为保证全直流风电系统安全并网运行,系统直流电压稳定控制至关重要。全直流风电系统直流电压稳定控制采用比例积分(PI)控制时,PI参数较多且整定繁琐复杂,在非正常运行工况下动态响应速度相对较慢,控制精度不够高。针对以上问题,文章提...为保证全直流风电系统安全并网运行,系统直流电压稳定控制至关重要。全直流风电系统直流电压稳定控制采用比例积分(PI)控制时,PI参数较多且整定繁琐复杂,在非正常运行工况下动态响应速度相对较慢,控制精度不够高。针对以上问题,文章提出一种基于有限控制集模型预测控制(Finite Control Set-Model Predictive Control,FCS-MPC)原理对系统换流器桥臂晶体管开关状态进行控制的系统直流电压稳定控制策略。该策略结合机侧整流器及并网逆变器的电流预测模型,以换流器输出电流为控制变量构造代价函数,以代价函数为优化目标,为避免计算时延导致的控制延时,引入延时补偿提高控制准确度,并引入权重系数实现多目标优化,通过遍历计算产生最优开关组合信号触发换流器。在Matlab/Simulink中建立全直流风电系统的仿真模型,在不同工况下,对所提策略与传统PI控制进行对比仿真分析,仿真结果有效验证了所提控制策略的静态性能及动态性能。展开更多
逆变电路传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁,为此,建立了三相逆变电路混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型。在此基础上,将其作为预测模型,提出了电路的有限控制集模型预测控制(finite control ...逆变电路传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁,为此,建立了三相逆变电路混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型。在此基础上,将其作为预测模型,提出了电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)策略。FCS-MPC充分考虑了电路的离散特性,选择有限控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路开关管的控制信号,从而控制电路的输出电压,无需任何调制器,可简化MPC的优化问题。此外,基于全维状态观测器设计了电路负载电流观测器,增强了控制器的鲁棒性。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。展开更多
针对有限控制集模型预测控制方法在多电平多相逆变器中预测模型和目标函数在线计算量大的不足,提出一种快速有限控制集模型预测控制方法。该方法根据参考矢量的空间位置,让远离参考矢量的电压矢量不参与预测模型在线计算和目标函数在线...针对有限控制集模型预测控制方法在多电平多相逆变器中预测模型和目标函数在线计算量大的不足,提出一种快速有限控制集模型预测控制方法。该方法根据参考矢量的空间位置,让远离参考矢量的电压矢量不参与预测模型在线计算和目标函数在线评估。对于三电平三相逆变器,快速有限控制集模型预测控制方法使参与计算的电压矢量由27个减少到12个,大大提高计算效率。最后,建立起5 k W二极管钳位型三电平三相逆变器实验平台。对于传统有限控制集模型预测控制和快速有限控制集模型预测控制进行对比稳态和动态实验。实验结果表明:所提出快速有限控制集模型预测控制方法使系统具有良好的静、动态性能。展开更多
针对海上风电场柔性直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)系统传统矢量控制中,PI参数难以整定、需要调制器以及难以实现多目标优化等问题,提出了一种基于有限控制集模型预测控制(finite control se...针对海上风电场柔性直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)系统传统矢量控制中,PI参数难以整定、需要调制器以及难以实现多目标优化等问题,提出了一种基于有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的新型海上风电VSC-HVDC并网控制策略。该方法结合并网逆变器的离散数学模型,通过电流误差构造价值函数,以价值函数为优化目标,预测并网逆变器未来时刻的开关状态;为避免计算时间延时并实现多目标优化,引入延时补偿和权重系数,产生最优开关组合触发并网逆变器。在Matlab/SIMULINK中建立风电并网系统的仿真模型,并采用FCS-MPC和传统PI控制两种方法实施并网控制,通过对风电场功率波动及电网发生故障等多种运行环境进行仿真,结果有效验证了所提出的FCSMPC方法应用于VSC-HVDC海上风电场并网系统对直流电压的控制能力和故障恢复能力。展开更多
