一种基于共模电压满意决策的FCS‑MPC方法技术

一种基于共模电压满意决策的FCS‑MPC（FiniteControlSet Model Predictive Control，FCS‑MPC）方法，涉及多电平变换器控制领域。首先从降低开关损耗角度，规定每个控制周期内仅有一相、最多只有一个电平级数的变换，将预测计算量降低到最多7次，最少4次，并实现了单一控制周期最低开关损耗控制；其次，引入满意优化控制思想，通过共模电压幅值的满意优化决策代替传统的权值系数设计整定环节，简化了控制器设计；最后根据FCS‑MPC系统价值函数对所选有效电压矢量进行评价，选取最优电压矢量作用于下一控制周期。

A FCS MPC method decision-making based on common mode voltage

A common mode voltage FCS based on MPC decision-making (FiniteControlSet Model Predictive Control, FCS MPC) method, involving the control of multilevel converter. First, from the angle of reducing switching losses, provisions in each control cycle only one phase, only up to a level of series transform, will be predicted to reduce the amount of up to 7 times, at least 4 times, and realize the control of a single cycle minimum switch loss control; secondly, introducing satisfactory optimization control theory, through the common mode voltage amplitude satisfactory optimization decision weights instead of the traditional design and setting of links, simplifies the controller design; finally, according to the FCS MPC system value function to evaluate the selected effective voltage vector, selecting the optimal voltage vectors to the next control cycle.

