一种两段式有限集模型预测控制方法与流程
本发明属于两电平逆变器控制技术领域，具体涉及一种两段式有限集模型预测控制方法。
背景技术：
有限控制集模型预测控制(finitecontrolsetmodelpredictivecontrol，fcs-mpc)技术具有建模直观，控制简单，可实现多目标优化控制，且无pwm调制器及pi参数调节等优点，已成为逆变器控制策略的主要研究方向。传统单矢量fcs-mpc方法基于电流跟踪误差最小原则选取最优开关矢量，选取的最优开关矢量在下一控制周期开始时刻作用于逆变器，并作用一个完整的周期，故传统的单矢量模型预测控制多存在谐波畸变率偏高、电流纹波较大等缺点。因此，本发明提出一种两段式有限集模型预测控制方法。
技术实现要素：
发明目的：为解决传统单矢量fcs-mpc作用于两电平逆变器时存在谐波畸变率偏高，电流纹波较大等问题，本发明提出了一种两段式有限集模型预测控制方法。
本发明所提出的两段式有限集模型预测控制方法，其核心在于提出两段式有限集模型预测控制每个控制周期两个开关矢量确定方法，及对应的作用时间计算方法：(1)将k-1周期选定的第二个开关矢量作为k+1周期的第一个开关矢量，从而保证在一个采样周期内最多只有一次开关切换，从而降低两段式有限集模型预测控制的开关损耗，在提高电流控制性能前提下，保证开关损耗与传统单矢量方法基本相当。(2)第二开关矢量在逆变器所有有效矢量中选取，根据开关矢量作用时间与作用误差成反比原则，分别计算第一开关矢量与所有有效开关矢量不同组合时对应的作用时间；然后根据不同开关组合对应的作用时间，分别进行两段式电流输出预测，并选取使得评价函数值最小的开关组合，即电流跟随性最好的一组开关组合作为系统的最终输出，从而确定第二个开关矢量的选取，以及两个矢量分别对应的作用时间。
技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种两段式有限集模型预测控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)对tk时刻逆变器输出电流进行采样，获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，下标α、β指两相静止坐标系α-β坐标系，iα(tk)为α坐标轴k周期起始时刻实际值，iβ(tk)为β坐标轴k周期起始时刻实际值，将k-1周期所选的两个开关矢量在k周期作用于逆变器，第一个矢量作用t1(k)时间，第二个矢量作用t2(k)时间，进行控制延时补偿，根据预测模型计算补偿后tk+1时刻预测电流值；
(2)将k周期作用于逆变器的第二个开关矢量s2(k)选定为k+1周期的第一个开关矢量s1(k+1)，并计算该矢量作用整个控制周期ts逆变器输出电流误差值；
(3)对两电平所有有效矢量进行全周期ts的预测运算，根据评价函数求取作用误差，并根据作用时间与作用误差成反比原则求取第一个开关矢量与逆变器所有有效矢量进行组合时分别的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，t1(i)为k+1周期第一个开关矢量与逆变器所有有效矢量进行组合时第一个开关矢量作用时间，t2(i)为k+1周期第一个开关矢量与逆变器所有有效矢量进行组合时每个有效矢量对应的作用时间；
(4)根据步骤(3)所求不同开关组合对应的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，首先对k+1周期第一个开关矢量进行预测运算，使第一个开关矢量作用t1(i)时间，得到作用结束时刻输出电流预测值；其次，以k+1周期第一个开关矢量作用t1(i)结束时刻预测电流值为起始值，按照步骤(3)中第一个矢量与逆变器有效矢量不同组合，使逆变器有效矢量作用t2(i)时间，计算得到k+1周期结束时刻的输出电流预测值，实现两段式模型预测控制，根据评价函数求取输出电流误差值，选取电流跟随性最好，即误差值最小的一组开关组合作为k+1周期要作用的两个开关矢量，该组合中的有效矢量即为k+1周期的第二个开关矢量s2(k+1)，输出k+1周期第二个开关矢量以及开关组合中两个开关矢量分别对应的作用时间；
(5)下一控制周期重复上述过程。
进一步的，步骤(1)的方法具体如下：
(1.1)对tk时刻逆变器输出电流进行采样，获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，下标α、β指两相静止坐标系α-β坐标系，iα(tk)为α坐标轴k周期起始时刻实际值，iβ(tk)为β坐标轴k周期起始时刻实际值；将k-1周期所选的两个开关矢量作用于逆变器，第一个矢量作用t1(k)时间，第二个矢量作用t2(k)时间，其中s1(k)＝(s1a(k),s1b(k),s1c(k))，s2(k)＝(s2a(k),s2b(k),s2c(k))，k表示第k周期，下标1表示k周期第一个开关矢量，下标2表示k周期第二个开关矢量，下标a，b，c指逆变器三相桥臂，s1a(k)，s1b(k)，s1c(k)分别为k周期a相，b相，c相第一个开关矢量，s2a(k)，s2b(k)，s2c(k)分别为k周期a相，b相，c相第二个开关矢量；