有限控制集模型预测控制（finite control set model predictive control,FCS-MPC）提供了一种与众不同的能量处理方法,将功率变换器当做离散和非线性的执行器。它具有无须解耦运算和安装脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）调...有限控制集模型预测控制（finite control set model predictive control,FCS-MPC）提供了一种与众不同的能量处理方法,将功率变换器当做离散和非线性的执行器。它具有无须解耦运算和安装脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）调制器等优点,被广泛应用于电力电子变换器。传统FCS-MPC在延时补偿问题上采用拉格朗日外推法对未来参考值进行修正,但这种方法在出现阶跃变化时峰值较大。考虑到三相系统变量的矢量表示法后,能够根据一次采样时间的矢量角变化来估算未来参考值。因此,该文基于光伏并网逆变器,运用矢量角补偿法对FCS-MPC延时补偿后带来的未来参考值偏离进行修正,研究光伏光照强度变化时并网的动态控制效果,这个简单的补偿方法允许预测控制模型包含延时,并能够避免受控变量出现较大的纹波,同时该文在代价函数中加入了开关频率约束项,减少开关损耗,同时不会造成输出电流畸变。最后通过Matlab/Simulink仿真和实验,验证这种模型预测控制器在光照波动时并网运行过程中具有良好的控制性能,并论证此方法的可行性。展开更多
有限控制集模型预测控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)依靠被控逆变器所具有开关状态对控制目标滚动寻优计算。为减小多电平逆变器中滚动计算开关状态所需时间,该文对经典有限控制集模型预测电流控制进行改进...有限控制集模型预测控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)依靠被控逆变器所具有开关状态对控制目标滚动寻优计算。为减小多电平逆变器中滚动计算开关状态所需时间,该文对经典有限控制集模型预测电流控制进行改进。首先,利用控制系统的离散数学模型和参考电流求得被控逆变器在此参考电流下所应输出的参考电压值。此时,引进SVPWM中的分扇区计算概念,判断参考电压所处扇区,最后将该参考电压所处扇区内所包含的开关状态来循环寻优计算。最后Matlab/Simulink仿真平台搭建二极管钳位型五电平并网逆变器系统模型,通过仿真结果,得以验证改进算法的正确性和实用性。展开更多
变流器有限控制集模型预测控制(finite control setmodel predictive control,FCS-MPC)算法是一种变流器优化控制算法。该算法具有动态响应快、处理系统约束灵活且无需PWM调制器和相关参数设计等优点,但仅可确保所选开关函数组合在一个...变流器有限控制集模型预测控制(finite control setmodel predictive control,FCS-MPC)算法是一种变流器优化控制算法。该算法具有动态响应快、处理系统约束灵活且无需PWM调制器和相关参数设计等优点,但仅可确保所选开关函数组合在一个控制周期内的最优,这样将使得系统控制趋于保守,而影响系统控制性能。分析传统变流器FCS-MPC算法的保守性,提出一种在一个控制周期内同时考虑最优开关函数组合及次优开关函数组合,并确保在两个控制周期内所选开关函数组合最优的多步预测的FCS-MPC算法(finitecontrol set model predictive control with multi-step prediction,FCS-MPCMSP);进行采用该算法的两电平三相电压型逆变器在空载、带阻感性负载、带非线性负载及负载投入等工况下的仿真和实验。仿真及实验结果表明:采用该算法的三相电压型逆变器输出电压与给定电压的差值明显小于采用传统FCS-MPC算法的情况,改善了逆变器输出电压质量,从而验证了该算法的有效性及可行性。展开更多
