单相级联H桥变流器的无权重系数模型预测控制方法

单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法
技术领域
1.本发明涉及电力电子与变流器控制技术领域，尤其涉及一种单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法。


背景技术：

2.级联h桥变流器是多电平变流器的主要拓扑结构之一，具有交流输出电压谐波畸变率低、电磁环境好、模块化程度高和易于扩展等优点，广泛应用于牵引传动、光伏发电以及风力发电等中、高压大功率场合。
3.级联h桥变流器的主要控制目标是实现电网侧电流快速跟踪和直流侧电容电压的均衡控制。传统的控制策略包括pi控制和滞环控制等，其中，pi控制策略的参数整定复杂、系统动态响应速度慢，且pi控制器的延时致使电流跟踪存在稳态误差；滞环控制策略的设计简单，瞬态性能好，但其缺点在于：开关频率不固定，可控性差，谐波频谱较宽，后级滤波器设计难度大。近年来，预测控制策略因其模型宽容度高、稳定性好，以及动态响应快等优势，得到了广泛应用，如无差拍控制、模型预测控制；无差拍控策略制虽然精度高，但不包括约束条件；模型预测控制可处理多变量、有约束的问题，在功率变换器控制领域具有较好的发展前景。
4.模型预测控制根据系统模型预测系统未来输出状态，以预测输出与期望输出的偏差构建代价函数，利用最小化代价函数获得当前的最优控制策略，有效地克服了系统参数的不确定性，在负荷波动或系统参数改变时也具有较好的鲁棒性。当涉及多个控制目标时，应在模型预测控制中引入权重系数平衡各变量跟踪性能，实现多目标性能的均衡控制。对于级联h桥变流器，需要利用权重系数在网侧电流和电容电压间进行权衡。由于权重系数的大小对变流器的结构参数依赖性较大，其设计与调整过程会占据大量时间，所以提出了采用电流与电压标称值之比表示，以提高算法运算速度。在电机驱动系统转矩控制研究中，提出了无权重系数的模型预测控制策略。但由于级联h桥的开关个数较多，导致基于模型预测控制策略较为复杂且响应速度较慢。同时，由于需要对网侧电流和直流电压进行控制，传统预测控制通常在代价函数中引入权重系数，而该设计过程需要花费大量时间，且当系统参数或者工作状态变化时，还需要对权重系数进行二次设计，增加了控制器难度。
5.因此，需要一种可以在避免了权重系数的引入的前提下，提高系统控制精度和响应速度，以及在系统参数变化时提高的系统控制精度和鲁棒性的方法。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法，以解决现有技术问题中存在的缺陷。
7.为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
8.本实施例提供了一种单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法，包括：
9.s1基于开关函数构建二维控制区域；
10.s2根据变流器输入电压，将二维控制区域划分成2n 2个子区域，n为单相级联h桥变流器级联单元总数；
11.s3将输入电压参考值所在的子区域确定为最优子区域，将最优子区域中的两个电压矢量分别对应的所有开关状态作为对应电压矢量的候选开关状态；
12.s4构造基于电流误差的代价函数，根据基于电流误差的代价函数，计算每个电压矢量对应的最优作用时间；
13.s5构造基于电压误差的代价函数，根据所述基于电压误差的代价函数，在两个电压矢量对应的候选开关状态中分别选择其对应的最优开关状态；
14.s6将得到的两个电压矢量的最优作用时间和最优开关状态作为输出控制单相级联h桥变流器。
15.优选地，开关函数如下式(1)所示：
[0016][0017]
其中，sa为级联h桥左桥臂的开关函数总和，sb为级联h桥右桥臂的开关函数总和，s
an
为第n个单元左桥臂上部开关的开关状态，s
bn
为第n个单元右桥臂上部开关的开关状态，两个开关状态满足s
an
,s
bn
∈{0,1}。
[0018]
优选地，s1步骤包括：以所述sa为x轴，以所述sb为y轴建立二维控制区域，二维控制区域内包含(n 1)2个开关对，对应4n个开关状态。
[0019]
优选地，s2步骤包括：
[0020]
根据变流器输入电压，将二维控制区域内具有相同的变流器输入电压矢量的开关对相连；
[0021]
根据等势线将级联单元总数为n的单相级联h桥变流器划分成2n 2个子区域。
[0022]
优选地，将输入电压参考值所在的子区域确定为最优子区域，包括：根据变流器输入电压由小到大的顺序依次对子区域进行编号，根据下式(2)得到输入电压参考值所在的最优子区域编号：
[0023][0024]
其中，z为最优子区域编号，floor(
·
