一种新型FCS‑MPC低开关频率控制方法与流程

本发明涉及电力电子变换器控制技术领域，具体是一种适用于fcs-mpc控制系统的低开关频率控制方法。

背景技术：

电力电子变换器特别是大功率多电平变频装置，其开关器件的开关损耗随着其电压等级的升高及功率等级的增大，已经成为变频装置最主要的功率损耗部分，而大功率变频装置的低开关频率运行，不仅可有效降其自身的功率损耗，还有助于增大装置的输出功率并提高其输出电流能力。因此，大功率多电平电力电子变换器的研制及其在节能降耗中的推广应用，首先要解决低开关频率控制问题。

在基于fcs-mpc(有限集模型预测控制，finite_control_setmodelpredictivecontrol)的电力电子变换器控制系统中，由于fcs-mpc策略优化性能函数形式、内容不固定，易于处理非线性约束及实现多目标控制，可通过在优化性能函数中添加开关损耗约束的方式以实现变换器的低开关频率控制。该方法概念清晰、易于理解，但存在权值系数难以整定问题，且仅能实现未来一个控制周期内的低开关频率控制。若要实现未来多个控制周期内的低开关频率控制，目前已有方法是采用多步预测控制方式，但多步预测方法将使预测运算量呈指数增加，导致控制器运算负担过重，难以实现。

从国内外关于低开关频率的研究现状分析来看，基于fcs-mpc的方案因其固有的多约束条件、多目标任务处理能力，在不同拓扑结构变换器低开关频率控制方面都展现出了极强的适应性及控制潜能，但至今还没有一个适用于所有电力电子变换器拓扑、无权重因子整定问题，且不影响fcs-mpc控制系统运算量的低开关频率控制方法，

技术实现要素：

为解决基于fcs-mpc策略的电力电子变换器的低开关频率控制问题，本发明提出了一种新型的fcs-mpc低开关频率控制方法。该方法基于fcs-mpc基本原理，通过扩展预测时域长度的方法，直接将预测模型中的时域长度由一个控制周期扩展为两个控制周期，使所选最优开关矢量能够满足未来两个控制周期内的系统控制要求，从而避免了相邻两个周期间不必要的开关切换，实现了电力电子变换器的低开关频率控制。因该新型低开关频率控制策略所选最优开关矢量仍仅作用于下一个控制周期，第二个控制周期的最优开关矢量仍需根据下一控制周期系统状态重新预测，从而保证了系统的动态性能不受影响。

本发明是以如下技术方案实现的：

(1)检测tk时刻电流实际值；

(2)施加新型fcs-mpc低开关频率控制方法上周期预测的最优开关矢量s(k)，即控制器上一循环周期在步骤(6)选择的最优开关矢量，第一周期的最优开关矢量从零矢量开始；

(3)延时补偿，预测s(k)作用下tk+1时刻的电流值i^p(tk+1)

式中

(4)基于预测时域扩展的电流预测i^p(tk+3)

(5)为体现该新型低开关频率控制方法的通用性，大功率多电平逆变器的优化性能指标只考虑电流跟随性和共模电压抑制，并采用权重因子线性加权的方法构建优化性能函数如，式中，λcmv为权重因子；gcmv为共模电压，采用绝对值形式；

(6)根据(5)，对大功率多电平逆变器的所有开关矢量进行优化性能函数评价，选取使tk+3时刻优化性能函数min(g)最小的开关矢量作为最优开关矢量s(k+1)，在tk+1时刻作用于变换器；

(7)tk+1时刻重复上述过程。

在全调制度范围内，该新型低开关频率控制方法都具有非常理想的低开关频率控制效果，可控制在125--400hz。

当预测时域长度为ts时，tk时刻所选最优开关矢量为s2，tk+1时刻所选最优开关矢量为s3；当预测时域长度为2ts时，tk时刻所选开关矢量为s3，tk+1时刻所选开关矢量仍为s3，虽然此时tk时刻所选开关矢量并非[(k+1)ts,(k+2)ts]控制周期内的最优开关矢量，但对于未来两个控制周期[(k+1)ts,(k+3)ts]均能满足控制要求，且避免了[(k+1)ts,(k+2)ts]控制周期与[(k+2)ts,(k+3)ts]控制周期间不必要的开关切换，从而可有效降低开关频率。因tk时刻采用该基于预测时域扩展的新型低开关频率控制策略所选最优开关矢量仍仅作用于[(k+1)ts,(k+2)ts]控制周期，[(k+2)ts,(k+3)ts]控制周期的最优开关矢量仍需根据tk+1时刻系统状态重新预测，从而保证了系统的动态性能不受影响。

本发明的有益效果是：

(1)有效避免了相邻控制周期间不必要的开关切换，降低了系统开关频率；

(2)不受电力电子变换器拓扑结构及预测模型限制；

(3)无相关权重因子整定问题，算法概念清晰，易于实现；

(4)不增加控制系统运算负担；

(5)不影响控制系统动态性能。

附图说明

图1是预测时域长度ts原理示意图

图2是预测时域长度2ts原理示意图

图3是施加该新型fcs-mpc低开关频率控制方法谐波失真对比图

图4是施加该新型fcs-mpc低开关频率控制方法频率对比图

具体实施方式

下面结合附图，以传统权重因子法大功率多电平逆变器fcs-mpc系统对本发明作进一步说明，该新型fcs-mpc低开关频率控制方法的具体实施步骤如下：

1)检测tk时刻电流实际值；

2)施加新型fcs-mpc低开关频率控制方法上周期预测的最优开关矢量s(k)，即控制器上一循环周期在步骤6)选择的最优开关矢量(第一周期的最优开关矢量从零矢量开始)；

3)延时补偿，预测s(k)作用下tk+1时刻的电流值i^p(tk+1)，①；

式中

4)基于预测时域扩展的新型低开关频率电流预测i^p(tk+3)，②；

5)为体现该新型低开关频率控制方法的通用性，大功率多电平逆变器的优化性能指标只考虑电流跟随性和共模电压抑制，并采用权重因子线性加权的方法构建优化性能函数如式③，式中，λcmv为权重因子；gcmv为共模电压，采用绝对值形式；

6)根据式③，对大功率多电平逆变器的所有开关矢量进行优化性能函数评价，选取使tk+3时刻优化性能函数min(g)最小的开关矢量作为最优开关矢量s(k+1)，在tk+1时刻作用于变换器；

7)tk+1时刻重复上述过程。

传统fcs-mpc方法其预测模型如式①所示，仅能完成未来一个控制周期的电流预测；该新型fcs-mpc低开关频率控制方法其预测模型如式②所示，可完成未来两个周期的电流预测。因此，施加该新型fcs-mpc低开关频率控制方法后可有效避免相邻控制周期间不必要的开关切换，降低系统开关频率，且该方法不受电力电子变换器拓扑结构及预测模型限制、无相关权重因子整定问题，算法概念清晰，易于实现、不增加控制系统运算负担、不影响控制系统动态性能。图3、4所示为该新型fcs-mpc低开关控制方法与传统fcs-mpc方法的控制效果比较图。图中曲线1为传统fcs-mpc方法，曲线2为本发明所提新型fcs-mpc方法，表明在全调制度范围内，该新型低开关频率控制方法都具有非常理想的低开关频率控制效果，可控制在125--400hz，仅谐波畸变率略有升高，但变化不大，特别是在电流调制度为0.81时低开关频率降控制效果最明显，降幅可达48％。