文摘gydF4y2Ba

有限的控制设定模型预测控制(FCSMPC)是一种极具吸引力的和潜在的并网变换器的控制方法。然而,有几个挑战当用人FCSMPC拼箱基于过滤器的衣架式三级电力转换系统(pc)电池储能的应用程序。这些挑战主要包括控制算法的复杂度的增加和过度花费额外的传感器,个人电脑的性能恶化和限制FCSMPC的应用。为了克服这些问题,本文提出了一个简化的FCSMPC算法减少计算复杂度。此外,全面的状态观测器采用和实施评估grid-side电流和电容电压的瞬时值删除不必要的电子传感器的目的。提出的实现FCSMPC算法详细描述了一步一步。提供仿真结果验证了理论分析的正确性。最后,一个三相衣架式三级电脑样机额定2.30 kVA / 110 V是建立。从原型中提取实验结果可以验证该控制策略的有效性。gydF4y2Ba

1。介绍gydF4y2Ba

可持续能源广泛应用于电力系统不稳定导致问题由于他们undispatchable生成特性(gydF4y2Ba1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba2gydF4y2Ba]。出于这个原因,对能量存储系统的需求增长非常几十年(gydF4y2Ba3gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba5gydF4y2Ba]。电池储能系统(贝丝),突出了它的快速响应,经济可接受,循环寿命长,密度高,和较低的安装要求,被认为是一个最好的选择提供一系列可靠的电力服务在各种储能技术(gydF4y2Ba6gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

电脑起着重要的作用作为一个特定的双向交直流转换器在贝丝接口电池单元网格基于电力电子半导体技术(gydF4y2Ba7gydF4y2Ba]。三相两级电压源变换器(2 l-vsc)通常用于并网变换器应用于太阳能光伏发电或风力涡轮机。然而,它的缺点,主要包括高压压力和谐波性能差,限制了进一步发展2 l-vsc特别是在大规模储能的场景。三级电压源变换器(3 l-vsc)拓扑比2更有利l-vsc在这个应用程序中为其选矿较低的输出谐波,更高的效率、更紧凑的结构,降低电压改变率(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba]。很多3 l-vsc拓扑最近报道和研究,如neutral-point-clamped VSC [gydF4y2Ba9gydF4y2Ba],活跃人大VSC [gydF4y2Ba10gydF4y2Ba),级联h桥拓扑(gydF4y2Ba11gydF4y2Ba),飞行电容器VSC [gydF4y2Ba12gydF4y2Ba),衣架3 l-vsc [gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。衣架式3 l-vsc接收优先发展因为六夹二极管被相比传统的人大。另一方面,衣架3 l-vsc拥有传导损失更少,这意味着它能够促进效率如果切换频率低于30千赫(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba]。除了个人电脑中的活性成分,无源滤波器基于拼箱结构往往是采用,因为它提供了优越的性能在高阶谐波衰减gydF4y2Ba14gydF4y2Ba]。gydF4y2Ba

它是重要为电脑上选择一个方便的控制策略来获得高质量的电流注入电网。各种线性和非线性控制方法都是验证选择解决的控制问题。模型预测控制(MPC)是一个有吸引力的基于模型的非线性最优控制策略广泛应用于工业领域(gydF4y2Ba15gydF4y2Ba,gydF4y2Ba16gydF4y2Ba]。MPC在电力电子控制领域应用大致可以分为两类:一是连续控制设置MPC,另一个是有限的控制设置MPC。通过比较这两种方法,FCSMPC使用pc的离散特性意味着可用开关状态的数量是有限的。通过评估他们的成本函数和控制限制,最合适的开关状态将决定以后是活跃的。在报道gydF4y2Ba17gydF4y2Ba)、高性能的FCSMPC算法成功地实现LCL-based并网2 l-vsc已经证实了仿真和实验研究。gydF4y2Ba

尽管FCSMPC也可以采用3 l-vsc,进一步改善和额外的战略需要增加了复杂性的研究,因为3 l-vsc和直流环节电压平衡问题(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba]。在实践中,控制算法的计算时间将不可避免地成为了因为重复时间转移预测模型和计算代价函数增加显然随着数量的开关状态,等于27为2 l-vsc 3 l-vsc比8。为了解决这一矛盾,研究者提出几种方法FCSMPC减轻计算负担。gydF4y2Ba

