一种无权重因子的多电平逆变器FCS-MPC控制方法技术

一种无权重因子多电平逆变器FCS‑MPC控制方法，多电平逆变器FCS‑MPC是一个典型的多目标最优化问题，为实现兼顾电压跳变限制、降低开关损耗、共模电压抑制、电流跟随控制的多电平逆变器无权重因子FCS‑MPC控制，本发明专利技术采用分层优化方法，通过对多电平逆变器优化性能指标的三层优化设计：第一层，基于电压跳变限制，选择上周期确定的最优开关矢量的相邻开关矢量；第二层，基于满意优化的共模电压抑制，在保证电流跟随性能优化不受影响情况下剔除第一层所选矢量中共模电压较大的冗余矢量；第三层，电流跟随性最优化控制，输出具有最优电流跟随性的开关矢量，并在下一控制周期作用于逆变器，该方法解决了权重因子整定问题，并可将预测运算量降低到4‑7次。

Fcs-mpc control method of multilevel inverter without multiple factors

【技术实现步骤摘要】
一种无权重因子的多电平逆变器FCS-MPC控制方法
本专利技术涉及多电平逆变器控制
，具体是一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法。
技术介绍
自然资源日益匮乏，逆变器在节能减排上有着重要作用，传统的两电平逆变器已经无法满足生产实践需要，而多电平逆变器由于器件应力小、谐波含量少、等效开关频率低等优点被广泛关注和研究。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，已成为多电平逆变器控制的主要研究方向。多电平逆变器FCS-MPC是一个典型的多目标最优化问题，传统的权重因子法FCS-MPC存在权重因子整定设计困难问题，很难通过一组权重因子满足不同优化性能指标的要求，且无通用、有效的权重因子整定方法，目前多采用实验试凑的方法。因此，本专利技术提出一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法。
技术实现思路
专利技术目的：为解决多电平逆变器FCS-MPC多目标优化控制中存在的权重因子整定困难问题，实现兼顾电压跳变限制、降低开关损耗、共模电压抑制、电流跟随控制的多电平逆变器无权重因子FCS-MPC控制。本专利技术提出了一种无权重因子多电平逆变器的控制方法。采用分层优化方法将多电平逆变器的性能指标分为三层，以解决多电平逆变器中权重因子整定困难的问题，并降低预测运算量。第一层，在满足电压跳变限制的前提下，根据上周期确定的最优开关矢量进行相邻开关矢量选择。由于开关矢量自身的冗余矢量在电流跟随控制上效果相同，但三相均有一对开关动作导致开关损耗过大，所以在矢量选择时排除上周期最优矢量的冗余矢量，这样可大大缩减优化矢量的选择范围，以五电平逆变器为例，可将优化矢量范围由125个缩小到5-13个；第二层，在共模电压抑制环节引入满意优化策略。由于冗余矢量的电流控制效果相同而共模电压抑制作用不同，为保证多电平逆变器电流跟随控制这一核心控制指标，并降低系统输出共模电压，利用“共模电压满意抑制”代替“共模电压最优抑制”，在剔除上一步所选矢量中共模电压较大的冗余矢量的同时为电流跟随性控制提供更多的选择，同时可进一步将矢量选择范围缩减到4-7个；第三层，进行电流跟随最优控制。选择具有最优电流跟随性的开关矢量作为最终优化开关矢量输出，并在下一控制周期作用于逆变器。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，该方法包括如下步骤：(1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值，将上周期的最优开关矢量作用于逆变器，获取下周期可能的优化开关矢量，并预测根据预测型预估出tk+1时刻的电流值；(1.1)对tk时刻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-αβ坐标系，iα(tk)为α坐标轴实际值，iβ(tk)为β坐标轴实际值；并将上周期所选最优开关矢量S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用于逆变器，下标a,b,c指逆变器三相桥臂；(1.2)延时补偿，不同拓扑结构和负载的多电平逆变器对应着不同的预测模型，根据系统预测模型，预测S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用下tk+1时刻的电流值上标p指模型预测值，为tk+1时刻α坐标轴预测电流值，为tk+1时刻β坐标轴预测电流值；(2)在满足电压跳变限制的前提下，根据上周期确定的最优开关矢量进行相邻开关矢量选择，排除下周期可能的优化开关矢量的冗余矢量实施第一层电压跳变限制优化。多电平逆变器上周期选择最优开关矢量为S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))，则下周期可能的优化开关矢量S(tk+1)＝(Sa(tk+1),Sb(tk+1),Sc(tk+1))，除满足逆变器拓扑决定的取值范围外，还还必须满足的约束条件为：(4)实施第二层共模电压抑制满意优化。由于多电平逆变器同一位置下的多个冗余矢量虽然电流跟随性控制性能一致，但对应的共模电压幅值不同，且共模电压幅值最小的矢量有且仅有一个。因此，可根据多电平逆变器拓扑所决定的共模电压幅值范围，及剔除第3)步所选矢量中共模电压较大的冗余矢量，并为电流跟随性控制提供更多的选择的要求，确定共模电压的满意优化区间。记所有可能的共模电压优化开关矢量为S(tk+1)i＝(Sa(tk+1)i,Sb(tk+1)i,Sc(tk+1)i),1≤i≤n，分别计算共模电压：以五电平逆变器为例，共模电压满意区间可设置为其中，E为逆变器直流侧一个电容电压的幅值。(5)实施第三层电流跟随性最优控制。根据系统预测模型，分别预测第4)步所确定的可选优化矢量作用下tk+2时刻的电流值根据电流跟随评价函数，如式(2)，选取具有最优电流跟随性的开关矢量作为系统的最优开关矢量，即输出电流跟随误差最小的开关矢量，作用于下一控制周期。式中，上标*为给定参考值，为α-β坐标系给定电流参考值，为tk+2时刻α坐标轴预测电流值，为tk+2时刻β坐标轴预测电流值。(6)下一控制周期重复上述过程。有益效果：与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下优点：(1)按照电压跳变限制、共模电压抑制满意优化、电流跟随最优化控制由高到低的三层优化体系设计，实现了多电平逆变器的无权重因子FCS-MPC控制。(2)降低了预测运算量，对于不同多电平逆变器拓扑，预测寻优运算量可缩减到4-7次。附图说明图1基于第一层电压跳变限制优化的可选开关矢量分布图；图2一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法流程图；图3一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制效果图。具体实施方式下面结合附图，以五电平逆变器带阻感负载时的无权重因子FCS-MPC控制对本专利技术作进一步说明，该专利技术的具体实施步骤如：1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值[iα(tk),iβ(tk)]，iα(tk)为α坐标轴实际值，iβ(tk)为β坐标轴实际，并将上周期所选最优开关矢量S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用于逆变器；2)控制延时补偿。由于本周期预测的最优矢量只能作用于下一控制周期，而本周期施加作用的是上周的最优矢量，因此必须对电流实际值进行一个控制周期的预测补偿。即根据预测模型预测S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用下tk+1时刻的预测电流值：对于实施例所述五电平逆变器带阻感负载的FCS-MPC系统，其预测模型为：式中，R、L为负载的电阻、电感，E为直流侧电压的一半，Ts为系统的采样周期，I为单元矩阵。3)实施第一层电压跳变限制优化。假设多电平逆变器上周期选择最优开关矢量为S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))，根据下周期可能的优化开关矢量S(tk+1)＝(Sa(tk本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：/n(1)对t

