(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 1076724 A(43)申请公布日 2018.02.13
(21)申请号 201710618663.3(22)申请日 2017.07.26
(71)申请人 华南理工大学
地址 5100 广东省广州市天河区五山路
381号(72)发明人 杜贵平 黎嘉健 柳志飞 (74)专利代理机构 广州粤高专利商标代理有限
公司 44102
代理人 何淑珍(51)Int.Cl.
H02M 1/00(2007.01)H02M 7/48(2007.01)
权利要求书2页 说明书5页 附图3页
(54)发明名称
一种基于无差拍控制的双环预测控制方法(57)摘要
本发明公布了一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，属于电力电子变流技术、工业控制领域。该发明由电压外环控制和电流内环控制两个环节组成。该方法以无差拍控制为基础，采用双环控制。其中，电压外环控制和电流内环控制均采用无差拍控制，提高系统（系统是指控制方法的实施对象，一般是指电力电子变换器，在本发明当中指单相电压型逆变器）的动态响应速度和减小系统的稳态误差。本发明公布的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法具备动态响应快，稳态性能好等显著优点，可以很好地满足电力电子系统的工作要求。CN 1076724 ACN 1076724 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(S1)列出系统离散时刻的状态方程，并将其离散化；(S2)测量系统的状态变量，控制输入变量，被控输出变量和干扰变量；(S3)列出系统离散基尔霍夫电流定律(Kirchhoff Current Law,KCL)方程，改写该方程得到电压外环控制率；(S4)列出系统离散基尔霍夫电压定律(Kirchhoff Voltage Law,KVL)方程，改写该方程得到电流内环控制率，利用(S3)的电流参考值和电流内环控制率计算调制信号；(S5)将(S4)得到的调制信号输入至调制单元，与三角波比较，输出开关组合直接作用于系统。
2.根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，其特征在于：在
(S1)中，列出系统离散时刻的状态方程:d
[]/dt表示状态变量的微分值；L、C分别表示单相电压型逆变器的滤波电感值和滤波电容值；V0(k)、iL(k)分别表示逆变器k采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为逆变器的状态变量；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值，作为系统的干扰变量；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值,作为系统的干扰变量；yc(k)表示k采样时刻的被控输出变量值；设系
统的采样周期为T,将状态方程离散化得：
V0(k+1)、iL(k+1)分别表示k+1采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为系统的状态变量；V0(k)、iL(k)分别表示逆变器k采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为逆变器的状态变量；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值，作为系统的干扰变量；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值,作为系统的干扰变量；yc(k)表示k采样时刻的被控输出变量值；L、C分别表示单相电压型逆变器的滤波电感值和滤波电容值；T是系统的采样周期。
3.根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，其特征在于：在(S2)中，测量系统的状态变量V0(k)、iL(k)，控制输入变量Vr(k)，被控输出变量yc(k)和干扰变量Vin(k)、i0(k)。
4.根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，其特征在于：在(S3)中，列出系统离散KCL方程：
根据无差拍控制原理：Vr(k+1)-V0
(k+1)＝0，V0(k+1)表示k+1采样时刻的输出电压值；Vr(k+1)表示k+1采样时刻V0(k+1)对应的参考电压值，代入KCL方程，则可得到电压外环的控制率：
ir
(k)表示k采样时刻滤波电感电流iL(k)的参考电流值；Vr(k+1)表示k+1采样时刻V0(k+1)对应的参考电压值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值；C表示滤波电容值；T表示系统的采样周期。
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权 利 要 求 书
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5.根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，其特征在于：在(S4)中，列出系统离散KVL方程：
iL(k+1)表示k+1采样时刻
的滤波电感电流值；iL(k)表示k采样时刻的滤波电感电流值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值；L表示滤波电感值；T表示系统的采样周期；根据无差拍控制原理：ir(k+1)-iL(k+1)＝0(iL(k+1)表示k+1采样时刻的滤波电感电流值；ir(k+1)表示k+1采样时刻iL(k+1)对应的参考电流值)，结合(S3)得到的电流参考值，计算调制信号：
d*表示调制信号；ir(k+1)表示k+1采样时刻iL(k
+1)对应的参考电流值；iL(k)表示k采样时刻的滤波电感电流值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；Vdc表示直流侧电压值；L表示滤波电感值；T表示系统的采样周期。
6.根据权利要求1所述的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，其特征在于：在(S5)中，将(S4)得到的调制信号输入至调制单元，与三角波进行比较，输出开关组合作用于系统。
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说 明 书
