一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS-MPC控制方法技术

本发明专利技术提出一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS

【技术实现步骤摘要】
一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法


[0001]本专利技术涉及三电平四桥臂有源电力滤波器控制
，具体是一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法。

技术介绍

[0002]科技的飞速发展，电力电子设备及非线性负载广泛应用于电力系统中，谐波污染问题日益严重。谐波治理和三相电流不平衡是低压配电网三相四线制系统中常见的两类问题，三电平四桥臂有源电力滤波器(Active Power Filters,APF)是一种可以综合解决以上两种电能质量问题的重要措施。有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,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APF控制的主要研究方向。
[0003]传统FCS
‑
MPC直接应用于三电平四桥臂APF存在运算量大这一问题，且目前针对降低运算量方面的相关研究较少。因此，本专利技术提出一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：为解决三电平四桥臂APF的FCS
‑
MPC控制中存在的运算量大问题，实现兼顾冗余矢量电流跟随性能等效原则、电压跳变限制原则的三电平四桥臂APF的低运算量FCS
‑
MPC控制。本专利技术提出了一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法。
[0005]采用分层优化的思想将三电平四桥臂APF的备选电压空间矢量按γ坐标轴高度分为13个平面，以两两相邻平面构建备选电压矢量集合。根据无差拍控制思想，将谐波参考电流代入系统电流预测模型转化为等效的电压预测模型，得到等效的参考电压矢量，根据参考电压矢量的γ分量实际位置，一次获取备选电压矢量相对应的备选开关序列集合，依据冗余矢量电流跟随性能等效原则与电压跳变限制原则对备选开关序列集合进行二次筛选，筛选出最终参与预测的备选电压矢量的开关序列集合；根据电压跟随代价函数，选取代价函数最小值对应的一组开关矢量作为系统的最优开关矢量，并在下一周期作用于有源电力滤波器，该方法极大地降低了预测运算量，可将运算量从81次降低到4
‑
18次。
[0006]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：一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法，该方法包括如下步骤：
[0007](1)对t
k
时刻有源电力滤波器输出电流、谐波参考电流和电网电压进行采样，将上周期所选最优开关矢量作用于有源电力滤波器，进行控制延时补偿，根据预测模型计算出t
k+1
时刻的有源电力滤波器输出电流。
[0008](2)对t
k
时刻谐波参考电流进行延时补偿，得到t
k+1
时刻谐波参考电流。
[0009](3)根据无差拍控制思想，将步骤(1)计算得到的t
k+1
时刻的有源电力滤波器输出
电流和步骤(2)得到的谐波参考电流通过预测模型转化为等效参考电压。
[0010](4)根据步骤(3)中获取的t
k+1
时刻等效参考电压矢量γ坐标轴参考值结合三电平四桥臂有源电力滤波器电压矢量空间分布，依据空间分层思想对三电平四桥臂有源电力滤波器的81个预测电压矢量进行一次选取。
[0011](5)根据步骤(4)获取的备选电压矢量集合，结合冗余矢量电流跟随性能等效原则与电压跳变限制原则对备选电压矢量集合进行二次筛选。
[0012](6)在步骤(5)最终确定参与预测的电压矢量集合，根据代价函数选取具有最优电压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有源电力滤波器。
[0013](7)下一控制周期重复上述过程。
[0014]进一步的，步骤(1)的方法具体如下：
[0015](1.1)对t
k
时刻有源电力滤波器输出电流[i
α
(t
k
),i
β
(t
k
),i
γ
(t
k
)]、谐波参考电流和电网电压[e
α
(t
k
),e
β
(t
k
),e
γ
(t
k
)]进行采样，下标α、β、γ指三相静止坐标系，i
α
(t
k
),i
β
(t
k
),i
γ
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电流在αβγ坐标系下实际值，为t
k
时刻谐波参考电流在αβγ坐标系下实际值，e
α
(t
k
),e
β
(t
k
),e
γ
(t
k
)为t
k
时刻电网电压在αβγ坐标系下实际值；将上周期所选最优开关矢量S(t
k
)＝(S
A
(t
k
),S
B
(t
k
),S
C
(t
k
),S
N
(t
k
))作用于有源电力滤波器，下标A,B,C,N指有源电力滤波器四相桥臂，S
A
(t
k
),S
B
(t
k
),S
C
(t
k
),S
N
(t
k
)分别为t
k
时刻有源电力滤波器A相、B相、C相、N相桥臂作用的开关状态；
[0016](1.2)进行控制延时补偿，根据预测模型计算出t
k+1
时刻的有源电力滤波器输出电流值为t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流α坐标轴实际值，为t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流β坐标轴实际值，为t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流γ坐标轴实际值。
