基于滑模预测的T型并网变换器控制研究.pdf
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1、第49 卷第4期2023年8 月文章编号:16 7 3-5196(2 0 2 3)0 4-0 0 8 2-0 6基于滑模预测的T型并网变换器控制研究姜雅飞*1,赵刚2(1.江苏航运职业技术学院轮机工程系,江苏南通2 2 6 0 10;2.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西西安7 10 0 48)摘要:模型预测控制具有便于植入、可实现多目标跟踪等优点,但是传统的模型预测控制算法开关状态不固定,会降低电流跟踪精度,甚至产生较大的电流纹波.基于此,提出了一种基于模型预测直接功率定频控制(DPCMPC)和滑模(sliding-modecontrol,SMC)外环控制的双闭环控制方法.利用
2、SMC外环得到系统有功功率的给定值,通过引入零电压矢量改善系统稳态性能,减小功率脉动.为验证理论分析的正确性,构建了完整的仿真与实验测试模型,结果表明该控制方法具有良好的稳态和动态性能.关键词:T型变换器;模型预测控制;滑模控制;直接功率控制;定频控制中图分类号:TM46Control research on T-type grid-connected converterbased on sliding mode predictiveJIANG Ya-feil,ZHAO Gang?(1.Marine Engineering Department,Jiangsu Shipping College
3、,Nantong 226010,China;2.State Key Laboratory of Electrical Insulation andPower Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:Model predictive control(MPC)has been widely used in grid-connected converter control sys-tems with the advantages,such as easy implantation and multi-target t
4、racking.However,the unfixedswitching state of the traditional model predictive control algorithm will reduce the accuracy of currenttracking and even produce large current ripple.Therefore,a double closed loop control method based onmodel predictive direct power fixed frequency control(DPCMPC)and sl
5、iding mode control(SMC)is pro-posed.The SMC outer ring is used to obtain a given value of the active power of the system,and thesteady-state performance of the system is improved by introducing a zero voltage vector and the power rip-ple is reduced.In order to verify the theoretical analysis,a compl
6、ete simulation and experimental testmodel was constructed,and the results show that the proposed control method has good steady-state anddynamic performance.Key words:T-type grid-connected converter;finite set model predictive;sliding mode control;directpower control;fixed frequency control伴随电力电子技术的
7、快速发展,不同种类的三电平变换器被广泛应用于光伏发电、风力发电以及动力电池充放电等相关领域.其中,T型三电平逆变器凭借交流输出谐波小、开关损耗低和效率高等诸多优势在航天电源、风力发电、电机驱动以及车载电源等中小功率场合得到了广泛应用,是一种具有广泛应用前景的三相功率因数校正器 1-3.作为一种多输人、多输出的非线性时变系统,控收稿日期:2 0 2 1-0 7-2 9通讯作者:姜雅飞(198 0-),男,江苏南通人,硕士,副教授.E兰州理工大学学报Journal of Lanzhou University of Technology文献标志码:AVol.49No.4Aug.2023制系统的优劣直
8、接会影响到T型变换器的并网性能,传统的控制方法往往依赖于精确的数学模型,但是电力电子系统往往具有时变性、非线性、强耦合性,因此难以获得精确的数学模型.围绕如何有效提升并网电流质量,减小并网电流谐波畸变,维持直流侧中点电位均衡的控制方案或结构形式已取得一定进展.目前,面向T型变换器的控制策略主要包括PI线性控制策略 4、滑模控制策略 5、线性自抗扰控制策略 6 、模糊控制 7 和模型预测控制(modelpredictive control,MPC)1等.其中 MPC 根据系统的离散模型,通过在中断执行时间内遍历各开关状第4期态,选中代价函数最小时所对应的开关状态并直接作用于开关管,具有动态响应速
9、度快,无需载波且便于植人、可实现多目标控制等优势.因此,被广泛用于并网变换器及电气传动领域1.8-10 1黄辉先等 8 提出了一种变指数趋近律的方法,可以有效抑制抖振,并采用有限集模型预测控制和滑模控制结合,提升系统抗扰性能.对于改善运行在不平衡电网电压情况下的系统,辛业春等 9提出一种面向T型逆变器的快速模型预测控制算法,通过引入直流侧电位选择穴余小矢量的方式实现中点电位的平衡控制.刘毓鑫等 11I针对传统模型预测控制开关频率不固定的缺点,以单相T型并网变换器为研究对象,通过引入虚拟正交分量的方法有效降低了寻优复杂度,并改善了系统动静态性能.李亚宁等 12 通过分配允余短矢量作用时间的方式,
10、有效解决了三电平并网变换器模型预测控制中权重参数选取困难的缺点.从上述文献研究结果可以看到,传统的FCS-MPC由于开关频率不固定,造成滤波电感选取困难,且并网电流纹波较大的缺点依然存在.目前常用的方式是通过增加单周期内电压矢量数量或构建虚拟电压矢量的方式,不可避免地造成控制算法复杂、电压矢量增多的缺点,不利于工业应用.针对上述问题,本文提出一种滑模预测控制(DPC-MPC)方案,利用 SMC外环得到系统有功功率和无功功率的给定值,利用功率误差最小化构建代价函数,通过直接计算最优电压矢量作用时间,并引入零电压矢量来提高系统的稳态性能,减小功率脉动,从而实现模型预测定频控制,改善并网电流质量.1
11、三电平 T-NPC型变换器数学模型图1给出了三相三电平T-NPC整流器拓扑结构图 13,其中:u(=a,b,c)为三相交流电网电压;i为三相并网电流;L为交流侧升压电感兼滤波电感;up与un为正负母线电压;udc为直流输出电压,直upSala2LRALRub3YuLRSa4-K图1T-NPC型三电平整流器电路拓扑Fig.1 Circuit topology of T-NPC three-level converter姜雅飞等:基于滑模预测的T型并网变换器控制研究流侧负载RLI=RL2.直接功率控制(DPC-MPC)具有控制算法简单、动态响应快、电流畸变率低等优点,在电力传动领域获得了广泛应用.