针对传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁这一不足,建立了一种新型逆变电路更为精确的混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型,并将其作为预测模型,研究了航空新型电路的有限控制集模型预测控制(fini...针对传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁这一不足,建立了一种新型逆变电路更为精确的混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型,并将其作为预测模型,研究了航空新型电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)。FCS-MPC充分利用电路的离散特性,通过比较预测电压值和参考电压值的大小,将其差值作为衡量输入量的目标函数,最后选择电路控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路的控制输入,有效地解决了模型预测控制中混合整数二次规划(mixed integer quadratic programming,MIQP)问题的求解。仿真和实验验证了该控制方法具有良好动静态特性,证实了所提方法的有效性。展开更多
单相开路故障的五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)采用有限集模型预测转矩和磁链控制(finite-control-set model predictive torque and flux control,FCS-MPTFC)策略,存在转矩脉动大、价值函数的权重系数整...单相开路故障的五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)采用有限集模型预测转矩和磁链控制(finite-control-set model predictive torque and flux control,FCS-MPTFC)策略,存在转矩脉动大、价值函数的权重系数整定困难、迭代计算量大以及共模电压(commonmode voltage,CMV)高等问题。为此,该文提出一种简化FCS-MPTFC策略。首先,建立五相PMSM在单相开路故障情况下的数学模型,并分析CMV产生的机理。其次,以抑制3次谐波电流的原则合成等幅值虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3)),并将转矩和磁链价值函数等效转化为电压价值函数,同时采用无差拍控制思想计算出参考电压矢量,进而通过合理划分扇区,直接获得最优V^(3)。最后,选择方向相反的两个基电压矢量代替零矢量,以减小开路故障下的CMV。仿真和实验结果表明:所提控制策略不仅能抑制单相开路故障导致的转矩脉动、降低计算负荷和CMV、抑制电流谐波,而且具有优良的稳态和动态性能。展开更多
在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MP...在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。展开更多
三有源桥(triple active bridge,TAB)变换器可以灵活连接多个电压等级,在直流微网、混合储能等领域受到广泛关注.模型预测控制是提升TAB变换器动态性能、实现端口解耦的有效策略.然而,由于TAB变换器功率传输模型复杂,采用连续集模型预...三有源桥(triple active bridge,TAB)变换器可以灵活连接多个电压等级,在直流微网、混合储能等领域受到广泛关注.模型预测控制是提升TAB变换器动态性能、实现端口解耦的有效策略.然而,由于TAB变换器功率传输模型复杂,采用连续集模型预测控制,代价函数求解极其困难,工程应用价值低.本文结合有限集模型预测控制,首次提出了一种应用于TAB变换器的移相离散集模型预测控制方法.该方法在每个控制周期内通过对有限个离散化的移相角组合进行局部寻优,继而滑动寻优窗口,最终实现全局最优控制.该方法既保证了优异的动态性能、解耦性能,又避免了复杂的非线性方程组求解,极大增强了控制策略的实用性.同时,本文还分析了移相离散集模型预测控制中权重系数、离散增益、预测范围的优化配置.最后,通过实验验证了所提控制策略的有效性.展开更多
文摘为保证全直流风电系统安全并网运行,系统直流电压稳定控制至关重要。全直流风电系统直流电压稳定控制采用比例积分(PI)控制时,PI参数较多且整定繁琐复杂,在非正常运行工况下动态响应速度相对较慢,控制精度不够高。针对以上问题,文章提出一种基于有限控制集模型预测控制(Finite Control Set-Model Predictive Control,FCS-MPC)原理对系统换流器桥臂晶体管开关状态进行控制的系统直流电压稳定控制策略。该策略结合机侧整流器及并网逆变器的电流预测模型,以换流器输出电流为控制变量构造代价函数,以代价函数为优化目标,为避免计算时延导致的控制延时,引入延时补偿提高控制准确度,并引入权重系数实现多目标优化,通过遍历计算产生最优开关组合信号触发换流器。在Matlab/Simulink中建立全直流风电系统的仿真模型,在不同工况下,对所提策略与传统PI控制进行对比仿真分析,仿真结果有效验证了所提控制策略的静态性能及动态性能。