【技术实现步骤摘要】
一种基于共模电压满意决策的FCS-MPC方法
本专利技术涉及多电平变换器预测控制
，具体是一种适用于逆变器输出共模电压抑制的有限集模型预测控制方法。技术背景采用电压源型逆变器的变频传动系统会在电机中性点与电源地之间产生共模电压，并导致高频共模电流的存在，诱发不必要的电磁干扰；同时随着逆变器电平数的增加，其共模电压(common-modevoltage,CMV)幅值随之增大，过高的共模电压还会威胁电机绝缘，形成对电机轴承的“电蚀”，缩短电机及轴承的使用寿命，因此在电机传动控制系统中有必要对共模电压加以抑制。传统的共模电压抑制研究主要集中在两个方向：一是从硬件上增加有源或者无源共模滤波器，但导致变频装置体积增大，成本增加，且不适用于高压大功率应用；二是从控制策略方向研究可降低共模电压的SVPWM调制策略，合理选择共模电压幅值为零或者较小的矢量。采用SVPWM调制的软件方法抑制共模电压取得了很好的效果，但该方法不具备很好的通用性，需根据逆变器拓扑结构单独设计，且随电压等级增加，传统SVPWM调制环节越加复杂、难于实现。有限集模型预测控制技术具有优化性能函数形式、内容不固定，易于处理非线性约束及实现多目标优化控制，可在优化性能函数中设计共模电压抑制约束条件，以实现逆变器输出共模电压抑制。该方法概念清晰、易于理解，但存在权值系数设计、整定困难问题，且随逆变器电压级数的增加，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。从国内外电力电子技术的研究现状来看，因FCS-MPC固有的多约束条件、多目标任务处理能力，在不同拓扑电力电子变换器的高性能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多电平变换器拓扑，可实现共模电压最大幅值控制，且无需相应的共模电压抑制权值系数整定问题，又可有效降低预测计算量的FCS-MPC方法。
技术实现思路
为解决基于FCS-MPC策略的电力电子多电平逆变器的输出共模电压抑制问题，本专利技术提出了一种基于共模电压满意决策的FCS-MPC方法，在满足共模电压最大幅值精确控制的前提下，有效降低了预测计算量，并实现了无权值系数控制器设计。针对多电平逆变器面临的电压跳变限制、降低开关损耗、电流控制、共模电压抑制等多目标优化控制问题，首先从降低开关损耗角度，规定每个控制周期内仅有一相、最多只有一个电平级数的变换，将预测计算量降低到最多7次，最少4次，并实现了单一控制周期最低开关损耗控制；其次，引入满意优化控制思想，通过共模电压幅值的满意优化决策代替传统的权值系数设计整定环节，简化了控制器设计。本专利技术是以如下技术方案实现的：1)检测tk时刻实际值，施加上周期预测FCS-MPC所选最优电压矢量s(k)，第一周期的最优开关矢量为零矢量；2)延时补偿，预测s(k)作用下tk+1时刻的电流值ip(tk+1)；3)基于单周期最小开关损耗的电压矢量优化选择，式②，式③其最大可选矢量数为：2*N+1，N为逆变器桥臂数量，上周期选择最优电压矢量为s(k)＝(sa(k)sb(k)sc(k))，则电压矢量为下列情况的其中一种：该方法适用于任何拓扑结构，仅需满足：4)基于满意决策的逆变器输出共模电压幅值范围控制，式④，设共模电压抑制的满意度函数为：5)对有效电压矢量进行FCS-MPC价值函数评价，传统的FCS-MPC系统一般采用权值法构建价值函数，如式①所示：式中，λsw、λcmv为权重因子，为tk+1时刻逆变器不同电压矢量对应的αβ坐标系下的预测电流值，gsw为电压跳变限制和降低开关损耗两个优化性能指标；gcmv为共模电压，采用绝对值形式；根据公式④，则式①可简化为基于共模电压满意优化的价值函数，式⑤：6)选取最优电压矢量用于下周期逆变器控制；7)下一控制周期重复上述过程。传统FCS-MPC控制器设计及不足多电平逆变器通用的优化性能指标包括：电流跟随控制、dv/dt跳变限制、降低开关损耗、共模电压抑制，传统的FCS-MPC系统一般采用权值法构建价值函数，如式①所示；但该方法存在明显缺点，难以配置单一的权值系数以满足设计者期望的不同控制效果，且各目标的控制效果与权值系数的选取关系紧密，从而导致权值系数设计整定困难；随多电平变换器电压等级的升高，FCS-MPC预测计算量呈指数增长，如采用传统遍历法进行预测计算，2L-VSI需8次预测计算，3L-VSI需27次预测计算，5L-VSI需125次预测计算。基于单周期最小开关损耗的电压矢量优化选择从降低开关损耗角度，规定每个控制周期内仅有一相、最多只有一个电平级数的变换，即每个控制周期内最多只有两个开关器件动作。该电压矢量优化设计方法可实现单一控制周期内开关损耗最小，且避免出现电压跳变。假设其最大可选矢量数为：2*N+1，N为逆变器桥臂数量，上周期选择最优电压矢量为s(k)＝(sa(k)sb(k)sc(k))，则可能的电压矢量为：该方法适用于任何拓扑结构，仅需满足：因此对于2L-VSI仅需4次预测计算，而对于三电平以上的多电平拓扑只需最多7次、最少4次的预测计算。共模电压满意决策随着多电平变换器电压等级的升级，逆变器输出共模电压的幅值随之增大，为控制产生共模电压的幅值范围，引入满意优化控制思想，通过共模电压幅值的满意优化代替传统的权值系数整定，设共模电压抑制的满意度函数为：其中E为直流侧单个电容电压幅值。根据逆变器拓扑结构的不同及系统对输出共模电压幅值要求的不同，可灵活设置共模电压抑制的满意度函数④。以五电平逆变器(5L-VSI)为例，其输出的共模电压幅值共有7个等级：2E、5E/3、4E/3、E、2E/3、E/3、0，则其共模电压抑制的满意度函数阀值可灵活设置为5E/3、4E/3、E、2E/3、E/3；满意度函数阀值设置为输出共模电压的最大幅值时，相当于不对共模电压进行抑制，满意度函数阀值设置为输出共模电压的最小幅值时，会导致多电平逆变器输出不平衡，所以公式④中的阀值不能设置为多电平逆变器输出共模电压幅值的最大值和最小值。则式①可简化为基于共模电压满意优化的价值函数：以上即为基于共模电压满意决策的FCS-MPC方法的基本原理，通过共模电压满意决策并结合基于最小开关损耗的电压矢量优化选择，不仅实现了共模电压输出幅值范围的精确控制，而且大大降低了预测计算量、实现了单一控制周期最低开关损耗控制，同时该方法无权值系数整定环节，简化了传统FCS-MPC算法的控制器设计，算法概念清晰、易于实现，其算法流程如图1所示。本专利技术的有益效果是：(1)实现了单个控制周期内的最小开关损耗控制，降低了系统开关频率；(2)实现了逆变器输出共模电压幅值范围的准确控制；(3)避免了电压跳变限制、降低开关损耗、共模电压抑制三个优化性能指标的权值系数整定问题，简化了FCS-MPC控制器设计；(4)预测计算量小，对于任意三相多电平变换器拓扑，最多7次预测计算，最少4次预测计算；(5)通用性好，不受电力电子变换器拓扑结构的限制，算法简单易于实现；附图说明图1是新型FCS-MPC低开关频率控制方法原理示意图。具体实施方式：1)检测tk时刻实际值，施加上周期预测FCS-MPC所选最优电压矢量s(k)，第一周期的最优开关矢量为零矢量；2)延时补偿，预测s(k)作用下tk+1时刻的电流值i本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于共模电压满意决策的FCS‑MPC方法，其特征在于：包括下列步骤：1)检测t

【技术特征摘要】
1.一种基于共模电压满意决策的FCS-MPC方法，其特征在于：包括下列步骤：1)检测tk时刻实际值，施加上周期预测FCS-MPC所选最优电压矢量s(k)，第一周期的最优开关矢量为零矢量；2)延时补偿，预测s(k)作用下tk+1时刻的电流值ip(tk+1)；3)基于单周期最小开关损耗的电压矢量优化选择，式②，其最大可选矢量数为：2*N+1，N为逆变器桥臂数量，上周期选择最优电压矢量为s(k)＝(sa(k)sb(k)sc(k))，则电压矢量为下列情况的其中一种：4)基于满意决策的逆变器输出共模电压幅值范围控制，式④，设共模电压抑制的满意度函数为：5)对有效电压矢量进行FCS-MPC价值函数评价，传统的FCS-MPC系统一般采用权值法构建价值函数，如式①所示：

【专利技术属性】
技术研发人员：王贵峰，禹晓梅，夏正龙，朱呈祥，胡福年，邹宽胜，吴玮，闫俊荣，李春杰，李洪美，金鑫，尚睿，赵强，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32