单相LC滤波逆变器的有限集滑模预测控制方法和系统

本申请涉及逆变器控制，尤其涉及一种单相lc滤波逆变器的有限集滑模预测控制方法和系统。

背景技术：

1、分布式电力发生系统(distributed power generation systems,dpgs)通常通过电压源逆变器(voltage source inverters,vsi)与公用电网和孤立负载相接。作为一种灵活的接口，vsi被期望在系统处于孤岛模式时为本地负荷提供高质量的不间断电源。通常在连接负荷之前，它需要一个低通滤波器。虽然带有lcl滤波器的vsis可以实现更好的谐波衰减和低电流纹波，但由于谐振，也会出现不稳定性问题。相比之下，带有lc滤波器的变流器可以同时保持良好的电能质量和稳定的运行，所以这种滤波器在孤岛模式电力分配中是更好的选择。

2、到目前为止，业界已经提出了许多控制方法来对vsi实施安全高效的控制，它们主要分为两大类，线性控制策略和非线性控制策略。考虑到电力电子开关器件的非线性特性，事实证明，与线性控制器相比，非线性控制器在vsis应用中更为强大，特别是在系统连接非线性负载时。滑模控制(sliding mode control,smc)是一种常用的非线性控制方案之一。它之所以受关注，是因为其快速的动态响应、高稳定性和强大的鲁棒性特征。smc的核心思想是通过切换系统结构，强制系统状态沿着预定义的滑模面运动。尽管具有前述优势，smc在实际应用中存在着由系统结构切换引起的抖振问题。模型预测控制(module predictivecontrol,mpc)是另一种非线性控制方法，以其处理和优化多目标问题的能力而闻名。mpc控制器的性能受代价函数的设计影响较大，这意味着相应的参数必须得到良好调整。目前，有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,fcs-mpc)是较为常用的模型预测控制策略，其思想在于首先建立系统的离散数学模型，随后根据控制指令和约束条件在一个控制周期内计算有限切换状态下的代价函数，然后通过在线寻优确定下一时刻应用于逆变器的最优切换状态。fcs-mpc可以充分考虑系统的非线性特性，处理具有多个离散状态的复杂系统以及实现多目标优化，而fcs-mpc的实现需要高效的优化方法和计算能力。

3、因此，smc在实际应用中存在由系统结构切换引起的抖振问题。mpc控制器的性能受制于代价函数的设计，参数必须得到良好调整，否则很难取得较好的控制效果、另外，mpc的实现需要高效的优化方法和计算能力。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请的目的在于提出一种单相lc滤波逆变器的有限集滑模预测控制方法和系统，本申请能够针对性的解决现有的问题。本发明提出了一种用于单相电压源逆变器(vsis)在孤岛模式下工作的有限控制集预测滑模控制(finite control setpredictive sliding mode control,fcs-psmc)。所提出的控制方法实现简单，能够适用于不同工作条件，在缓解了系统抖振的同时，确保了对滤波器谐振的抑制。

2、基于上述目的，本申请提出了一种单相lc滤波逆变器的有限集滑模预测控制方法，包括：

3、将单相lc滤波逆变器的电压参数、电流参数及九个虚拟矢量输入有限集预测模型，得到电压预测结果和电流预测结果；

4、将所述电压预测结果、电流预测结果、单相lc滤波逆变器的输出电压的参考值及其导数代入预设滑模函数，输出九个滑模预测结果；

5、求所述九个滑模预测结果中的最小值，将该最小值用于所述单相lc滤波逆变器的pwm调制中。

6、进一步地，所述单相lc滤波逆变器为heric拓扑结构，包括：

7、依次连接的直流源、电容、heric逆变器、lc滤波器；

8、所述直流源连接到电容以稳定直流侧电压，heric逆变器的输出端与lc滤波器相连接，该lc滤波器进一步与负载相连。

9、进一步地，对于逆变器的交流侧，动态模型通过应用基尔霍夫电压定律和基尔霍夫电流定律得到，具体表达式见式：

10、

11、其中cf,lf是滤波电感感值和滤波电容容值，vo是所述lc滤波器的输出电压，vinv是逆变器的桥臂电压，il是电感电流，io是输出电流。

12、进一步地，在离散化所述动态模型之前，首先创建虚拟电压矢量，通过将占空比分成四等份，获取九个虚拟矢量；

13、所述动态模型通过欧拉前向离散化转换为：

14、

15、其中，ts是控制周期，vdc为直流源的电压，则有限集预测模型写成：

16、

17、其中u表示虚拟矢量。

18、进一步地，选择lc滤波器的输出电压的误差及其导数作为滑模函数的状态变量，经过离散化后表示为：

19、

20、其中，x1、x2是状态变量，vref和其导数分别是lc滤波器的输出电压的参考值及其导数。

21、进一步地，所述滑模函数定义为：

22、sk+1＝λx1,k+1+x2,k+1

23、其中，λ＞0是滑模函数的滑模系数，通过极点配置法推导得到。

24、进一步地，通过以下代价函数来控制所述滑模函数的值为零：

25、g＝|sk+1+γ|

26、其中，γ是由于实际实现的约束条件而导致的偏移值。

27、基于上述目的，本申请还提出了一种单相lc滤波逆变器的有限集滑模预测控制系统，包括：

28、有限集预测模块，用于将单相lc滤波逆变器的电压参数、电流参数及九个虚拟矢量输入有限集预测模型，得到电压预测结果和电流预测结果；

29、滑模函数模块，用于将所述电压预测结果、电流预测结果、单相lc滤波逆变器的输出电压的参考值及其导数代入预设滑模函数，输出九个滑模预测结果；

30、pwm控制模块，用于求所述九个滑模预测结果中的最小值，将该最小值用于所述单相lc滤波逆变器的pwm调制中。

31、总的来说，本申请的优势及给用户带来的体验在于：本发明将滑模控制与模型预测控制两种控制策略相结合，综合了两种方法的优点，并一定程度上弥补了彼此的缺点，具有以下优点：1、提出的控制方法实现简单，计算负担小，容易在嵌入式控制器上实现；2、将滑模函数嵌入代价函数，通过优化算法实现系统的滑模运动，可以有效缓解抖振问题；3、代价函数设计简单，只有一个参数需要调节且调节简单；4、优化算法使得系统相较于传统滑模控制对复杂工况具备了良好的适应能力；5、能够有效抑制输出侧滤波器的谐振问题。

技术特征：

1.一种单相lc滤波逆变器的有限集滑模预测控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，进一步包括：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，进一步包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，进一步包括：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，进一步包括：

8.一种单相lc滤波逆变器的有限集滑模预测控制系统，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器运行所述计算机程序以实现如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。

技术总结
本申请提供一种单相LC滤波逆变器的有限集滑模预测控制方法和系统。方法包括：将单相LC滤波逆变器的电压参数、电流参数及九个虚拟矢量输入有限集预测模型，得到电压预测结果和电流预测结果；将所述电压预测结果、电流预测结果、单相LC滤波逆变器的输出电压的参考值及其导数代入预设滑模函数，输出九个滑模预测结果；求所述九个滑模预测结果中的最小值，将该最小值用于所述单相LC滤波逆变器的PWM调制中。本申请优点如下：容易在嵌入式控制器上实现；将滑模函数嵌入代价函数，通过优化算法实现系统的滑模运动，可以有效缓解抖振问题；代价函数只有一个参数需要调节；相较于传统滑模控制对复杂工况具备了良好的适应能力；有效抑制输出侧滤波器的谐振问题。

技术研发人员：杨勇,金永泰,龚铭祺,樊明迪,肖扬,陈蓉
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17