在[gydF4y2Ba19gydF4y2Ba),提出了一种简化的计算方法,将李亚普诺夫原理引入行业分布的设计方法基于嵌套neutral-point-clamped变换器的空间矢量调制技术。通过使用该方法,可以消除不必要的开关状态,只有9向量,而不是为所有64向量,总共需要评估。在[gydF4y2Ba20.gydF4y2Ba),一种有效的方法与等效变换和专门的部门分布提出了减少运行时间而不影响控制性能。该方法可用于各种电路拓扑与多个约束。在[gydF4y2Ba21gydF4y2Ba),一个简化算法的基础上提出了一种新的直接转矩控制开关表。基于这种方法,只有三个电压向量而不是八用于预测和驱动。此外,预测向量的个数减少,没有任何复杂的计算。gydF4y2Ba

删除不必要的传感器也是一个重要的话题比较硬件成本,进一步利用FCSMPC的优点。在[gydF4y2Ba22gydF4y2Ba),与逆变器电压和电流模型计算方法提出了估计忽略了电容器的电容电压和电网电流电流。然而,忽略电容电流的假设只是有效的情况下,阻抗电容分支远远高于电感分支。在[gydF4y2Ba23gydF4y2Ba),提出了一种有效的方法来降低传感器的状态变量。该方法中,电容电流环路合并grid-injected电流环的转换框图;因此一种电容电流传感器可以得救。此外,全阶状态观测器(gydF4y2Ba24gydF4y2Ba和卡尔曼滤波器gydF4y2Ba25gydF4y2Ba]的基础上研究了状态空间模型,都是用来估计通过闭环系统的状态变量滤波器。gydF4y2Ba

因此,本文提出了一个简化的基于衣架为三相FCSMPC电脑三级拓扑减少计算负担。相比之下,货币政策委员会战略(gydF4y2Ba17gydF4y2Ba),全面采用状态观测器估计grid-side电流和电容电压在LCL滤波器的目的节省不必要的传感器。本文的其余部分组织如下。部分gydF4y2Ba2gydF4y2Ba简要介绍了系统配置和FCSMPC的基本原则。节gydF4y2Ba3gydF4y2Ba,一个详细的个人电脑推导出离散预测模型。基于该模型,提出了简化的描述FCSMPC策略从引用生成的角度,控制集优化、成本函数和状态观测器。部分gydF4y2Ba4gydF4y2Ba显示了仿真和实验结果验证控制算法的目的。最后,简要总结了结论部分gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

2。系统配置和描述gydF4y2Ba

图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba贝丝应用程序展示了电脑的基本结构。电池包,执行的主要电化学reaction-based储能组件以其高密度和灵活性是耦合网格使用pc组成的双向三相衣架式三级交直流转换器和拼箱过滤器。三级能量变换拓扑通常表现出杰出的表演包括总谐波失真(THD)和效率与传统的两级变换器相比,而高阶无源滤波器能够减弱高频谐波比单一更有效gydF4y2BalgydF4y2Ba过滤器。gydF4y2Ba

一般常见的定义变量,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_a1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_b1gydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_c1gydF4y2Ba代表阶段通过inverter-side电感电流gydF4y2BalgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba,gydF4y2BalgydF4y2Ba_{1 bgydF4y2Ba},gydF4y2BalgydF4y2Ba_{1 cgydF4y2Ba}。gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_a2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_b2gydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_c2gydF4y2Ba通过grid-side阶段电流电感吗gydF4y2BalgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba,gydF4y2BalgydF4y2Ba_{2 bgydF4y2Ba},gydF4y2BalgydF4y2Ba_{2摄氏度gydF4y2Ba}。gydF4y2BaugydF4y2Ba_cagydF4y2Ba,gydF4y2BaugydF4y2Ba_cbgydF4y2Ba,gydF4y2BaugydF4y2Ba_ccgydF4y2Ba代表了滤波电容电压。gydF4y2BaugydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_bgydF4y2Ba,gydF4y2BaugydF4y2Ba_cgydF4y2Ba分别代表每个阶段的输出电压的腿。gydF4y2BaugydF4y2Ba_{遗传算法gydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_gbgydF4y2Ba,gydF4y2BaugydF4y2Ba_gcgydF4y2Ba电网电压。电压和电流信号采集传感器安装正确。gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba代表了船壳电容器的电压gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba代表底边电容器的电压。此外,当分析的瞬时功率控制电脑,电池可以被假定为一个僵硬的直流电压源,因为它的输出电压gydF4y2BaugydF4y2Ba_{蝙蝠gydF4y2Ba}相比缓慢变化足够微秒时间尺度在大多数情况下电脑的实时控制。电脑是由上级监管能源管理系统,决定贝丝通过发送的有功功率的输出特性参考gydF4y2Ba和无功功率参考gydF4y2Ba电脑的指令。gydF4y2Ba