)表示向下取整，为变流器输入电压参考值，vd为单个单元电容电压。
[0025]
优选地，基于电流误差的代价函数如下式(3)所示：
[0026][0027]
其中，ji(k)为k时刻电流误差代价函数，i
s*
(k 1)为k 1时刻网侧电流参考预测值；
[0028]is
(k 1)为k 1时刻网侧电流预测值，计算公式如下式(4)：
[0029][0030]
其中，is(k)为k时刻网侧电流，t
ρ
为第ρ个电压矢量的作用时间；
[0031]fis,ρ
为最优子区域内所选的第ρ个电压矢量对应的网侧电流变化率，如下式(5)所
示：
[0032][0033]
其中，ls为网侧等效电感，rs为网侧等效电阻，vs为网侧电源电压，is为网侧电流，v
in,ρ
为第ρ个变流器输入电压。
[0034]
优选地，根据基于电流误差的代价函数，计算每个电压矢量对应的最优作用时间，包括：
[0035]
两个电压矢量中一个电压矢量v
in,1
的最优作用时间根据下式(6)由令电流误差代价函数求导所得导数为0得出：
[0036][0037]
其中，ji为电流误差代价函数，t1为电压矢量v
in,1
的作用时间；
[0038]
另一个电压矢量v
in,2
的最优作用时间根据下式(7)得出：
[0039]
t2＝t
s-t1ꢀꢀ
(7)
[0040]
其中，t2为电压矢量v
in,2
的作用时间，ts为采样时间，即一个控制周期。
[0041]
优选地，基于电压误差的代价函数如下式(8)所示：
[0042][0043]
其中，jv(k)为k时刻电压误差代价函数，为k 1时刻第n个单元的电容电压参考预测值，v
d,n
(k 1)为k 1时刻第n个单元的电容电压预测值。
[0044]
优选地，根据基于电压误差的代价函数，在在两个电压矢量对应的候选开关状态中分别选择其对应的最优开关状态，包括：在两个电压矢量的候选开关状态中分别选择其对应电压误差代价函数最小的开关状态为最优开关状态。
[0045]
优选地，变流器输入电压根据下式(9)计算：
[0046][0047]
其中，vd＝v
d,n
(n＝1,2,...,n)为单个单元电容电压。
[0048]
由上述本发明的单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法提供的技术方案可以看出，本发明方法基于开关函数构建二维控制区域，并根据变流器输入电压参考值将控制区域划分为多个子区域；首先考虑网侧电流跟踪控制，将输入电压参考值所在子区域确定为最优子区域，子区域内的两个电压矢量对应的开关状态视为候选开关状态，构造基于电流误差的代价函数计算两个矢量的最优作用时间；进一步考虑电容电压均衡控制，构造基于电压误差的代价函数，在候选开关状态中选择两个矢量对应的最优开关状态作为输出控制变流器。本方法可实现网侧电流和电容电压分步单独控制，消除了权重系数，避免了控制器参数整定与重调过程，控制结构简单，减少了算法执行时间。稳态和动态性能好，控制精度高，响应速度快，对系统内部参数变化具有很强的鲁棒性。
[0049]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0050]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0051]
图1为实施例提供的一种单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法流程示意图；
[0052]
图2为实施例提供的单相级联h桥变流器主电路拓扑结构图；
[0053]
图3为实施例提供的单相三单元级联h桥变流器的二维控制区域示意图；
[0054]
图4为实施例提供的单相三单元级联h桥变流器的二维控制区域划分结果示意图；
[0055]
图5为实施例提供的不同权重系数时网侧电流、电容电压和变流器输入电压波形图；
[0056]
图6为实施例提供的不同控制方法时网侧电流、电容电压和变流器输入电压波形图。
具体实施方式
[0057]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0058]
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤和/或操作，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤和/或它们的组。应该理解，这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
[0059]
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
[0060]
