本發(fā)明涉及電力電子變換器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種適用于fcs-mpc控制系統(tǒng)的低開(kāi)關(guān)頻率控制方法。

背景技術(shù)：

電力電子變換器特別是大功率多電平變頻裝置，其開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗隨著其電壓等級(jí)的升高及功率等級(jí)的增大，已經(jīng)成為變頻裝置最主要的功率損耗部分，而大功率變頻裝置的低開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，不僅可有效降其自身的功率損耗，還有助于增大裝置的輸出功率并提高其輸出電流能力。因此，大功率多電平電力電子變換器的研制及其在節(jié)能降耗中的推廣應(yīng)用，首先要解決低開(kāi)關(guān)頻率控制問(wèn)題。

在基于fcs-mpc(有限集模型預(yù)測(cè)控制，finite_control_setmodelpredictivecontrol)的電力電子變換器控制系統(tǒng)中，由于fcs-mpc策略優(yōu)化性能函數(shù)形式、內(nèi)容不固定，易于處理非線性約束及實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制，可通過(guò)在優(yōu)化性能函數(shù)中添加開(kāi)關(guān)損耗約束的方式以實(shí)現(xiàn)變換器的低開(kāi)關(guān)頻率控制。該方法概念清晰、易于理解，但存在權(quán)值系數(shù)難以整定問(wèn)題，且僅能實(shí)現(xiàn)未來(lái)一個(gè)控制周期內(nèi)的低開(kāi)關(guān)頻率控制。若要實(shí)現(xiàn)未來(lái)多個(gè)控制周期內(nèi)的低開(kāi)關(guān)頻率控制，目前已有方法是采用多步預(yù)測(cè)控制方式，但多步預(yù)測(cè)方法將使預(yù)測(cè)運(yùn)算量呈指數(shù)增加，導(dǎo)致控制器運(yùn)算負(fù)擔(dān)過(guò)重，難以實(shí)現(xiàn)。

從國(guó)內(nèi)外關(guān)于低開(kāi)關(guān)頻率的研究現(xiàn)狀分析來(lái)看，基于fcs-mpc的方案因其固有的多約束條件、多目標(biāo)任務(wù)處理能力，在不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器低開(kāi)關(guān)頻率控制方面都展現(xiàn)出了極強(qiáng)的適應(yīng)性及控制潛能，但至今還沒(méi)有一個(gè)適用于所有電力電子變換器拓?fù)?、無(wú)權(quán)重因子整定問(wèn)題，且不影響fcs-mpc控制系統(tǒng)運(yùn)算量的低開(kāi)關(guān)頻率控制方法，

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決基于fcs-mpc策略的電力電子變換器的低開(kāi)關(guān)頻率控制問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種新型的fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法。該方法基于fcs-mpc基本原理，通過(guò)擴(kuò)展預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度的方法，直接將預(yù)測(cè)模型中的時(shí)域長(zhǎng)度由一個(gè)控制周期擴(kuò)展為兩個(gè)控制周期，使所選最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量能夠滿足未來(lái)兩個(gè)控制周期內(nèi)的系統(tǒng)控制要求，從而避免了相鄰兩個(gè)周期間不必要的開(kāi)關(guān)切換，實(shí)現(xiàn)了電力電子變換器的低開(kāi)關(guān)頻率控制。因該新型低開(kāi)關(guān)頻率控制策略所選最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量仍僅作用于下一個(gè)控制周期，第二個(gè)控制周期的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量仍需根據(jù)下一控制周期系統(tǒng)狀態(tài)重新預(yù)測(cè)，從而保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不受影響。

本發(fā)明是以如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

(1)檢測(cè)tk時(shí)刻電流實(shí)際值；

(2)施加新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法上周期預(yù)測(cè)的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量s(k)，即控制器上一循環(huán)周期在步驟(6)選擇的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量，第一周期的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量從零矢量開(kāi)始；

(3)延時(shí)補(bǔ)償，預(yù)測(cè)s(k)作用下tk+1時(shí)刻的電流值i^p(tk+1)

式中

(4)基于預(yù)測(cè)時(shí)域擴(kuò)展的電流預(yù)測(cè)i^p(tk+3)

(5)為體現(xiàn)該新型低開(kāi)關(guān)頻率控制方法的通用性，大功率多電平逆變器的優(yōu)化性能指標(biāo)只考慮電流跟隨性和共模電壓抑制，并采用權(quán)重因子線性加權(quán)的方法構(gòu)建優(yōu)化性能函數(shù)如，式中，λcmv為權(quán)重因子；gcmv為共模電壓，采用絕對(duì)值形式；

(6)根據(jù)(5)，對(duì)大功率多電平逆變器的所有開(kāi)關(guān)矢量進(jìn)行優(yōu)化性能函數(shù)評(píng)價(jià)，選取使tk+3時(shí)刻優(yōu)化性能函數(shù)min(g)最小的開(kāi)關(guān)矢量作為最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量s(k+1)，在tk+1時(shí)刻作用于變換器；

(7)tk+1時(shí)刻重復(fù)上述過(guò)程。

在全調(diào)制度范圍內(nèi)，該新型低開(kāi)關(guān)頻率控制方法都具有非常理想的低開(kāi)關(guān)頻率控制效果，可控制在125--400hz。

