LCL电压型整流器模型预测优化控制.pdf

电源学报第 21 卷模型预测控制 MPC渊model predictive control冤作为 20 世纪中期提出的一种计算机控制算法袁 因其概念直观尧易于建模尧无需精准数学模型和复杂控制参数设计的优点袁受到学术界广泛关注1鄄3遥模型预测控制分为连续状态模型预测控制CCS鄄MPC渊continuous control set鄄MPC冤和离散状态有限控制集模型预测控制 FCS鄄MPC渊finite control set鄄MPC冤袁 两者之间的区别在于系统是否具有调制单元4鄄5遥CCS鄄MPC 通过调制器来产生满足所需的电压信号袁 因此具有恒定的开关频率遥 与 CCS鄄MPC 相比袁FCS鄄MPC 无需调制单元袁 利用开关状态有限的特点袁将整流器控制模型离散化袁在每个采样步骤LCL电压型整流器模型预测优化控制马雯袁郭强袁李山渊重庆市能源互联网工程技术研究中心渊重庆理工大学冤袁重庆 400054冤摘要院传统的 LCL 整流器模型预测控制需要附加有源阻尼算法 MPC鄄AD渊model predictive control鄄active admping冤来消除 LCL 滤波器引起的谐振问题袁此时由于网侧电流由整流器侧电流间接控制袁导致其控制性能不佳遥 为此提出了一种基于 LCL 滤波的电压型整流器 VSR渊voltage source rectifier冤有限控制集模型预测优化控制策略遥 利用模型预测控制中多变量控制的特性袁通过构建单个代价函数同时控制网侧电流矢量尧滤波电容电压矢量以及整流器侧电流矢量渊MPC鄄i1i2uc冤袁无需状态变量反馈有源阻尼袁然后通过所构造的代价函数 J 来选取下一时刻最优开关状态作用于系统遥为验证所提出方法的可行性袁进行仿真实验并搭建测试样机遥通过与传统的 MPC鄄AD 控制方法进行比较袁验证了所提优化控制策略的可行性与优越性遥关键词院LCL 滤波器曰模型预测曰有源阻尼曰代价函数曰多变量控制Model Predictive Optimal Control of LCL Voltage Source RectifierMA Wen,GUO Qiang,LI Shan渊Chongqing Energy Internet Engineering Technology Research Center渊Chongqing University of Technology冤,Chongqing 400054,China冤粤遭泽贼则葬糟贼院 The conventional model predictive control of an LCL rectifier model requires an additional activedamping渊MPC鄄AD冤 algorithm to eliminate the resonance problem caused by the LCL filter,which results in a poor controlperformance since the grid鄄side current is indirectly controlled by the rectifier鄄side current.To this end,a finite controlset model predictive optimal control strategy for LCL鄄filtered voltage source rectifier渊VSR冤 is proposed.The multivariablecontrol feature of MPC is exploited,and a single cost function is constructed to simultaneously control the grid鄄sidecurrent vector,filter capacitor voltage vector and rectifier鄄side current vector渊MPC鄄i1i2uc冤,which does not need state variablesto feed back the active damping.Then,the constructed cost function J is used to select the optimal switching state thatwill be applied to the system at the next moment.To verify the feasibility of the proposed method,a simulationexperiment was carried out and a test prototype was built.The comparison with the conventional MPC鄄AD controlmethod verified the feasibility and superiority of the proposed optimal control strategy.Keywords:LCL filter;model predictive;active damping;cost function;multivariable control收稿日期院2021鄄12鄄06曰录用日期院2022鄄03鄄21基金项目院重庆市教育委员会科学技术研究计划资助项目渊KJZD鄄K201901102冤曰 重庆市巴南区科技成果转化及产业化专项项目Project Supported by Key Project of Science and TechnologyResearch Program of Chongqing Municipal Education Commis鄄sion渊KJZD鄄K201901102冤;Project