[0017]三电平四桥臂有源电力滤波器的电流预测模型为：
[0018][0019]v
α
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电压矢量α坐标轴实际值，v
β
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电压矢量β坐标轴实际值，v
γ
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)对t
k
时刻有源电力滤波器输出电流、谐波参考电流和电网电压进行采样，将上周期所选最优开关矢量作用于有源电力滤波器，进行控制延时补偿，根据预测模型计算出t
k+1
时刻的有源电力滤波器输出电流；(2)对t
k
时刻谐波参考电流进行延时补偿，得到t
k+1
时刻谐波参考电流；(3)根据无差拍控制思想，将步骤(1)计算得到的t
k+1
时刻的有源电力滤波器输出电流和步骤(2)得到的谐波参考电流通过预测模型转化为等效参考电压；(4)根据(3)中获取的t
k+1
时刻等效参考电压矢量γ坐标轴参考值结合三电平四桥臂有源电力滤波器电压矢量空间分布，依据空间分层思想对三电平四桥臂有源电力滤波器的81个预测电压矢量进行一次选取；(5)根据步骤(4)获取的备选电压矢量集合，结合冗余矢量电流跟随性能等效原则与电压跳变限制原则对备选电压矢量集合进行二次筛选；(6)在步骤(5)最终确定参与预测的电压矢量集合，根据代价函数选取具有最优电压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有源电力滤波器；(7)下一控制周期重复上述过程。2.根据权利要求1所述的一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法，其特征在于，步骤(1)的方法具体如下：(1.1)对t
k
时刻有源电力滤波器输出电流[i
α
(t
k
),i
β
(t
k
),i
γ
(t
k
)]、谐波参考电流和电网电压[e
α
(t
k
),e
β
(t
k
),e
γ
(t
k
)]进行采样，下标α、β、γ指三相静止坐标系，i
α
(t
k
),i
β
(t
k
),i
γ
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电流在αβγ坐标系下实际值，为t
k
时刻谐波参考电流在αβγ坐标系下实际值，e
α
(t
k
),e
β
(t
k
),e
γ
(t
k
)为t
k
时刻电网电压在αβγ坐标系下实际值；将上周期所选最优开关矢量S(t
k
)＝(S
A
(t
k
),S
B
(t
k
),S
C
(t
k
),S
N
(t
k
))作用于有源电力滤波器，下标A,B,C,N指有源电力滤波器四相桥臂，S
A
(t
k
),S
B
(t
k
),S
C
(t
k
),S
N
(t
k
)分别为t
k
时刻有源电力滤波器A相、B相、C相、N相桥臂作用的开关状态；(1.2)进行控制延时补偿，根据三电平四桥臂有源电力滤波器的电流预测模型计算出t
k+1
时刻的有源电力滤波器输出电流值时刻的有源电力滤波器输出电流值为t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流α坐标轴实际值，为t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流β坐标轴实际值，为t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流γ坐标轴实际值；三电平四桥臂有源电力滤波器的电流预测模型为：其中，v
α
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电压矢量α坐标轴实际值，v
β
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电压矢量β坐标轴实际值，v
γ
(t
k
)为t
k
时刻有源电力滤波器输出电压矢量
γ坐标轴实际值，t
k
时刻有源电力滤波器输出电压矢量v
α
(t
k
)、v
β
(t
k
)、v
γ
(t
k
)与t
k
时刻作用开关矢量S(t
k
)＝(S
A
(t
k
),S
B
(t
k
),S
C
(t
k
),S
N
(t
k
))的关系如下：其中，L为有源电力滤波器滤波电感，R为滤波电感等效电阻，Ts为系统的控制周期，U
dc
为三电平四桥臂有源电力滤波器直流侧单个电容电压。3.根据权利要求2所述的一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法，其特征在于，步骤(2)的方法具体如下：根据谐波参考电流的当前值和过去值，采用拉格朗日外推法，进行谐波参考电流未来值的估算，即谐波参考电流的延时补偿：其中，为t
k
时刻采样的谐波参考电流在αβγ坐标系下的实际值，为t
k
‑1时刻采样的谐波参考电流在αβγ坐标系下的实际值，为t
k
‑2时刻采样的谐波参考电流在αβγ坐标系下的实际值，为t
k+1
时刻谐波参考电流在αβγ坐标系下的参考值。4.根据权利要求3所述的一种低运算量的三电平四桥臂有源电力滤波器FCS
‑
MPC控制方法，其特征在于，步骤(3)的方法具体如下：根据无差拍控制思想，将步骤(2)得到的t
k+1
时刻谐波参考电流和步骤(1)通过控制延时补偿得到的t
k+1
时刻有源电力滤波器输出电流值代入预测模型等效转化得到t

【专利技术属性】
技术研发人员：郭金星，王贵峰，武泽文，高煦杰，吴玮，李沛儒，祝莘莘，马一鸣，王生壮，黄英豪，曹传攻，
申请(专利权)人：江苏科路电气有限公司，
类型：发明
国别省市：