帶LC濾波器的電壓源逆變器無(wú)電流傳感器有限集模型預(yù)測(cè)控制

1 摘要

針對(duì)帶LC濾波器的電壓源逆變器(VSIs)，傳統(tǒng)的有限集模型預(yù)測(cè)控制(FS-MPC)方案不僅需要測(cè)量電容電壓和電感電流，還需要測(cè)量或估計(jì)負(fù)載電流，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。為了減少傳統(tǒng)FS-MPC中傳感器的數(shù)量，本文針對(duì)帶LC濾波器的VSIs，提出了一種新型的無(wú)電流傳感器的FS-MPC方案。首先，根據(jù)預(yù)測(cè)矩陣之間的內(nèi)在關(guān)系，以電容電壓和電容電流為狀態(tài)變量，對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了精確簡(jiǎn)化，使其適合于無(wú)電流傳感器控制。

然后，為了消除電流傳感器以降低成本和提高可靠性，重構(gòu)了動(dòng)態(tài)模型，設(shè)計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)的電容電流估計(jì)器，其性能可與典型FS-MPC方案媲美。考慮到數(shù)字實(shí)現(xiàn)過(guò)程中不可避免的控制延遲，利用所提出的估計(jì)器獲得延遲補(bǔ)償。此外，所提出的控制方案對(duì)各種代價(jià)函數(shù)具有靈活性，并能降低計(jì)算量。通過(guò)與傳統(tǒng)FS-MPC的對(duì)比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了所提控制方案在負(fù)荷變化和模型不匹配情況下的可行性。

2 主要工作和貢獻(xiàn)

1、提出了一種用于帶LC濾波器的VSIs的無(wú)電流傳感器FS-MPC方案。通過(guò)合并預(yù)測(cè)矩陣，精確地簡(jiǎn)化了預(yù)測(cè)模型。將傳統(tǒng)FS-MPC的預(yù)測(cè)變量轉(zhuǎn)換為電容電壓及其電流。

2、提出了一種易于實(shí)現(xiàn)的全階電容電流估計(jì)器，以完全消除電流傳感器，此觀測(cè)器還實(shí)現(xiàn)了固有控制時(shí)滯補(bǔ)償。

3、與傳統(tǒng)FS-MPC方案在負(fù)荷變化和模型不匹配情況下的預(yù)測(cè)和控制性能進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了所提控制方案的正確性。

3 方法流程

3.1 傳統(tǒng)的有限集模型預(yù)測(cè)控制

圖1：基于帶LC濾波器VSI的傳統(tǒng)的FS-MPC方案

根據(jù)傳統(tǒng)FS-MPC的控制框圖，可以得到如下連續(xù)和離散公式：

為了彌補(bǔ)固有的控制延時(shí)，進(jìn)行二階預(yù)測(cè)：

設(shè)置簡(jiǎn)單的代價(jià)函數(shù)（CF）：

其中*代表參考值，通過(guò)列舉候選的電壓矢量來(lái)選擇能使CF最小化的最優(yōu)電壓矢量(即最優(yōu)開關(guān)狀態(tài))，并將其應(yīng)用于逆變器。

3.2 全階電容電流估計(jì)器

為了設(shè)計(jì)電容電流估計(jì)器，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行重塑，由于采樣時(shí)間比負(fù)載變化小得多，默認(rèn)

可以得到如下連續(xù)和離散公式：

綜合考慮所提方法的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，選擇參數(shù)k1和k2：

3.3無(wú)電流傳感器FS-MPC方法

將上述兩種部分內(nèi)容結(jié)合起來(lái)得到無(wú)電流傳感器FS-MPC方法，具體的控制框圖如圖所示：

圖2：所提的基于帶LC濾波器VSI的無(wú)電流傳感器FS-MPC方案

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1靜態(tài)試驗(yàn)

圖3：額定線性負(fù)載下穩(wěn)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)比較

（a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖4：非線性負(fù)載下穩(wěn)態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)比較

（a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖5：FFT分析的實(shí)驗(yàn)比較

（a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖3和圖4分別給出了傳統(tǒng)FS-MPC和所提方案在線性負(fù)載和非線性負(fù)載下穩(wěn)態(tài)電壓跟蹤性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。展示了相位電壓基準(zhǔn)?fa、電壓反饋vfa、負(fù)載電流ioa和電壓跟蹤誤差vfe。可以觀察到，兩種方法的性能沒有顯著差異。由于系統(tǒng)噪聲的影響，所提出的控制方案只比典型的FS-MPC控制方案具有略大的電壓跟蹤誤差。對(duì)應(yīng)的快速傅里葉變換FFT分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明兩種控制方案在線性和非線性負(fù)載下的THD偏差均小于0.2%，表明所提控制方案具有與典型FS-MPC相媲美的穩(wěn)態(tài)性能。

4.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

圖6：標(biāo)稱線性負(fù)載階躍下瞬態(tài)性能的實(shí)驗(yàn)比較 （a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖6描述了采用傳統(tǒng)FS-MPC和所提控制方案的線性負(fù)載步長(zhǎng)(開路到標(biāo)稱負(fù)載)瞬態(tài)響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。展示了相位電壓基準(zhǔn)?fa、電壓反饋vfa、負(fù)載電流ioa和電壓跟蹤誤差vf e?？梢杂^察到，兩種方法由負(fù)載步長(zhǎng)引起的電壓波動(dòng)相似，因此對(duì)負(fù)載步長(zhǎng)變化具有相似的魯棒性。

上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制方案的正確性。

5 方法評(píng)估

本文提出了一種用于帶LC濾波器的VSIs的無(wú)電流傳感器FS-MPC方案。首先根據(jù)預(yù)測(cè)矩陣之間的內(nèi)在關(guān)系對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使其適合于無(wú)電流傳感器控制。為了消除傳統(tǒng)FS-MPC方案中的電流傳感器，利用重構(gòu)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型設(shè)計(jì)了一種易于實(shí)現(xiàn)的電容電流估計(jì)器，其性能與傳統(tǒng)FS-MPC方案相當(dāng)。為了克服數(shù)字控制時(shí)延帶來(lái)的性能下降，該估計(jì)器直接用于實(shí)現(xiàn)固有時(shí)延補(bǔ)償。此外，該控制方案具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。在模型不匹配和負(fù)載變化情況下的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該控制方案的有效性，證明了該控制方案可以替代傳統(tǒng)的FS-MPC控制方案用于帶LC濾波器的VSIs。

6 閱讀心得

本文提出了用于帶LC濾波器的VSIs的無(wú)電流傳感器FS-MPC方案，與傳統(tǒng)的FS-MPC方案相比，此方法減少了電流傳感器的使用，降低了系統(tǒng)成本，提高可靠性，并且獲得了與傳統(tǒng)FS-MPC近似的結(jié)果。此方法在多電平逆變器下同樣適用。