一种基于无差拍控制的双环预测控制方法
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技术领域
[0001]本发明涉及电力电子变流和工业控制领域，尤其涉及一种基于无差拍控制的双环预测控制方法。
背景技术
[0002]数字控制具有简化硬件电路，避免模拟控制元件老化和温漂带来的问题等优点逐渐受到广泛使用。常用的数字控制有数字比例积分(Proportional-Integral,PI)控制，无差拍控制，重复控制等控制方法。无差拍控制具有动态性能好，稳态误差小而且开关频率固定等优点受到广泛关注。
[0003]目前在双环控制运用过程中，无差拍控制一般用于电流内环控制，电压外环控制都采用PI控制或者滑膜控制。传统的数字PI控制参数整定困难，滑膜控制存在抖振问题，影响系统(系统是指控制方法的实施对象，一般是指电力电子变换器，在本发明当中指的是单相电压型逆变器)的稳态精度，它们的动态性能一般。系统的性能不仅取决于内环控制，也制约于外环控制。针对双环预测控制的研究极少，对于目前变换器高频化的趋势，开展双环预测控制对改善系统动态性能和稳态性能至为关键。
发明内容
[0004]针对现有控制策略的不足，本发明目的在于提供一种基于无差拍控制的双环预测控制方法。该方法以无差拍控制为基础，采用双环控制。其中，电压外环控制和电流内环控制均采用无差拍控制，提高系统(系统是指控制方法的实施对象，一般是指电力电子变换器)的动态响应速度和减小系统的稳态误差。
[0005]本发明的目的至少可以通过以下技术方案之一来实现。[0006]一种基于无差拍控制的双环预测控制方法，主要步骤如下：[0007](S1)列出系统(系统是指控制方法的实施对象，一般是指电力电子变换器，在本发明当中指的是单相电压型逆变器)离散时刻的状态方程，并将其离散化；[0008](S2)测量系统的状态变量，控制输入变量，被控输出变量和干扰变量；[0009](S3)列出系统离散基尔霍夫电流定律(Kirchhoff Current Law,KCL)方程，改写该方程得到电压外环的控制率；[0010](S4)列出系统离散基尔霍夫电压定律(Kirchhoff Voltage Law,KVL)方程，改写该方程得到电流内环控制率，利用(S3)的电流参考值和电流内环控制率计算调制信号；[0011](S5)将(S4)得到的调制信号输入至调制单元，与三角波比较，输出开关组合直接作用于系统。
[0012]进一步地，在(S1)中，列出系统离散时刻的状态方程:
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说 明 书
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d[]/dt表示状态变量的微分值；L、C
分别表示单相电压型逆变器的滤波电感值和滤波电容值；V0(k)、iL(k)分别表示逆变器k采
样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为逆变器的状态变量；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值，作为系统的干扰变量；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值,作为系统的干扰变量；yc(k)表示k采样时刻的被控输出变量值；设系统的采样周期为T,将状态方程离
散化得：V0(k+1)、iL(k+1)分别
表示k+1采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为系统的状态变量；V0(k)、iL(k)分别表示逆变器k采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为逆变器的状态变量；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值，作为系统的干扰变量；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值,作为系统的干扰变量；yc(k)表示k采样时刻的被控输出变量值；L、C分别表示单相电压型逆变器的滤波电感值和滤波电容值；T是系统的采样周期。[0013]进一步地，在(S2)中，测量系统的状态变量V0(k)、iL(k)，控制输入变量Vr(k)，被控输出变量yc(k)和干扰变量Vin(k)、i0(k)。
[0014]
进一步地，在(S3)中，列出系统离散KCL方程：根
据无差拍控制原理：Vr(k+1)-V0(k+1)＝0，V0(k+1)表示k+1采样时刻的输出电压值；Vr(k+1)表示k+1采样时刻V0(k+1)对应的参考电压值，代入KCL方程，则可得到电压外环的控制率：
ir(k)表示k采样时刻滤波电感电流iL(k)的参考电流值；Vr
(k+1)表示k+1采样时刻V0(k+1)对应的参考电压值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值；C表示滤波电容值；T表示系统的采样周期。
[0015]
进一步地，在(S4)中，列出系统离散KVL方程：iL
(k+1)表示k+1采样时刻的滤波电感电流值；iL(k)表示k采样时刻的滤波电感电流值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值；L表示滤波电感值；T表示系统的采样周期；根据无差拍控制原理：ir(k+1)-iL(k+1)＝0(iL(k+1)表示k+1采样时刻的滤波电感电流值；ir(k+1)表示k+1采样时刻iL(k+1)对应的参考电流值)，结合(S3)
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说 明 书
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得到的电流参考值，计算调制信号：
d*表示调制信号；ir(k+
1)表示k+1采样时刻iL(k+1)对应的参考电流值；iL(k)表示k采样时刻的滤波电感电流值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；Vdc表示直流侧电压值；L表示滤波电感值；T表示系统的采样周期。
[0016]进一步地，在(S5)中，将(S4)得到的调制信号输入至调制单元，与三角波进行比较，输出开关组合作用于系统。[0017]与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0018]1.算法简单，避免复杂的参数整定，适用于工业控制领域；[0019]2.有利于减小系统的稳态误差；[0020]3.提高系统的动态响应能力；[0021]4.开关频率固定。