文摘逆变电路传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁,为此,建立了三相逆变电路混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型。在此基础上,将其作为预测模型,提出了电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)策略。FCS-MPC充分考虑了电路的离散特性,选择有限控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路开关管的控制信号,从而控制电路的输出电压,无需任何调制器,可简化MPC的优化问题。此外,基于全维状态观测器设计了电路负载电流观测器,增强了控制器的鲁棒性。仿真和实验结果验证了所提方法的有效性。
文摘针对有限控制集模型预测控制方法在多电平多相逆变器中预测模型和目标函数在线计算量大的不足,提出一种快速有限控制集模型预测控制方法。该方法根据参考矢量的空间位置,让远离参考矢量的电压矢量不参与预测模型在线计算和目标函数在线评估。对于三电平三相逆变器,快速有限控制集模型预测控制方法使参与计算的电压矢量由27个减少到12个,大大提高计算效率。最后,建立起5 k W二极管钳位型三电平三相逆变器实验平台。对于传统有限控制集模型预测控制和快速有限控制集模型预测控制进行对比稳态和动态实验。实验结果表明:所提出快速有限控制集模型预测控制方法使系统具有良好的静、动态性能。
文摘针对海上风电场柔性直流输电(voltage source converter high voltage direct current,VSC-HVDC)系统传统矢量控制中,PI参数难以整定、需要调制器以及难以实现多目标优化等问题,提出了一种基于有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)的新型海上风电VSC-HVDC并网控制策略。该方法结合并网逆变器的离散数学模型,通过电流误差构造价值函数,以价值函数为优化目标,预测并网逆变器未来时刻的开关状态;为避免计算时间延时并实现多目标优化,引入延时补偿和权重系数,产生最优开关组合触发并网逆变器。在Matlab/SIMULINK中建立风电并网系统的仿真模型,并采用FCS-MPC和传统PI控制两种方法实施并网控制,通过对风电场功率波动及电网发生故障等多种运行环境进行仿真,结果有效验证了所提出的FCSMPC方法应用于VSC-HVDC海上风电场并网系统对直流电压的控制能力和故障恢复能力。
文摘有限控制集模型预测控制（finite control set model predictive control,FCS-MPC）提供了一种与众不同的能量处理方法,将功率变换器当做离散和非线性的执行器。它具有无须解耦运算和安装脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）调制器等优点,被广泛应用于电力电子变换器。传统FCS-MPC在延时补偿问题上采用拉格朗日外推法对未来参考值进行修正,但这种方法在出现阶跃变化时峰值较大。考虑到三相系统变量的矢量表示法后,能够根据一次采样时间的矢量角变化来估算未来参考值。因此,该文基于光伏并网逆变器,运用矢量角补偿法对FCS-MPC延时补偿后带来的未来参考值偏离进行修正,研究光伏光照强度变化时并网的动态控制效果,这个简单的补偿方法允许预测控制模型包含延时,并能够避免受控变量出现较大的纹波,同时该文在代价函数中加入了开关频率约束项,减少开关损耗,同时不会造成输出电流畸变。最后通过Matlab/Simulink仿真和实验,验证这种模型预测控制器在光照波动时并网运行过程中具有良好的控制性能,并论证此方法的可行性。
文摘有限控制集模型预测控制(finite-control-set model predictive control,FCS-MPC)依靠被控逆变器所具有开关状态对控制目标滚动寻优计算。为减小多电平逆变器中滚动计算开关状态所需时间,该文对经典有限控制集模型预测电流控制进行改进。首先,利用控制系统的离散数学模型和参考电流求得被控逆变器在此参考电流下所应输出的参考电压值。此时,引进SVPWM中的分扇区计算概念,判断参考电压所处扇区,最后将该参考电压所处扇区内所包含的开关状态来循环寻优计算。最后Matlab/Simulink仿真平台搭建二极管钳位型五电平并网逆变器系统模型,通过仿真结果,得以验证改进算法的正确性和实用性。