12、本文根据图1所示的T-NPC型三电平整流器电路拓扑,列写三相静止坐标系下的电路状态表达方程为diaL=ua-Ria-uandtdibL=ub Rib-u bndtdiL=u-Ric-uendt式中:ur。为整流桥的输入端到交流侧中点的电位;urn与开关状态之间的表达方程为uanSap+Sbp+Se)Pap3San+Sbn+SnS3Sap+Sbp+Seubr3San+Sbm+SonSbn3Sap+Sp+Se)Ucncpcn为了避免d-q坐标的耦合现象影响电网侧电流输出波形,本文采用基于、坐标系的电流内环模型预测结构.在式(1)中引人Park变换,此时可得电路数学模型为di=u-Ri-uandtL
13、didt=up-Rip-upm通过对式(3)离散化可得:L i.(k+1)-ig(k)TSa3RLiBRL20un83(1)upunupunup3San+Sbm+Sa)3u(k)-Ri。(k)-a n(k)ip(k+1)-ig(k)Tup(k)-Rip(k)一upn(k)式中:ig(k)与ig(k)表示在kT。时刻并网电流的、分量;ig(k 十1)与ig(k 十1)表示(k十1)T,时刻的分量;ug(k)与ug(k)为三相电网电压在-坐标下的、分量.(2)un(3)(4)842基于滑模预测的T型并网变换器控制策略2.1直接功率控制策略根据瞬时功率理论计算两相、静止坐标系下的瞬时有功功率和无功功
14、率为p_ua upLqLu一uJLi对于理想电网,在-坐标系下电网电压和电网频率之间满足以下关系:dudtwupddtwu相邻的采样周期内,无功功率和有功功率可表示为+T(u(k)+pp(k+1)=p(k)一Tsq(k)+-Lup(k)-ua(k)uan(k)-ugupn(k)qp(k+1)=q(k)+wT.p(k)+L综合上述分析,本文利用功率误差的平方总和作为代价函数指标,其对应的表达式为g(i)=p*-pP(k+1)+q*-qP(k+1)(8)2.2改进型模型预测算法传统的预测控制按照电压区间将每个开关周期分为6 个区间,根据开关管状态的不同分别计算不同开关状态下对应的代价函数,选中代价
15、函数最小时对应的开关序列,计算量大且开关频率不固定.基于此,本文提出一种快速模型预测定频控制方法.首先,在矢量寻优过程中仅考虑非零电压矢量所对应的代价函数,此时,单周期内开关序列由8 个减少为6个;其次,通过直接计算生成最优电压矢量时间,分配最优矢量和零矢量的作用时间,进而实现定频控制.假设开关频率远远高于电网电压频率,功率变化率在单周期内保持不变,则在任意采样时刻t=k,对有功功率和无功功率分别对最优电压矢量与零电压矢量求偏导,并分别表示为kpzv和kaz.v,即:ddi(k)U=optd=kpzdb(k)dU=optd=kq2(d9(k)=o兰州理工大学学报假设第k时刻,当处于扇区1时电压
16、矢量作用时间分别为t1与t2,根据式(9)可以将功率预测值和参考值之间的误差表示为per=p*-pP(k+1)qer=q*-qP(k+1)pP(k+1)=(p(k)+kpot+kpat2)i。(5)(6)(7)=kpo(9)=kgo第49卷(10)(qP(k+1)=(q(k)+k pot+kpzt2)设采样时间为T。,T。=t i 十t2.首先判断理想输出电压矢量所在扇区,然后求取最优矢量与零电压矢量的作用时间分别为t1、t,则对代价函数求导可得:J=p*-pP(k+1)2+q*-q(k+1)2Q=0pt1当代价函数导数为0,可得最优序列的作用时间表达方程为ti=(Lp*-pP(k)-kpzt
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