每个阶段的衣架3 l-vsc pc描绘在图gydF4y2Ba1gydF4y2Ba由四个半导体开关命名为gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba∼gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba=gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba),它可分为两组:两个主要的开关gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba,两个辅助开关gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x3gydF4y2Ba。在这些开关、驱动信号gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba是互补的gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x3gydF4y2Ba,司机的信号gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba是互补的gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba,分别。有三种输出状态在每一个阶段腿:(1)“P”状态:如果gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba同时打开,在同一时间gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x3gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba关掉。输出电压的相位腿=gydF4y2BaugydF4y2Ba_{蝙蝠gydF4y2Ba}/ 2与中性点参考(NP)的直流环节在假设NP在稳定状态即是平衡的gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba=gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba= +gydF4y2BaugydF4y2Ba_{蝙蝠gydF4y2Ba}/ 2。(2)“0”状态:如果gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x3gydF4y2Ba同时打开,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba关闭的同时,阶段的中点腿直接连接到NP。在这种状态下输出电压为零。(3)“N”状态:如果gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x3gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba同时打开,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba关闭在同一时间。类似于P状态,腿−阶段的输出电压gydF4y2BaugydF4y2Ba_{蝙蝠gydF4y2Ba}/ 2。gydF4y2Ba

因此,电脑能够产生完全27空间向量在静止的参考系。控制的一组电脑被定义为包括所有的组合开关状态见图gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。也称为空间矢量分配图,旨在描述他们的大小和位置。根据电压向量的长度,有6大6中,12个小,三个零向量可能由电脑生成的。可以看出小向量,例如,向量P00和0 nn,发挥电脑的相同的对输出电流的影响。因此,这些对小向量可以用来平衡中性点电压这将在稍后讨论。详细的空间矢量之间的关系和开关状态是描绘在图gydF4y2Ba3gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

FCSMPC算法不必涉及调制阶段像proportional-integrator等传统控制方法控制广泛应用于并网变换器。摘要修改FCSMPC方案进行gydF4y2BaαgydF4y2BaβgydF4y2Ba参考系包括六个步骤如下:gydF4y2Ba(1)gydF4y2Ba信号调节和收购,使用gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba/gydF4y2BaDgydF4y2Ba转换器的数字处理器获得的瞬时值gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba,gydF4y2BaugydF4y2Ba_gxgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba=gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba),gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba和gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba。注意,与传统FCSMPC方法,gydF4y2BaugydF4y2Ba_{残雪gydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba不需要采样因为观察者采用技术。gydF4y2Ba(2)gydF4y2Ba计算参考在下一个采样周期根据外部引用gydF4y2Ba和gydF4y2Ba由上游主管指挥系统。gydF4y2Ba(3)gydF4y2Ba估计gydF4y2BaugydF4y2Ba_{残雪gydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba基于全面的状态观测器。gydF4y2Ba(4)gydF4y2Ba构建预测模型。这是一个两步的过程。首先,使向量的搜索跨度较小的基于近似预测模型。然后,使用一个精确的预测模型来预测在接下来的即时状态变量的确切值缩减控制范围内的所有可能的向量集。gydF4y2Ba(5)gydF4y2Ba选择合适的成本函数。计算每一个可能的评价结果向量。gydF4y2Ba(6)gydF4y2Ba发现成本函数的优化值和相应的向量。最后,将半导体开关设置为所需的状态根据优化结果。gydF4y2Ba

提出FCSMPC策略比传统的选矿方法主要包括两个方面。首先,的值gydF4y2BaugydF4y2Ba_{残雪gydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba基于状态观测器估计在步骤2。因此,相应的传感器和采样电路可以省略的目的降低整体的硬件成本。第二,尝试次数减少后不超过7采用本文提出的简化计算过程。作为比较,27日必须试图找出优化的矢量在传统FCSMPC实现,增加处理器的计算时间成本。节gydF4y2Ba3gydF4y2Ba的实现过程,提出FCSMPC策略将详细介绍。gydF4y2Ba