當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度為ts時(shí)，tk時(shí)刻所選最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量為s2，tk+1時(shí)刻所選最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量為s3；當(dāng)預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度為2ts時(shí)，tk時(shí)刻所選開(kāi)關(guān)矢量為s3，tk+1時(shí)刻所選開(kāi)關(guān)矢量仍為s3，雖然此時(shí)tk時(shí)刻所選開(kāi)關(guān)矢量并非[(k+1)ts,(k+2)ts]控制周期內(nèi)的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量，但對(duì)于未來(lái)兩個(gè)控制周期[(k+1)ts,(k+3)ts]均能滿足控制要求，且避免了[(k+1)ts,(k+2)ts]控制周期與[(k+2)ts,(k+3)ts]控制周期間不必要的開(kāi)關(guān)切換，從而可有效降低開(kāi)關(guān)頻率。因tk時(shí)刻采用該基于預(yù)測(cè)時(shí)域擴(kuò)展的新型低開(kāi)關(guān)頻率控制策略所選最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量仍僅作用于[(k+1)ts,(k+2)ts]控制周期，[(k+2)ts,(k+3)ts]控制周期的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量仍需根據(jù)tk+1時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)重新預(yù)測(cè)，從而保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不受影響。

本發(fā)明的有益效果是：

(1)有效避免了相鄰控制周期間不必要的開(kāi)關(guān)切換，降低了系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率；

(2)不受電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及預(yù)測(cè)模型限制；

(3)無(wú)相關(guān)權(quán)重因子整定問(wèn)題，算法概念清晰，易于實(shí)現(xiàn)；

(4)不增加控制系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)；

(5)不影響控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

附圖說(shuō)明

圖1是預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度ts原理示意圖

圖2是預(yù)測(cè)時(shí)域長(zhǎng)度2ts原理示意圖

圖3是施加該新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法諧波失真對(duì)比圖

圖4是施加該新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法頻率對(duì)比圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，以傳統(tǒng)權(quán)重因子法大功率多電平逆變器fcs-mpc系統(tǒng)對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，該新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法的具體實(shí)施步驟如下：

1)檢測(cè)tk時(shí)刻電流實(shí)際值；

2)施加新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法上周期預(yù)測(cè)的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量s(k)，即控制器上一循環(huán)周期在步驟6)選擇的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量(第一周期的最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量從零矢量開(kāi)始)；

3)延時(shí)補(bǔ)償，預(yù)測(cè)s(k)作用下tk+1時(shí)刻的電流值i^p(tk+1)，①；

式中

4)基于預(yù)測(cè)時(shí)域擴(kuò)展的新型低開(kāi)關(guān)頻率電流預(yù)測(cè)i^p(tk+3)，②；

5)為體現(xiàn)該新型低開(kāi)關(guān)頻率控制方法的通用性，大功率多電平逆變器的優(yōu)化性能指標(biāo)只考慮電流跟隨性和共模電壓抑制，并采用權(quán)重因子線性加權(quán)的方法構(gòu)建優(yōu)化性能函數(shù)如式③，式中，λcmv為權(quán)重因子；gcmv為共模電壓，采用絕對(duì)值形式；

6)根據(jù)式③，對(duì)大功率多電平逆變器的所有開(kāi)關(guān)矢量進(jìn)行優(yōu)化性能函數(shù)評(píng)價(jià)，選取使tk+3時(shí)刻優(yōu)化性能函數(shù)min(g)最小的開(kāi)關(guān)矢量作為最優(yōu)開(kāi)關(guān)矢量s(k+1)，在tk+1時(shí)刻作用于變換器；

7)tk+1時(shí)刻重復(fù)上述過(guò)程。

傳統(tǒng)fcs-mpc方法其預(yù)測(cè)模型如式①所示，僅能完成未來(lái)一個(gè)控制周期的電流預(yù)測(cè)；該新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法其預(yù)測(cè)模型如式②所示，可完成未來(lái)兩個(gè)周期的電流預(yù)測(cè)。因此，施加該新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)頻率控制方法后可有效避免相鄰控制周期間不必要的開(kāi)關(guān)切換，降低系統(tǒng)開(kāi)關(guān)頻率，且該方法不受電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及預(yù)測(cè)模型限制、無(wú)相關(guān)權(quán)重因子整定問(wèn)題，算法概念清晰，易于實(shí)現(xiàn)、不增加控制系統(tǒng)運(yùn)算負(fù)擔(dān)、不影響控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。圖3、4所示為該新型fcs-mpc低開(kāi)關(guān)控制方法與傳統(tǒng)fcs-mpc方法的控制效果比較圖。圖中曲線1為傳統(tǒng)fcs-mpc方法，曲線2為本發(fā)明所提新型fcs-mpc方法，表明在全調(diào)制度范圍內(nèi)，該新型低開(kāi)關(guān)頻率控制方法都具有非常理想的低開(kāi)關(guān)頻率控制效果，可控制在125--400hz，僅諧波畸變率略有升高，但變化不大，特別是在電流調(diào)制度為0.81時(shí)低開(kāi)關(guān)頻率降控制效果最明顯，降幅可達(dá)48％。