(1.2)延时补偿，根据两电平逆变器系统预测模型，施加k周期第一个开关矢量s1(k)作用于逆变器，计算该矢量作用t1(k)时间后电流预测值i1(t1)，其中，i1(t1)＝[i1α(t1),i1β(t1)]；
(1.3)施加第二个开关矢量s2(k)，并以i1(t1)作为第二个开关矢量输出电流预测计算的实际值，得到s2(k)作用t2(k)时间后的tk+1时刻电流预测值
所述两电平逆变器带阻感负载的fcs-mpc系统，第一个开关矢量输出电流计算预测模型：
第二个开关矢量输出电流计算预测模型：
式中，
进一步的，步骤(2)的方法具体如下：将k周期作用的第二个开关矢量s2(k)＝(s2a(k),s2b(k),s2c(k))作为k+1周期第一个开关矢量s1(k+1)＝(s1a(k+1),s1b(k+1),s1c(k+1))，并计算该矢量作用整个控制周期ts后逆变器输出电流i0以及输出电流误差值g0，其中i0＝[i0α,i0β]；
输出电流预测模型：
式中，
输出电流误差计算：
式中，上标*为给定参考值，
进一步的，步骤(3)的方法具体如下：
(4.1)对两电平所有有效矢量进行全周期ts的预测运算，根据评价函数，计算逆变器所有有效开关矢量的作用误差值gi，i＝1,2.....8，评价函数如下：
式中，上标*为给定参考值，
(4.2)根据作用时间与作用误差成反比的原则，计算第一个开关矢量与有效矢量不同组合对应的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，计算公式如下：
式中，ts为控制周期，g0为每个控制周期第一个开关矢量作用时电流误差值，gi为两电平逆变器有效矢量作用误差值，t1(i),t2(i)分别为两个矢量作用时间。
进一步的，步骤(4)的方法具体如下：
(5.1)根据步骤(3)所求不同开关组合以及组合中两个矢量分别对应的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，首先对预测周期第一个开关矢量进行预测运算，使第一个开关矢量作用t1(i)时间，得到作用结束时刻输出电流预测值i1(t1(i))，其中i1(t1(i))＝[i1α(t1(i)),i1β(t1(i))]；
第一个开关矢量输出电流计算预测模型：
式中，
(5.2)以预测周期第一个开关矢量作用t1(i)结束时刻预测电流值i1(t1(i))为起始值，按照步骤(3)中不同组合施加第二个开关矢量并作用t2(i)时间，计算k+1周期的输出电流预测值，实现两段式模型预测控制；
第二个开关矢量输出电流计算预测模型：
式中，
(5.3)计算输出电流误差值，误差计算公式：
式中，上标*为给定参考值，
根据式(9)选取电流跟随性最好即误差值最小的一组开关组合，作为k+1周期要作用的两个开关矢量，该组合中的有效矢量即为k+1周期的第二个开关矢量s2(k+1)，输出k+1周期第二个开关矢量以及开关组合中两个开关矢量分别对应的作用时间。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
(1)实现了一个控制周期作用两个开关矢量但最多只有一次开关切换，从而降低了两段式有限集模型预测控制的开关损耗。
(2)提高了电流跟随性，降低了两电平逆变器输出电流谐波畸变率，减小了输出电流纹波。
附图说明
图1.一种两段式有限集模型预测控制方法流程图；
图2.一种两段式有限集模型预测控制方法原理图；
图3.一种两段式有限集模型预测控制方法效果图。
具体实施方式
下面结合附图，以两电平逆变器带阻感负载时的两段式fcs-mpc控制对本发明作进一步说明，该发明的具体实施步骤如：
一种两段式有限集模型预测控制方法，该方法包括如下步骤：
(1)对tk时刻逆变器输出电流进行采样，获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，下标α、β指两相静止坐标系α-β坐标系，iα(tk)为α坐标轴k周期起始时刻实际值，iβ(tk)为β坐标轴k周期起始时刻实际值，将k-1周期所选的两个开关矢量在k周期作用于逆变器，第一个矢量作用t1(k)时间，第二个矢量作用t2(k)时间，进行控制延时补偿，根据预测模型计算补偿后tk+1时刻预测电流值；
(2)将k周期作用于逆变器的第二个开关矢量s2(k)选定为k+1周期的第一个开关矢量s1(k+1)，并计算该矢量作用整个控制周期ts逆变器输出电流误差值；
(3)对两电平所有有效矢量进行全周期ts的预测运算，根据评价函数求取作用误差，并根据作用时间与作用误差成反比原则求取第一个开关矢量与逆变器所有有效矢量进行组合时分别的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，t1(i)为k+1周期第一个开关矢量与逆变器所有有效矢量进行组合时第一个开关矢量作用时间，t2(i)为k+1周期第一个开关矢量与逆变器所有有效矢量进行组合时每个有效矢量对应的作用时间；