3所示。FCSMPC提出的实现过程gydF4y2Ba

3.1。参考一代gydF4y2Ba

个人电脑的控制方法可以进行gydF4y2BaαβgydF4y2Ba基于克拉克变换的应用的参考系。在大多数情况下,主动和无功功率由上游主要指示监测系统。接受这些指令后,他们应该转移到瞬时电压和电流在引用gydF4y2BaαβgydF4y2Ba框架。三相系统的有功功率gydF4y2BaPgydF4y2Ba和反应性gydF4y2Ba问gydF4y2Ba表示为gydF4y2Ba

因此,参考grid-injected当前可以反向推导出根据方程(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba)。的上标gydF4y2Ba和gydF4y2Ba表示,这些变量是参考信号。gydF4y2Ba

很容易推断出的参考价值gydF4y2BaugydF4y2Ba_{残雪gydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba=gydF4y2BaααgydF4y2Ba,gydF4y2BaβgydF4y2Ba)使用以下方程:gydF4y2Ba

不幸的是,gydF4y2BaugydF4y2Ba_{ggydF4y2BaαgydF4y2Ba}(gydF4y2BakgydF4y2Ba+ 1)和gydF4y2BaugydF4y2Ba_{ggydF4y2BaβgydF4y2Ba}(gydF4y2BakgydF4y2Ba+ 1)中不明确的变量gydF4y2BakgydF4y2Bath。它将导致延迟计算的参考价值gydF4y2BaugydF4y2Ba_{ggydF4y2BaαgydF4y2Ba}(gydF4y2BakgydF4y2Ba),gydF4y2BaugydF4y2Ba_{ggydF4y2BaβgydF4y2Ba}(gydF4y2BakgydF4y2Ba)直接代入方程(gydF4y2Ba2gydF4y2Ba),另一种选择。这种延迟会降低电脑的性能。克服这个缺点,建议单位延迟补偿电网电压取样方便基于使用拉格朗日外推预测在接下来的即时电压定理(gydF4y2Ba26gydF4y2Ba]。gydF4y2BaugydF4y2Ba_gxgydF4y2Ba(gydF4y2BakgydF4y2Ba+ 1)表示为基于高阶拉格朗日外推计算gydF4y2Ba

3.2。拼箱的离散时间预测模型基于过滤器pcgydF4y2Ba

完成后,参考计算步骤,建立预测模型控制算法也是一个重要组成部分。这是明显的gydF4y2BaαgydF4y2Ba设在子系统和gydF4y2BaßgydF4y2Ba设在子系统完全解耦。因此,个人电脑基于LCL滤波器的模型可以描述给定的状态空间模型的以下方程:gydF4y2Ba 在状态空间gydF4y2BaxgydF4y2Ba_αgydF4y2Ba和gydF4y2BaxgydF4y2Ba_βgydF4y2Ba是选为gydF4y2Ba

矩阵的表达式gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba、输入矩阵gydF4y2BaBgydF4y2Ba_我gydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba_ggydF4y2Ba在附录中给出。的控制方法通常是在数字信号处理器中实现,需要转换成状态空间模型的连续时间离散时间模型首先通过计算状态转移方程。用抽样步骤时间gydF4y2BaTgydF4y2Ba_{年代gydF4y2Ba}到连续模型,电脑可以建模为方程(gydF4y2Ba8gydF4y2Ba)。预测步骤将使用此离散时间完成gydF4y2Ba

矩阵gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_dgydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba_idgydF4y2Ba,gydF4y2BaBgydF4y2Ba_gdgydF4y2Ba也在附录中给出。此外,直流环节电压平衡是另一个重要的点在一个三级转换器。控制算法应采取保证中性点的电压平衡(gydF4y2Ba27gydF4y2Ba]。之间的区别gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba和gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba应考虑对电能质量,消除其负面影响,尤其是对并且调和个人电脑的性能。gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba和gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba可以表示如下:gydF4y2Ba

CgydF4y2Ba_{直流gydF4y2Ba}代表个人侧电容器的电容。的差异gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba和gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba,表示gydF4y2BaΔugydF4y2Ba_{直流gydF4y2Ba},根据不同gydF4y2Ba

之间的区别gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba表示为gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_neugydF4y2Ba。然后,我们可以推断出之间的关系gydF4y2BaΔugydF4y2Ba_{直流gydF4y2Ba}和我gydF4y2Ba_neugydF4y2Ba作为gydF4y2Ba