of Science and TechnologyAchievements Transformation and Industrialization Program ofChongqing Banan District GovernmentDOI院10.13234/j.issn.2095鄄圆愿园缘援圆园23援4.38中图分类号院TM464文献标志码院A电源学报Journal of Power SupplyVol.21 No.4Jul.2023第 21 卷 第 4 期2023 年 7 月第 4 期图 2LCL 滤波器等效原理Fig.2 Equivalent schematic of LCL filter图 1基于 LCL 滤波的三相电压型整流器拓扑Fig.1 Topology of three鄄phase voltage source rectifierbased on LCL filter中对所有开关组合进行计算袁通过最小化代价函数来选取下一时刻最优的开关状态作用于系统袁该代价函数能够同时控制系统中的多种变量6鄄7遥FCS鄄MPC由于代价函数的确定具有灵活性袁 因此在多种类型的变换器中得到了广泛应用遥在大功率并网发电系统中袁电压型整流器 VSR渊voltage source rectifier冤容量通常较大遥LCL 滤波器因其具有更好的低通滤波特性袁因此对高频谐波有较强的衰减能力袁且其所需滤波电感量小尧制造成本低并可以降低损耗8鄄9袁但必须通过设定额外阻尼方法来解决 LCL 滤波器本身存在的谐振问题10鄄11遥有源阻尼法是抑制 LCL 滤波器谐振最常见的方法袁其基本思想为通过状态变量反馈使系统传递函数与无源阻尼等效12鄄13遥 在 LCL 滤波器抑制网侧电流高次谐波的过程中袁 由于涉及调制度的改变袁不能直接用于非线性控制遥针对上述问题袁文献14介绍了有源阻尼算法在非线性控制方法中的应用袁通过引入谐波电流来改变整流器电流基准值遥 文献15提出 FCS鄄MPC 的 2 种方案院一种是利用代价函数 J控制与 LCL 滤波器相关的 2 个变量曰另一种是直接控制网侧电流遥 这些方法大大衰减了 LCL 滤波器的谐振频率袁并且获得了较低的网侧电流总谐波含量 THD渊total harmonic distortion冤遥本文以基于 LCL 滤波的三相 VSR 为研究对象袁首先提出模型预测控制与有源阻尼相结合的控制方法 MPC鄄AD袁然后利用模型预测控制多变量系统控制的特性袁提出将网侧电流矢量尧整流器侧电流矢量和滤波电容电压矢量同时加入单个代价函数的模型预测优化控制方法 MPC鄄i1i2uc袁 在测量当前时刻 LCL 各状态变量的基础上袁 通过所建立的预测模型与代价函数袁选取下一时刻最优开关状态作用于系统遥1LCL 三相 VSR 数学模型基于 LCL 滤波的电压型整流器电路拓扑如图 1所示遥 图中院L1尧L2分别为网侧和整流器侧电感曰R1尧R2分别为网侧电感和整流器侧电感的寄生电阻曰Cf为 LCL 滤波器的滤波电容曰C 为直流侧电容遥在两相旋转 dq 坐标系下袁 根据基尔霍夫电压定律可得袁基于 LCL 滤波的三相电压型整流器的数学模型为L1di1dqdt=edq-i1dqR1-j棕gL1i1dq-ucdq渊1冤L2di2dqdt=ucdq-i2dqR2-j棕gL2i2dq-udq渊2冤Cducdqdt=i1dq-i2dq-j棕gCucdq渊3冤式中袁i1dq尧i2dq尧ucdq尧edq尧udq分别为两相旋转 dq 坐标系下的网侧电流矢量尧整流器侧电流矢量尧滤波电容电压矢量尧网侧电压矢量尧整流器侧电压矢量遥2控制方法2.1 LCL 滤波器谐波抑制特性LCL 型滤波器与单 L 滤波器相比袁可以有效提高滤波器在高频段的衰减特性袁同时保持低频段较好的增益特性袁 因此其滤波性能得到了很大提升遥在不考虑整流器线路电阻的情况下袁其等效原理如图 2 所示遥对于 VSR 而言袁 实际上是通过整流器侧电压来控制网侧电流16遥 因此根据其等效原理可得到整流器侧电压对网侧电流的传递特性为edqi1dqCfL1i2dqL2ucdqudq+-eaebecR1i1dqL1R2L2i2dqCfucdqudqS1S3S5S4S6S2CRLabcidc马雯袁等院LCL 电压型整流器模型预测优化控制39电源学报第 21 卷图 3 LCL 滤波器伯德图Fig.3 Bode diagram of LCL filteri1渊s冤u渊s冤=1s3L1CfL2+s渊L1+L2冤渊4冤根据式渊4冤可得到 LCL 滤波器的伯德图袁如图3 所示遥由伯德图可以看出袁LCL 滤波器频率响应在谐振处存在谐振尖峰袁 这容易造成系统的不稳定袁因此需要对谐振尖峰进行有效阻尼遥虽然可以通过在滤波器的回路中串入电阻来增加系统的阻尼袁但额外阻尼电阻增加会影响谐波的滤波特性袁也会增加系统损耗袁尤其是在大功率场合遥针对此问题袁可以采用以控制取代实际阻尼电阻的有源阻尼策略来替代遥2.2 有源阻尼模型预测控制算法渊MPC鄄AD冤MPC鄄AD 控制方法通过有源阻尼算法来抑制电路中发生谐振时产生的谐波遥 由于在两相旋转dq 坐标系下袁 便于计算各矢量可以被看作为直流分量袁因此有源阻尼的实现以及各电流尧电压参考值的计算在 dq 坐标系下完成遥 低通滤波器 LPF渊low pass filter冤 滤除电容电压高频分量后袁 将 ucdq的瞬时值与 LPF 输出的低频分量相减袁得到仅包含高次谐波的电容电压矢量 uchdq袁最后将得到的高次谐波电压矢量进行比例正反馈遥由于电压型整流器在两相旋转 dq 坐标系下的d尧q 轴变量相互耦合袁因而会使代价函数的计算相对复杂袁所以电流预测模型的建立以及价值函数的建立均在三相静止坐标系下完成遥抑制电流矢量高次谐波的方程式为i*cdq=kduchdq渊5冤式中院i*cdq为电容电流的高次谐波分量曰kd为滤波电容电压比例正反馈系数遥由文献17可知袁kd的计算公式为kd=2灼CL1