(4)根据步骤(3)所求不同开关组合对应的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，首先对k+1周期第一个开关矢量进行预测运算，使第一个开关矢量作用t1(i)时间，得到作用结束时刻输出电流预测值；其次，以k+1周期第一个开关矢量作用t1(i)结束时刻预测电流值为起始值，按照步骤(3)中第一个矢量与逆变器有效矢量不同组合，使逆变器有效矢量作用t2(i)时间，计算得到k+1周期结束时刻的输出电流预测值，实现两段式模型预测控制，根据评价函数求取输出电流误差值，选取电流跟随性最好，即误差值最小的一组开关组合作为k+1周期要作用的两个开关矢量，该组合中的有效矢量即为k+1周期的第二个开关矢量s2(k+1)，输出k+1周期第二个开关矢量以及开关组合中两个开关矢量分别对应的作用时间；
(5)下一控制周期重复上述过程。
进一步的，步骤(1)的方法具体如下：
(1.1)对tk时刻逆变器输出电流进行采样，获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，下标α、β指两相静止坐标系α-β坐标系，iα(tk)为α坐标轴k周期起始时刻实际值，iβ(tk)为β坐标轴k周期起始时刻实际值；将k-1周期所选的两个开关矢量作用于逆变器，第一个矢量作用t1(k)时间，第二个矢量作用t2(k)时间，其中s1(k)＝(s1a(k),s1b(k),s1c(k))，s2(k)＝(s2a(k),s2b(k),s2c(k))，k表示第k周期，下标1表示k周期第一个开关矢量，下标2表示k周期第二个开关矢量，下标a，b，c指逆变器三相桥臂，s1a(k)，s1b(k)，s1c(k)分别为k周期a相，b相，c相第一个开关矢量，s2a(k)，s2b(k)，s2c(k)分别为k周期a相，b相，c相第二个开关矢量；
(1.2)延时补偿，根据两电平逆变器系统预测模型，施加k周期第一个开关矢量s1(k)作用于逆变器，计算该矢量作用t1(k)时间后电流预测值i1(t1)，其中，i1(t1)＝[i1α(t1),i1β(t1)]；
(1.3)施加第二个开关矢量s2(k)，并以i1(t1)作为第二个开关矢量输出电流预测计算的实际值，得到s2(k)作用t2(k)时间后的tk+1时刻电流预测值
所述两电平逆变器带阻感负载的fcs-mpc系统，第一个开关矢量输出电流计算预测模型：
第二个开关矢量输出电流计算预测模型：
式中，
进一步的，步骤(2)的方法具体如下：将k周期作用的第二个开关矢量s2(k)＝(s2a(k),s2b(k),s2c(k))作为k+1周期第一个开关矢量s1(k+1)＝(s1a(k+1),s1b(k+1),s1c(k+1))，并计算该矢量作用整个控制周期ts后逆变器输出电流i0以及输出电流误差值g0，其中i0＝[i0α,i0β]；
输出电流预测模型：
式中，
输出电流误差计算：
式中，上标*为给定参考值，
进一步的，步骤(3)的方法具体如下：
(4.1)对两电平所有有效矢量进行全周期ts的预测运算，根据评价函数，计算逆变器所有有效开关矢量的作用误差值gi，i＝1,2.....8，评价函数如下：
式中，上标*为给定参考值，
(4.2)根据作用时间与作用误差成反比的原则，计算第一个开关矢量与有效矢量不同组合对应的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，计算公式如下：
式中，ts为控制周期，g0为每个控制周期第一个开关矢量作用时电流误差值，gi为两电平逆变器有效矢量作用误差值，t1(i),t2(i)分别为两个矢量作用时间。
进一步的，步骤(4)的方法具体如下：
(5.1)根据步骤(3)所求不同开关组合以及组合中两个矢量分别对应的作用时间t1(i),t2(i),i＝1,2.....8，首先对预测周期第一个开关矢量进行预测运算，使第一个开关矢量作用t1(i)时间，得到作用结束时刻输出电流预测值i1(t1(i))，其中i1(t1(i))＝[i1α(t1(i)),i1β(t1(i))]；
第一个开关矢量输出电流计算预测模型：
式中，
(5.2)以预测周期第一个开关矢量作用t1(i)结束时刻预测电流值i1(t1(i))为起始值，按照步骤(3)中不同组合施加第二个开关矢量并作用t2(i)时间，计算k+1周期的输出电流预测值，实现两段式模型预测控制；
第二个开关矢量输出电流计算预测模型：
式中，
(5.3)计算输出电流误差值，误差计算公式：
式中，上标*为给定参考值，
根据式(9)选取电流跟随性最好即误差值最小的一组开关组合，作为k+1周期要作用的两个开关矢量，该组合中的有效矢量即为k+1周期的第二个开关矢量s2(k+1)，输出k+1周期第二个开关矢量以及开关组合中两个开关矢量分别对应的作用时间。
图1两段式fcs-mpc控制方法流程图。图2位一种两段式fcs-mpc原理示意图。图3为两段式有限集模型预测控制在两电平逆变器中的应用效果，(a)为两电平逆变器输出电流波形；(b)为两电平逆变器输出电压波形；(c)为输出电流波形谐波分析，由图可以知道，两段式有限集模型预测控制能够有效地降低谐波畸变率。
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