最后,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_neugydF4y2Ba可以获得根据开关状态吗gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_{一个gydF4y2Ba},gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_bgydF4y2Ba,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_cgydF4y2Ba。gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba= 1时阶段gydF4y2BaxgydF4y2Ba(gydF4y2BaxgydF4y2Ba=gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba)的正电压转换器输出”gydF4y2BaPgydF4y2Ba”状态,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba在“0”状态= 0,gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_xgydF4y2Ba=−1“gydF4y2BaNgydF4y2Ba”状态。例如,如果变频器的运行状态是“P0N”,如图gydF4y2Ba4(一)gydF4y2Ba,gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_neugydF4y2Ba=−gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_a1gydF4y2Ba−gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_c1gydF4y2Ba= +gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_b1gydF4y2Ba,如果gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_b1gydF4y2Ba> 0,gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba将会增加,gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba将会减少;相比之下,gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba将会增加,gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba会减少gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_b1gydF4y2Ba< 0。数据gydF4y2Ba4 (b)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba4 (c)gydF4y2Ba也说明当电脑生成相应的条件“P00”和“0 nn”向量。可以看出P00和0 nn向量产生相反的效果gydF4y2BaΔugydF4y2Ba_{直流gydF4y2Ba}。gydF4y2Ba

最后,我们可以得到以下方程来预测gydF4y2BaΔugydF4y2Ba_{直流gydF4y2Ba}在接下来的时期gydF4y2Ba

3.3。简化优化策略gydF4y2Ba

传统FCSMPC策略,27种不同向量需要分别代替上述数学模型。但是,只有一小部分的完全控制是可能的候选向量和应该参与成本函数计算步骤在一个特定的控制。为了减少计算负担,大多数远离优化向量的向量可以排除容易被执行前一个粗略的估计准确的预测模型。gydF4y2Ba

出于这个原因,如果LCL滤波器的电容是假定为nonexisted首先,粗略估计的输出向量可以推导出相同的方式连续模型预测控制在一个单一的控制状态gydF4y2BalgydF4y2Ba过滤器(假设gydF4y2BalgydF4y2Ba=gydF4y2BalgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba+gydF4y2BalgydF4y2Ba_2gydF4y2Ba转换器为基础的)。在这种情况下,大约估计输出电压的电脑,表示gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2BaEgydF4y2Ba}和gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2BaEgydF4y2Ba},可以得到方程(gydF4y2Ba14gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

显然,的值gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2BaEgydF4y2Ba}和gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2BaEgydF4y2Ba}很有可能不平等,任何向量转换器可以直接生成。然而,优化向量必须找到附近的gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2BaEgydF4y2Ba}和gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2BaEgydF4y2Ba}。也就是说,只有附近的向量(gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2BaEgydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2BaEgydF4y2Ba}为下一个开关)是可能的候选人。另一个向量可以进一步优化过程中被丢弃。例如,如果gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2BaEgydF4y2Ba}= 0.5gydF4y2BaugydF4y2Ba_{蝙蝠gydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2BaEgydF4y2Ba}= 0.1gydF4y2BaugydF4y2Ba_{蝙蝠gydF4y2Ba},优化向量只会选择对所测试的子集,P0N PPN根据图和00 pgydF4y2Ba2gydF4y2Ba。因此,如何判断哪些向量最近的(gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2BaEgydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2BaEgydF4y2Ba}尽可能快地)是至关重要的简化算法减少计算负担的数字控制器。为此,中间整数gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba被定义为gydF4y2Ba

函数签名(gydF4y2BaygydF4y2Ba)返回输入数的极性gydF4y2BaygydF4y2Ba。如果gydF4y2BaygydF4y2Ba> 0,符号(gydF4y2BaygydF4y2Ba)= 1;否则,符号(gydF4y2BaxgydF4y2Ba)返回0。在那之后,的起源gydF4y2BaαβgydF4y2Ba飞机可以引用一个小的六个顶点向量。基于这种方法,复杂的三级调制可以减少到一个两级。我们可以修改之间的关系gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2Ba米gydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2Ba米gydF4y2Ba}和原始信号gydF4y2Ba

从上面的方程,gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2Ba0gydF4y2Ba}和gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2Ba0gydF4y2Ba}可以得到:gydF4y2Ba