【技术特征摘要】
1.一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(1)对tk时刻电流进行采样获取电流实际值，将上周期的最优开关矢量作用于逆变器，获取下周期可能的优化开关矢量，并预测根据预测型预估出tk+1时刻的电流值；
(2)在满足电压跳变限制的前提下，根据上周期确定的最优开关矢量进行相邻开关矢量选择，排除下周期可能的优化开关矢量的冗余矢量；
(3)根据步骤(2)确定的最优开关矢量计算共模电压幅值，将所计算的共模电压幅值与设置共模电压幅值条件比较，如果符合条件，则保留最优开关矢量；否则，剔除最优开关矢量；
(4)选择具有最优电流跟随性的开关矢量作为最终优化开关矢量输出，并在下一控制周期作用于逆变器；
(5)下一控制周期重复上述过程。


2.根据权利要求1所述的一种无权重因子多电平逆变器FCS-MPC控制方法，其特征在于，步骤(1)的方法具体如下：
(1.1)对tk时刻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-αβ坐标系，iα(tk)为α坐标轴实际值，iβ(tk)为β坐标轴实际值；并将上周期所选最优开关矢量S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用于逆变器，下标a,b,c指逆变器三相桥臂；
(1.2)延时补偿，根据系统预测模型，预测S(tk)＝(Sa(tk),Sb(tk),Sc(tk))作用下tk+1时刻的电流值上标p指模型预测值，为tk+1时刻α坐标轴预测电流值，为tk+1时刻β坐标轴预测电流值。


3.根据权利要求1所述的一种无...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，王贵峰，刘战，李飞，李春杰，夏正龙，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32