文摘变流器有限控制集模型预测控制(finite control setmodel predictive control,FCS-MPC)算法是一种变流器优化控制算法。该算法具有动态响应快、处理系统约束灵活且无需PWM调制器和相关参数设计等优点,但仅可确保所选开关函数组合在一个控制周期内的最优,这样将使得系统控制趋于保守,而影响系统控制性能。分析传统变流器FCS-MPC算法的保守性,提出一种在一个控制周期内同时考虑最优开关函数组合及次优开关函数组合,并确保在两个控制周期内所选开关函数组合最优的多步预测的FCS-MPC算法(finitecontrol set model predictive control with multi-step prediction,FCS-MPCMSP);进行采用该算法的两电平三相电压型逆变器在空载、带阻感性负载、带非线性负载及负载投入等工况下的仿真和实验。仿真及实验结果表明:采用该算法的三相电压型逆变器输出电压与给定电压的差值明显小于采用传统FCS-MPC算法的情况,改善了逆变器输出电压质量,从而验证了该算法的有效性及可行性。
文摘针对传统开关函数模型只能描述电路的控制变迁而忽略了电路的条件变迁这一不足,建立了一种新型逆变电路更为精确的混合逻辑动态(mixed logical dynamical,MLD)模型,并将其作为预测模型,研究了航空新型电路的有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,FCS-MPC)。FCS-MPC充分利用电路的离散特性,通过比较预测电压值和参考电压值的大小,将其差值作为衡量输入量的目标函数,最后选择电路控制集中使目标函数值最小的开关状态作为电路的控制输入,有效地解决了模型预测控制中混合整数二次规划(mixed integer quadratic programming,MIQP)问题的求解。仿真和实验验证了该控制方法具有良好动静态特性,证实了所提方法的有效性。
文摘单相开路故障的五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)采用有限集模型预测转矩和磁链控制(finite-control-set model predictive torque and flux control,FCS-MPTFC)策略,存在转矩脉动大、价值函数的权重系数整定困难、迭代计算量大以及共模电压(commonmode voltage,CMV)高等问题。为此,该文提出一种简化FCS-MPTFC策略。首先,建立五相PMSM在单相开路故障情况下的数学模型,并分析CMV产生的机理。其次,以抑制3次谐波电流的原则合成等幅值虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3)),并将转矩和磁链价值函数等效转化为电压价值函数,同时采用无差拍控制思想计算出参考电压矢量,进而通过合理划分扇区,直接获得最优V^(3)。最后,选择方向相反的两个基电压矢量代替零矢量,以减小开路故障下的CMV。仿真和实验结果表明:所提控制策略不仅能抑制单相开路故障导致的转矩脉动、降低计算负荷和CMV、抑制电流谐波,而且具有优良的稳态和动态性能。
文摘在五相永磁同步电机(permanent-magnet synchronous motor,PMSM)中,有限集模型预测容错控制(finite control set model predictive fault tolerant control,FCS-MPFTC)存在计算量大、电流谐波含量高等问题。因此,该文提出一种简化FCS-MPFTC来实现相开路和短路故障情况下的统一容错控制。首先,将模型预测电流控制的电流代价函数等效转化为电压代价函数,并采用无差拍方法通过电流模型计算出参考电压。然后,基于抑制三次谐波电流为0的原则合成虚拟电压矢量(virtual voltage vector,V^(3));通过重构V^(3)和扇区,以直接获得参考电压矢量对应的最优电压矢量。最后,对传统和简化FCS-MPFTC在开路和短路故障下进行对比实验。结果表明,所提策略能够有效减小故障后计算量、转矩脉动以及电流谐波含量。
文摘三有源桥(triple active bridge,TAB)变换器可以灵活连接多个电压等级,在直流微网、混合储能等领域受到广泛关注.模型预测控制是提升TAB变换器动态性能、实现端口解耦的有效策略.然而,由于TAB变换器功率传输模型复杂,采用连续集模型预测控制,代价函数求解极其困难,工程应用价值低.本文结合有限集模型预测控制,首次提出了一种应用于TAB变换器的移相离散集模型预测控制方法.该方法在每个控制周期内通过对有限个离散化的移相角组合进行局部寻优,继而滑动寻优窗口,最终实现全局最优控制.该方法既保证了优异的动态性能、解耦性能,又避免了复杂的非线性方程组求解,极大增强了控制策略的实用性.同时,本文还分析了移相离散集模型预测控制中权重系数、离散增益、预测范围的优化配置.最后,通过实验验证了所提控制策略的有效性.