重新定义虚拟原点后,向量的位置在一个六角应该推断。为了实现这一目标,辅助整数gydF4y2BadgydF4y2Ba,gydF4y2BaegydF4y2Ba,gydF4y2BafgydF4y2Ba被定义为gydF4y2Ba

根据方程(gydF4y2Ba18gydF4y2Ba),一个新的整数gydF4y2BaNgydF4y2Ba被定义为gydF4y2Ba

通过计算的价值gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba,gydF4y2BabgydF4y2Ba,gydF4y2BacgydF4y2Ba,gydF4y2BaNgydF4y2Ba的位置(gydF4y2BaugydF4y2Ba_{αgydF4y2Ba米gydF4y2Ba},gydF4y2BaugydF4y2Ba_{βgydF4y2Ba米gydF4y2Ba})在一个六边形可以推导出如图gydF4y2Ba5gydF4y2Ba。与此同时,表gydF4y2Ba1gydF4y2Ba列出了可能的候选向量详尽的条件。gydF4y2Ba

然后,各自的向量是代替从方程(给出的准确的预测模型gydF4y2Ba6gydF4y2Ba)方程(gydF4y2Ba13gydF4y2Ba),旨在选择最好的向量将成为活跃在接下来的时期。使用这种方法后,只需要5 - 7向量被认为是在准确的计算步骤。这很大程度上有助于减少计算时间消耗的电脑相比,传统的模型预测控制算法。注意,事实上,它是不必要的计算这三个零矢量预测。如果可能选择向量在接下来的时期是零向量,这些零向量影响电网电流和直流电压以同样的方式。因此,选择优化的矢量是一个可以降低开关频率最低。例如,如果最后的状态是“PP0”,因为只有“购买力平价”将被选择gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_c1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_c3gydF4y2Ba在这种情况下参与切换过程。gydF4y2Ba

3.4。全面的状态观测器gydF4y2Ba

为了避免额外的不必要的传感器,采用全面的状态观测器。基于连续时间的状态观测器的配置gydF4y2BaαgydF4y2Ba设在组件如图gydF4y2Ba6gydF4y2Ba。的gydF4y2BaßgydF4y2Ba设在观察者有相同的结构gydF4y2BaαgydF4y2Ba设在。的gydF4y2BaαgydF4y2Ba设在状态观测器在连续时间域模型gydF4y2Ba

因为gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{αgydF4y2Ba1gydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{βgydF4y2Ba1gydF4y2Ba}电脑是不可或缺的变量直接探测电流传感器控制,他们选择构造状态观测器的反馈回路设置输出矩阵gydF4y2BaCgydF4y2Ba(1 0 0)gydF4y2Ba^TgydF4y2Ba。为了验证状态观测器的可行性,应该首先认证的可观测性。我们可以看到在方程(gydF4y2Ba21gydF4y2Ba),可观测性矩阵的秩= 3,这是完整的排名,表明可以估计中的所有状态变量gydF4y2BaαgydF4y2Ba设在子系统。基于同样的原理,中的变量gydF4y2BaßgydF4y2Ba设在子系统也估计相同的方式gydF4y2BaαgydF4y2Ba设在子系统。gydF4y2Ba

矩阵gydF4y2BaKgydF4y2Ba执行的反馈增益矩阵的观测值校准真实物理系统中的值。通过调整gydF4y2BaKgydF4y2Ba可以任意设计,观察者的特征值。gydF4y2Ba

观测误差的响应gydF4y2BaΔxgydF4y2Ba_αgydF4y2Ba根据校准参数设置会有所不同。gydF4y2Ba

以保证观测误差的收敛,−KC的特征值是非常重要的。给出的特征多项式−KCgydF4y2Ba

特征多项式的根都应该定位在左半复平面,以避免一个不稳定的状态;否则,观测误差会发散到正无穷。通过运用丰富的标准,我们可以推导出参数gydF4y2BaKgydF4y2Ba_1gydF4y2Ba∼gydF4y2BaKgydF4y2Ba_3gydF4y2Ba应该满足的规则如下:gydF4y2Ba

