1 摘要

針對帶LC濾波器的電壓源逆變器(VSIs)，傳統(tǒng)的有限集模型預(yù)測控制(FS-MPC)方案不僅需要測量電容電壓和電感電流，還需要測量或估計負(fù)載電流，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。為了減少傳統(tǒng)FS-MPC中傳感器的數(shù)量，本文針對帶LC濾波器的VSIs，提出了一種新型的無電流傳感器的FS-MPC方案。首先，根據(jù)預(yù)測矩陣之間的內(nèi)在關(guān)系，以電容電壓和電容電流為狀態(tài)變量，對預(yù)測模型進行了精確簡化，使其適合于無電流傳感器控制。

然后，為了消除電流傳感器以降低成本和提高可靠性，重構(gòu)了動態(tài)模型，設(shè)計了一種易于實現(xiàn)的電容電流估計器，其性能可與典型FS-MPC方案媲美?？紤]到數(shù)字實現(xiàn)過程中不可避免的控制延遲，利用所提出的估計器獲得延遲補償。此外，所提出的控制方案對各種代價函數(shù)具有靈活性，并能降低計算量。通過與傳統(tǒng)FS-MPC的對比仿真和實驗結(jié)果，驗證了所提控制方案在負(fù)荷變化和模型不匹配情況下的可行性。

2 主要工作和貢獻

1、提出了一種用于帶LC濾波器的VSIs的無電流傳感器FS-MPC方案。通過合并預(yù)測矩陣，精確地簡化了預(yù)測模型。將傳統(tǒng)FS-MPC的預(yù)測變量轉(zhuǎn)換為電容電壓及其電流。

2、提出了一種易于實現(xiàn)的全階電容電流估計器，以完全消除電流傳感器，此觀測器還實現(xiàn)了固有控制時滯補償。

3、與傳統(tǒng)FS-MPC方案在負(fù)荷變化和模型不匹配情況下的預(yù)測和控制性能進行對比，驗證了所提控制方案的正確性。

3 方法流程

3.1 傳統(tǒng)的有限集模型預(yù)測控制

圖1：基于帶LC濾波器VSI的傳統(tǒng)的FS-MPC方案

根據(jù)傳統(tǒng)FS-MPC的控制框圖，可以得到如下連續(xù)和離散公式：

為了彌補固有的控制延時，進行二階預(yù)測：

設(shè)置簡單的代價函數(shù)（CF）：

其中*代表參考值，通過列舉候選的電壓矢量來選擇能使CF最小化的最優(yōu)電壓矢量(即最優(yōu)開關(guān)狀態(tài))，并將其應(yīng)用于逆變器。

3.2 全階電容電流估計器

為了設(shè)計電容電流估計器，對系統(tǒng)的動態(tài)模型進行重塑，由于采樣時間比負(fù)載變化小得多，默認(rèn)

可以得到如下連續(xù)和離散公式：

綜合考慮所提方法的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)速度，選擇參數(shù)k1和k2：

3.3無電流傳感器FS-MPC方法

將上述兩種部分內(nèi)容結(jié)合起來得到無電流傳感器FS-MPC方法，具體的控制框圖如圖所示：

圖2：所提的基于帶LC濾波器VSI的無電流傳感器FS-MPC方案

4 實驗結(jié)果

4.1靜態(tài)試驗

圖3：額定線性負(fù)載下穩(wěn)態(tài)性能的實驗比較

（a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖4：非線性負(fù)載下穩(wěn)態(tài)性能的實驗比較

（a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖5：FFT分析的實驗比較

（a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖3和圖4分別給出了傳統(tǒng)FS-MPC和所提方案在線性負(fù)載和非線性負(fù)載下穩(wěn)態(tài)電壓跟蹤性能的實驗結(jié)果。展示了相位電壓基準(zhǔn)?fa、電壓反饋vfa、負(fù)載電流ioa和電壓跟蹤誤差vfe?？梢杂^察到，兩種方法的性能沒有顯著差異。由于系統(tǒng)噪聲的影響，所提出的控制方案只比典型的FS-MPC控制方案具有略大的電壓跟蹤誤差。對應(yīng)的快速傅里葉變換FFT分析結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明兩種控制方案在線性和非線性負(fù)載下的THD偏差均小于0.2%，表明所提控制方案具有與典型FS-MPC相媲美的穩(wěn)態(tài)性能。

4.2動態(tài)試驗

圖6：標(biāo)稱線性負(fù)載階躍下瞬態(tài)性能的實驗比較 （a）傳統(tǒng)FS-MPC （b）所提控制策略

圖6描述了采用傳統(tǒng)FS-MPC和所提控制方案的線性負(fù)載步長(開路到標(biāo)稱負(fù)載)瞬態(tài)響應(yīng)的實驗結(jié)果。展示了相位電壓基準(zhǔn)?fa、電壓反饋vfa、負(fù)載電流ioa和電壓跟蹤誤差vf e。可以觀察到，兩種方法由負(fù)載步長引起的電壓波動相似，因此對負(fù)載步長變化具有相似的魯棒性。

上述實驗驗證了所提控制方案的正確性。

5 方法評估

本文提出了一種用于帶LC濾波器的VSIs的無電流傳感器FS-MPC方案。首先根據(jù)預(yù)測矩陣之間的內(nèi)在關(guān)系對預(yù)測模型進行簡化，使其適合于無電流傳感器控制。為了消除傳統(tǒng)FS-MPC方案中的電流傳感器，利用重構(gòu)的系統(tǒng)動態(tài)模型設(shè)計了一種易于實現(xiàn)的電容電流估計器，其性能與傳統(tǒng)FS-MPC方案相當(dāng)。為了克服數(shù)字控制時延帶來的性能下降，該估計器直接用于實現(xiàn)固有時延補償。此外，該控制方案具有可擴展性強、成本低、可靠性高等優(yōu)點。在模型不匹配和負(fù)載變化情況下的仿真和實驗結(jié)果驗證了該控制方案的有效性，證明了該控制方案可以替代傳統(tǒng)的FS-MPC控制方案用于帶LC濾波器的VSIs。

6 閱讀心得

本文提出了用于帶LC濾波器的VSIs的無電流傳感器FS-MPC方案，與傳統(tǒng)的FS-MPC方案相比，此方法減少了電流傳感器的使用，降低了系統(tǒng)成本，提高可靠性，并且獲得了與傳統(tǒng)FS-MPC近似的結(jié)果。此方法在多電平逆變器下同樣適用。