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且并不构成对本发明实施例的限定。
[0061]
实施例
[0062]
图1为本实施例提出的一种单相级联h桥变流器的无权重系数模型预测控制方法流程示意图，参照图1，包括如下步骤：
[0063]
s1基于开关函数构建二维控制区域。
[0064]
图2为本实施例的单相级联h桥变流器主电路拓扑结构图，参照图2，级联h桥由n个单元串联构成。将第n个单元左、右桥臂上部两个开关的开关状态用s
an
、s
bn
(n＝1,2,...,n)表示，其满足下式(1)
[0065]san
,s
bn
∈{0,1}
ꢀꢀ
(1)
[0066]
由于同一桥臂的上、下两个开关不能同时导通，因此每个单元有4种开关状态，用
(s
an
,s
bn
)的形式可表示为(1,0)、(0,1)、(1,1)和(0,0)。
[0067]
开关函数如下式(2)所示：
[0068][0069]
其中，sa为级联h桥左桥臂的开关函数总和，sb为级联h桥右桥臂的开关函数总和。
[0070]
以所述sa为x轴，以所述sb为y轴建立二维控制区域，以单相三单元级联h桥变流器为例，其控制区域如图3所示，包含16组开关对(sa,sb)，每组开关对右上角的矩形框中是其对应的开关状态个数，控制区域内共有64个开关状态。相应地，对于单相n单元级联h桥变流器，二维控制区域内包含(n 1)2个开关对，对应4n个开关状态。
[0071]
s2根据变流器输入电压，将二维控制区域划分成2n 2个子区域，n为单相级联h桥变流器级联单元总数。
[0072]
根据图2的结构，利用基尔霍夫电压定律和欧拉向前法，可得网侧电流表达式为：
[0073][0074]
其中，is(k 1)为k 1时刻网侧电流预测值，ls为网侧等效电感，rs为网侧等效电阻，ts为采样时间，即一个控制周期，vs(k)为k时刻网侧电源电压，v
in
(k)为k时刻变流器输入电压，is(k)为k时刻网侧电流。
[0075]
利用开关状态，变流器输入电压根据下式(4)计算：
[0076][0077]
其中，vd＝v
d,n
(n＝1,2,...,n)为单个单元电容电压。
[0078]
根据式(3)和(4)，当不同开关对对应的变流器输入电压相同时，控制信号输出结果也一致。将具有相同变流器输入电压矢量的开关对相连，利用等势线划分控制区域。图4是本实施例提供的单相三单元级联h桥变流器的二维控制区域划分结果示意图，共包含8个子区域(对应编号i～viii)。图中，圆内的数字分别对应1～16个开关对，虚线表示变流器的不同输入电压(-3vd,-2vd,...,3vd)。相应地，对于单相n单元级联h桥变流器，控制区域可划分为2n 2个子区域。
[0079]
s3将输入电压参考值所在的子区域确定为最优子区域，将最优子区域中的两个电压矢量分别对应的所有开关状态作为对应电压矢量的候选开关状态。
[0080]
首先考虑网侧电流跟踪控制，由于网侧电流仅由变流器输入电压决定，因此可利用输入电压参考值选择最优子区域。变流器输入电压参考值可表示为：
[0081][0082]
其中，为变流器输入电压参考值，为网侧电流参考值。
[0083]
根据变流器输入电压由小到大的顺序依次对子区域进行编号，根据下式(6)得到输入电压参考值所在的最优子区域编号：
[0084][0085]
其中，z为最优子区域编号，floor(
·
)表示向下取整，为变流器输入电压参考值，vd为单个单元电容电压。
[0086]
s4构造基于电流误差的代价函数，根据基于电流误差的代价函数，计算每个电压矢量对应的最优作用时间。
[0087]
为了提高系统性能，采用双矢量模型预测控制，选择最优子区域内的两个电压矢量v
in,1
和v
in,2
合成期望值。
[0088]
根据式(3)，每个电压矢量对应的网侧电流变化率为：
[0089][0090]
其中，f
is,ρ
为最优子区域内所选的第ρ个电压矢量对应的网侧电流变化率，(ρ＝1,2)，ls为网侧等效电感，rs为网侧等效电阻，vs为网侧电源电压，is为网侧电流，v
in,ρ
为第ρ个变流器输入电压。
[0091]
进而得到k 1时刻网侧电流预测值，计算公式如下式(8)：
[0092][0093]
其中，is(k)为k时刻网侧电流，t
ρ
为第ρ个电压矢量的作用时间；
[0094]
构造基于电流误差的代价函数如下式(9)所示：
[0095][0096]
其中，ji(k)为k时刻电流误差代价函数，为k 1时刻网侧电流参考预测值。
[0097]
为实现对网侧电流参考值的跟踪，达到最优控制效果，即电流误差代价函数最小，两个电压矢量中一个电压矢量v
in,1
的最优作用时间根据下式(10)由令电流误差代价函数求导所得导数为0得出：
[0098][0099]