反馈参数被确定后,很容易实现数字控制器的状态观测器利用后退欧拉法等一般离散化的解决方案。gydF4y2Ba

3.5。成本函数gydF4y2Ba

最后,应选择适当的成本函数完成整个算法。这是FCSMPC至关重要的一步。为了方法的控制输出电流和NP平衡,本文选择的成本函数gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2BaλgydF4y2Ba_i1gydF4y2Ba,gydF4y2BaλgydF4y2Ba_i2gydF4y2Ba,gydF4y2BaλgydF4y2Ba_ugydF4y2Ba,gydF4y2BaλgydF4y2Ba_udcgydF4y2Ba代表的考虑因素来调整控制目标的优先级。gydF4y2BaεgydF4y2Ba_i1gydF4y2Ba,gydF4y2BaεgydF4y2Ba_i2gydF4y2Ba,gydF4y2BaεgydF4y2Ba_ugydF4y2Ba表示引用和预测值之间的错误在未来。他们给出的表达式gydF4y2Ba

用成本函数的预测结果,适当的向量对应的最小值gydF4y2BaJgydF4y2Ba可以选择要发送的个人电脑优化grid-injected形成电流。gydF4y2Ba

4所示。仿真和实验结果gydF4y2Ba

为了评估电脑应用于贝丝的可行性的基础上,简化控制算法提出了本文基于MATLAB / Simulink进行仿真研究。然后,实验研究也在进行。仿真模型如图的图gydF4y2Ba7gydF4y2Ba。其主要电气参数表中列出gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

第一,个人电脑的稳态性能验证通过设置有功功率2300 W。同时,无功功率参考被迫实现统一动力操作是零。仿真波形如图gydF4y2Ba8(一个)gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba8 (c)gydF4y2Ba。可以看出,每一阶段的输出电压3 l-vsc有三种状态,根据图线电压有五个州gydF4y2Ba8(一个)gydF4y2Ba。grid-injected电流具有相同的频率和相角与电网电压,其证实功率因数(PF) = 1.0。grid-side电压和电流的三相波形见图gydF4y2Ba8 (b)gydF4y2Ba。对称的栅极电流的振幅是10。这对应的参考。此外,它可以调整功率因数通过将无功功率设置为不同的值。在图gydF4y2Ba8 (c)gydF4y2Ba的电网电压导致电流大约25°后设置无功功率参考1100 Var。PF是0.9。功率因数可以准确地按照命令。作为补充,为蓄电池充电操作进行类似的测试。数据gydF4y2Ba9(一个)gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba9 (c)gydF4y2Ba显示仿真波形。gydF4y2Ba

提出的控制策略的动态性能测试通过执行一个完整的权力之间的过渡充电和放电条件。图gydF4y2Ba10 ()gydF4y2Ba显示了模拟瞬态响应当电脑从卸货操作在额定功率充电操作。此外,图gydF4y2Ba10 (b)gydF4y2Ba显示模拟瞬态响应当电脑充电放电条件的变化。可以看出,动态过程结束大约5 ms,可满足响应速度的要求在大多数情况下。gydF4y2Ba

为三级能量转换拓扑分裂直流环节电容,直流环节的平衡是非常重要的。因此,直流电压均衡控制的效果实现集成在FCSMPC还测试了基于仿真模型。图gydF4y2Ba11gydF4y2Ba显示控制算法的仿真结果进行比较有和没有NP平衡策略。开始模拟,平衡算法通过设置关闭gydF4y2BaλgydF4y2Ba_udcgydF4y2Ba零到200 ms。激活平衡算法后,我们可以发现不同的直流电压gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba和gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba重新开始收敛。最后,gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc1gydF4y2Ba约等于gydF4y2BaugydF4y2Ba_dc2gydF4y2Ba。在仿真结果的基础上,我们可以得出这样的结论:直流环节是均衡的。gydF4y2Ba

然后,状态观测器的性能进一步测试。图gydF4y2Ba12(一个)gydF4y2Ba比较实际和估计的价值gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{ggydF4y2BaαgydF4y2Ba}和gydF4y2Ba我gydF4y2Ba_{ggydF4y2BaβgydF4y2Ba}在放电的情况。与此同时,图gydF4y2Ba12 (b)gydF4y2Ba比较了估计滤波电容器的电压和实际价值gydF4y2BaαβgydF4y2Ba参考系。数据gydF4y2Ba12gydF4y2Ba(c)和gydF4y2Ba12gydF4y2Ba(d)给类似的仿真结果在充电操作状态。这些仿真结果的基础上,融合的观察者可以证实。由于实际数值之间的相似性和估计的值,它是可行的,将实际值替换为从观察者的估算值。gydF4y2Ba

