7V7V0V0V7V7V0V000V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5V5V601V1V2V2V3V3V4V4V5V5V6V6V1传统的直接功率控制采用滞环调节器，不需要进行坐标变换，通过查表选择合适的电压矢量，所以其控制结构简单，动态响应速度快。由于其开关频率不固定，系统采样频率要求高，所以不便于电力滤波器的设计。针对传统直接功率控制的不足，国内外研究者提出了无差拍预测直接功率控制、模型预测直接功率控制、滑模直接功率控制、虚拟磁链直接功率控制等先进的控制策略，并在逆变器、整流器中得到了广泛的应用。模型预测直接功率控制是将模型预测控制算法与直接功率控制进行优势互补。通过1.1的分析可知，传统的直接功率控制存在开关频率不固定，矢量选择存在不确定性和模糊性等弊端，从而导致输出的电流不稳定并且产生了功率脉动。所以我们加入模型预测控制来完善直接功率控制的不足。1.3模型预测控制的原理模型预测控制理论是上世纪70年代后期提出的一种新型计算机控制算法，其发展历程可以概括为以下三个阶段：第一阶段，基于非参数模型预测控制；第二阶段，基于参数模型预测控制；第三阶段，基于结构化参数预测控制。模型预测控制是一种基于模型的滚动时域控制。模型预测控制的原理为：在当前采样时刻k，根据当前控制系统的反馈信息，利用系统标称模型，假定一组控制序列，此时要在线求解一个有限时域的开环优化问题，并且将得到的最优控制序列的第一个元素作用于被控对象。同时，下一个采样时刻，测量出新的一组数据并且重复上述过程，再得到新的最优的控制序列，这样其预测时域和控制时域都向前滚动一步，这也是模型预测控制被称为滚动时域控制的原因。图1.11模型预测控制的基本原理图图1.11为模型预测控制的原理图，图中为被控系统的预测值，u为控制输入。在当前时刻k，以被控系统的预测模型为基础，我们可以得到系统从当前采样时刻k到k+p时刻的输出值。寻找最优的控制序列的目的是使预测输出y（k）和参考值r（t）之间的累积误差最小，从而使得系统输出具有良好稳态和瞬态响应性能。模型预测控制算法由三部分组成，即，模型预测、滚动优化、反馈校正REF_Ref32263\r\h[60]。相对于传统的控制方法，模型预测控制动态速度响应快，具有较强的鲁棒性，且控制算法简单等优点REF_Ref32263\r\h[60]。所以其在功率变换器领域应用较为广泛，图1.12为功率变换器模型预测控制的基本原理图。图1.12中，为功率变换器的输出量、为功率变换器的开关矢量，r（t）为功率变换器的输出量的参考值。图1.12功率变换器模型预测控制的原理图1.4改进模型预测直接功率控制算法图1.13三相PWM整流器MPDPC控制框图模型预测直接功率控制是根据三相PWM整流器的数学模型，建立的以功率误差为目标函数的离散功率预测模型，选择目标函数最小的交流电压矢量，解决了矢量选择不确定性和模糊性的缺点，之后采用SVPWM技术来保持开关频率的恒定，有功、无功功率存在稳态误差是不可避免的，但是通过模型预测控制的滚动优化和反馈校正，这个误差会不断地被优化，从而使输出效果更加理想。同样的，模型预测控制跟踪的电流本来就是不断变化的量，其控制过程本身就存在太多不确定性因素，而在MPDPC中，系统跟踪的是给定的有功、无功功率，提高了系统的稳定性。图1.13为三相PWM整流器模型预测直接功率控制框图，本文所设计的改进的MPDPC，相比较传统的MPDPC增加了占空比优化控制和控制延时补偿。下面列出MPDPC算法。1.算法推导采样周期与电压周期相比来说是很小的，并且其时间间隔也小，所以我们假设两个采样周期内电压的值是恒定的即：(1.25)整流器网侧复功率如式（1.26）所示：(1.26)在达到平衡的三相电网中对电网电流求导可得：(1.27)当三相电网平衡时有，此时电网电压变化量为：(1.28)将式(1.28)结合可得复功率的瞬时变化量为：(1.29)此时有功功率和无功功率的变化量为：(1.30)将式(1.30)离散化可得k+1时刻的功率预测值：(1.31)其中是采样周期。三相PWM整流器有8个不同的开关状态对应8个矢量，其中有6个非零矢量和2个零矢量，我们通过给定目标函数来选择最接近于给定值的电压矢量，如式（1.32）所示(1.32)式(1.32)中(1.33)其中和S(k+1)分别为给定视在功率参考值和估算值，通常我们为了达到单位功率因数一般将无功功率给定0，此时上式变为：(1.34)我们通过上式选出最优的矢量，此时选出的矢量长度和较多都是固定的，此时我们加入零矢量，使其长度可变，增加了灵活度，降低了功率脉动。零矢量基本对有功和无功功率的变化没有影响，所以我们一般将零矢量和被筛选出来的矢量一起作用，用于调节有功功率和无功功率REF_Ref32400\r\h[61]。2.优化占空比计算为了提高系统稳态性能，占空比d的计算和实施是一同进行的。图1.14是非零矢量和零矢量组合使用的有功功率在一个控制周期的波形图。为一个周期内非零矢量作用时间。假设，在k时刻有功功率达到给定值，在k+1时刻则有：(1.35)图1.14非零矢量和零矢量组合使用的有功功率的波形图此时经过优化的占空比被定义为。将上式代入此时的占空比可得：(1.36)分析式（1.36）可以发现，前一项项与有功功率设定值与实际值的差值成正比，后一项与有功功率由零矢量造成的斜率成正比。当我们消除了功率斜率计算对系统参数的依赖，零矢量只与后一项相关，上文我们提到过零矢量对无功功率的控制影响可以忽略不计，此时式中前一项就对应有功功率控制，后一项就可以用无功功率控制来替代。令，，此时占空比表示为：(1.37)其中：和均大于零，0＜d＜1。大量文献中的实验结果表明，式（1.38）为和提供了最合