其中，ji为电流误差代价函数，t1为电压矢量v
in,1
的作用时间；
[0100]
将式(8)和(9)代入(10)，得到
[0101][0102]
根据式(11)，当时，电流误差代价函数有极小值。考虑实际系统约束，进一步可以得到
[0103][0104]
其中，t2为电压矢量v
in,2
的作用时间。
[0105]
因此，两个电压矢量v
in,1
和v
in,2
对应的最优作用时间t
1,opt
和t
2,opt
分别为：
[0106][0107]
若变流器输入电压参考值位于图4中的区域iii，则两个电压矢量分别为v
in,1
＝-2vd、v
in,2
＝-vd，根据式(13)可以得到对应的最优作用时间；若变流器输入电压参考值位于区域i或区域viii，则两个电压矢量分别为v
in,1
＝v
in,2
＝-3vd或v
in,1
＝v
in,2
＝3vd，电压矢量v
in,1
对应的最优作用时间为t
1,opt
＝ts，电压矢量v
in,2
对应的最优作用时间为t
2,opt
＝0。
[0108]
s5构造基于电压误差的代价函数，根据所述基于电压误差的代价函数，在两个电压矢量对应的候选开关状态中分别选择其对应的最优开关状态。
[0109]
根据上述分析，在最优子区域可以有效地跟踪网侧电流。进一步地，需要实现电容电压的均衡控制，构造基于电压误差的代价函数jv如下式(14)所示：
[0110][0111]
其中，jv(k)为k时刻电压误差代价函数，为k 1时刻第n个单元的电容电压参考预测值，v
d,n
(k 1)为k 1时刻第n个单元的电容电压预测值。
[0112]
在两个电压矢量的候选开关状态中分别选择其对应电压误差代价函数最小的开关状态为最优开关状态。
[0113]
若变流器输入电压参考值位于图4中的区域iii，则开关对{2,3}对应的开关状态中，能够使jv最小的开关状态为电压矢量v
in,1
的最优开关状态，开关对{4,5,6}对应的开关状态中，能够使jv最小的开关状态为电压矢量v
in,2
的最优开关状态。
[0114]
s6将得到的两个电压矢量的最优作用时间和最优开关状态作为输出控制单相级联h桥变流器。
[0115]
综上所述，对于本实施例中的单相三单元级联h桥变流器，单位控制周期内，传统的模型预测控制算法需要遍历全部开关状态(共64个)，而应用本方法仅需从21个候选开关状态中选择最优开关状态，极大地缩短了算法执行时间。
[0116]
以下为采用本技术的方法与现有技术中采用的方法进行对比的算例，通过matlab/simulink仿真平台，根据单相三单元级联h桥变流器结构搭建仿真电路，以验证本技术上述方法的跟踪性能及响应速度。
[0117]
根据图2的单相级联h桥变流器主电路拓扑结构图，在matlab/simulink仿真平台中搭建单相三单元级联h桥变流器仿真模型。仿真的关键参数如下表1所示。
[0118]
表1
[0119][0120]
首先，分析了权重系数对系统稳定性的影响，采用传统的模型预测方法得到在不同权重系数λ下得到的网侧电流和电容电压波形如图5所示。由图5(a)，随着λ从0.0001逐渐增至0.1，网侧电流总谐波畸变率由4.29％增大至5.90％。由图5(b)，当λ相对较小(0.0001)时，直流侧电容电压极度不平衡；当λ相对较大(0.1)时，控制器可有效跟踪电容电压参考值。因此，权重系数直接决定了网侧电流的跟踪效果和电容电压的均衡程度，其值应根据不同的系统参数和控制目标，综合考虑网侧电流总谐波畸变率和电容电压进行选取，这无疑增加了算法的执行时间和复杂度。
[0121]
基于上述分析，将传统模型预测方法的权重系数设定为0.03，并与本实施例方法进行性能对比分析，结果如图6所示，通过对比可以看出，两种方法都可以有效跟踪网侧电流和电容电压。通过图6可以看出，本实施例方法可以将网侧电流总谐波畸变率由5.84％降至3.39％，将变流器输入电压总谐波畸变率由50.70％降至38.63％。因此，相比于传统模型预测方法，本实施例方法无需引入权重系数，系统复杂度低，控制精度高，有效减小了网侧电流和变流器输入电压的总谐波畸变率。
[0122]
本领域技术人员应能理解上述的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
[0123]
本领域技术人员应能理解，上述所举的根据用户信息决定调用策略仅为更好地说明本发明实施例的技术方案，而非对本发明实施例作出的限定。任何根据用户属性来决定调用策略的方法，均包含在本发明实施例的范围内。
[0124]
通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0125]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。