最后,在一些特定的应用程序,电脑需要处理连接到电网不平衡的问题。因此,有必要来验证所提出的控制方法能够抵抗非理想的网格的负面影响。数据gydF4y2Ba(13日)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba13 (b)gydF4y2Ba显示仿真结果对个人电脑连接电网不平衡时。放电和充电条件模拟中考虑。我们可以看到,个人电脑通常在这种情况下工作。电能质量的grid-injected电流是可以接受的,即使三相电网电压不对称。gydF4y2Ba

为了进一步验证理论分析的正确性和控制算法,一个衣架3 l pc实验平台构建在实验室和一系列测试原型的基础上进行。原型完全相同的参数表给出的仿真模型gydF4y2Ba2gydF4y2Ba。图gydF4y2Ba14gydF4y2Ba显示了原型的照片。IKW40T120 igbt选择主开关(gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x1gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x4gydF4y2Ba)。选择FGA40N65SMD igbt辅助开关(gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x2gydF4y2Ba和gydF4y2Ba年代gydF4y2Ba_x3gydF4y2Ba)。驱动电路的半导体开关是基于1 edi20i12af。TMS320F28335执行作为主要的数字控制器。原型的直流终端连接到可编程直流电源浓度62150 h - 600。电网电压是由可编程交流电源模拟浓度61830和提供给交流终端的原型。一个GWinstek MDO2204ES示波器用于捕获电压和电流信号。gydF4y2Ba

首先,衣架式3 l pc的稳态性能测试和验证。基于原型获得的波形如图所示gydF4y2Ba15gydF4y2Ba。数据gydF4y2Ba(15日)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba15 (b)gydF4y2Ba显示测试结果为名义在额定功率电池放电和充电操作。我们可以看到grid-injected电流是正弦和维护相位角和频率与电网电压相同,以保证功率因数统一操作。如果功率因数不等于1.0,电脑能够提供或从电网吸收无功功率要求/。数据gydF4y2Ba15 (c)gydF4y2Ba和gydF4y2Ba15 (d)gydF4y2Ba描述了测量波形在这种情况下,通过设置吩咐无功功率±1100 VA。可以看出,一个明显的相位差(大约25°)之间产生电压和电流信号。图gydF4y2Ba15 (e)gydF4y2Ba显示输出线电压的衣架3 l pc。线电压有五个级别。因此,它包含更少的电压谐波相比2 l pc。实验结果图gydF4y2Ba15gydF4y2Ba很明显确认讨论的控制算法的正确性和可行性。gydF4y2Ba

之后,一系列的实验来验证动态性能的pc原型的基础上,提出了控制方法。图gydF4y2Ba(16日)gydF4y2Ba显示了获得电网电压和电流波形在额定功率当电脑开始放电。同样,图gydF4y2Ba16 (b)gydF4y2Ba说明了测量电网电压和电流波形当电脑开始在额定功率。它可以推导出计算机的启动过程是稳定的和快速的没有明显的振荡和超调。图gydF4y2Ba16 (c)gydF4y2Ba描绘了瞬态响应时电脑突然从卸货操作在额定功率充电操作。图gydF4y2Ba16 (d)gydF4y2Ba显示了一个反向的瞬态响应过渡。它可以发现瞬态事务最终在不到半个电网周期,这对大多数工业能源存储应用程序是可以接受的。我们可以看到,实验结果与仿真结果吻合较好,从而验证本文提出的算法的正确性。gydF4y2Ba

5。结论gydF4y2Ba

提出了一个简化的FCSMPC衣架式三级电脑战略应用于贝丝。简化反映在两个方面:(1)通过一个两步预测计算简化算法减少总的计算复杂性;(2)简化了传感器和采样电路采用全面的状态观测器来估计电容器电压和电网电流。此外,观察者能够正确估计的变量,这使得它可以保存在主电路中几个传感器。根据仿真和实验结果,我们可以得出结论,提出的控制策略是可行的和有效的。电脑的稳态和动态性能的基础上修改后的控制方法是可靠的充电或放电操作条件。gydF4y2Ba

附录gydF4y2Ba

矩阵的部分gydF4y2Ba3gydF4y2Ba定义如下:gydF4y2Ba 在哪里gydF4y2Ba

数据可用性gydF4y2Ba

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。gydF4y2Ba

的利益冲突gydF4y2Ba

作者宣称没有利益冲突。gydF4y2Ba

确认gydF4y2Ba

这项研究受到了中国国家自然科学基金(没有。51907119)和上海航行程序(没有。19 yf1418700)。gydF4y2Ba