附图说明
[0022]图1是本发明的一种基于无差拍控制的双环预测控制方法示意图。[0023]图2是应用本发明的MATLAB仿真稳态输出电压波形效果图。[0024]图3是应用本发明的MATLAB仿真稳态输出电压THD效果图。
[0025]图4是应用本发明的MATLAB仿真参考电压变化时输出电压动态响应效果图。具体实施方式
[0026]以下结合附图和实例对本发明的实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此。
[0027]图1所示是一种基于无差拍控制的双环预测控制方法示意图，下面以单相电压型逆变器为例进行说明，主要步骤如下。[0028](S1)选择滤波电感电流iL(k)、输出电压V0(k)作为系统(系统是指控制方法的实施对象，一般是指电力电子变换器，在本实例当中指的是单相电压型逆变器)的状态变量，根据KVL和KCL列出系统离散时刻的状态方程：
[0029]
[0030]
式中：d[]/dt表示状态变量的微分值；L、C分别表示单相电压型逆变器的滤波电感
值和滤波电容值；V0(k)、iL(k)分别表示逆变器k采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为逆变器的状态变量；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值，作为系统的干扰变量；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值,作为系统的干扰变量；yc(k)表示k采样时刻的被控输出变量值。
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设系统的采样周期为T，根据前进欧拉法，将离散时刻的状态方程改写成离散形
式：
[0032]
[0033]
式中：V0(k+1)、iL(k+1)分别表示k+1采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作
为系统的状态变量；V0(k)、iL(k)分别表示逆变器k采样时刻的输出电压值和滤波电感电流值，作为逆变器的状态变量；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值，作为系统的干扰变量；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值,作为系统的干扰变量；yc(k)表示k采样时刻的被控输出变量值；L、C分别表示单相电压型逆变器的滤波电感值和滤波电容值；T是系统的采样周期。[0034](S2)测量系统的状态变量V0(k)、iL(k)，控制输入变量Vr(k)，被控输出变量yc(k)和干扰变量Vin(k)、i0(k)；[0035](S3)由(S1)可以得到系统离散形式的KCL方程：
[0036]
根据无差拍控制原理：[0038]Vr(k+1)-V0(k+1)＝0 (4)[0039]式中：V0(k+1)表示k+1采样时刻的输出电压值；Vr(k+1)表示k+1采样时刻V0(k+1)对应的参考电压值。
[0040]结合式(3)和(4)可以得到电压外环的控制率,即得到电流内环的参考信号：
[0041][0042]
[0037]
式中：ir(k)表示k采样时刻滤波电感电流iL(k)的参考电流值；Vr(k+1)表示k+1采
样时刻V0(k+1)对应的参考电压值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；i0(k)表示k采样时刻的输出电流值；C表示滤波电容值；T表示系统的采样周期。[0043](S4)根据(S1)我们可以得到系统离散形式的KVL方程：
[0044]
式中：iL(k+1)表示k+1采样时刻的滤波电感电流值；iL(k)表示k采样时刻的滤波电感电流值；V0(k)表示k采样时刻的输出电压值；Vin(k)表示k采样时刻逆变桥交流侧电压值；L表示滤波电感值；T表示系统的采样周期。[0046]根据无差拍控制原理：[0047]ir(k+1)-iL(k+1)＝0 (7)[0048]式中：iL(k+1)表示k+1采样时刻的滤波电感电流值；ir(k+1)表示k+1采样时刻iL(k+1)对应的参考电流值。
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且
[0050]Vin(k)＝d*Vdc (8)[0051]式中：Vin(k)表示k采样时刻逆变器的逆变桥交流侧电压值；Vdc表示直流侧电压值；d*表示调制信号。[0052]结合式子(6)、(7)和(8)，利用(S3)计算出的电流内环参考值ir(k)(因为采样频率远大于ir的工作频率，可看作ir(k+1)＝ir(k))，可以得到期待的逆变桥输出电压为：
[0053][0054][0055]
将式(8)代入式(9)，得到调制信号：
(S5)根据(S4)可以得到调制信号d*，将调制信号d*输入到调制单元，与三角波进行比较，输出开关组合直接作用于逆变器。[0057]如图2、图3和图4所示，是应用本发明的MATLAB仿真效果图。图2是应用本发明的MATLAB仿真稳态输出电压波形效果图(横坐标表示时间，纵坐标表示输出电压值)。图3是应用本发明的MATLAB仿真稳态输出电压THD效果图(横坐标表示频率值，纵坐标表示傅立叶分解后对应频率值下的电压值)。图4是应用本发明的MATLAB仿真参考电压变化时输出电压动态响应效果图(横坐标表示时间，纵坐标表示输出电压值；实线代表参考电压，虚线代表实际输出电压)。具体仿真参数如表1所示。[0058]表1仿真参数
[0056][0059]
将上述算法通过C语言编写到MATLAB的FUNTION模块，将采样的变量值输入到
FUNTION模块，经过计算输出当前时刻的开关组合并作用于开关变换器。[0061]如图2和图3所示，稳态时输出电压波形好，电压THD小。根据图4描述，当参考电压发生变化的时候，输出电压能够对变化进行快速的跟踪，振荡小，动态性能好。
[0062]本领域技术人员可以在不违背本发明的原理和实质的前提下对本具体实施例做出各种修改或补充或者采用类似的方式替代，但是这些改动均落入本发明的保护范围。因此本发明技术范围不局限于上述实施例。
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图1
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图2
图3
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图4
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