带LC滤波器的电压源逆变器无电流传感器有限集模型预测控制

1 摘要

针对带LC滤波器的电压源逆变器(VSIs)，传统的有限集模型预测控制(FS-MPC)方案不仅需要测量电容电压和电感电流，还需要测量或估计负载电流，增加了系统的复杂性和成本。为了减少传统FS-MPC中传感器的数量，本文针对带LC滤波器的VSIs，提出了一种新型的无电流传感器的FS-MPC方案。首先，根据预测矩阵之间的内在关系，以电容电压和电容电流为状态变量，对预测模型进行了精确简化，使其适合于无电流传感器控制。

然后，为了消除电流传感器以降低成本和提高可靠性，重构了动态模型，设计了一种易于实现的电容电流估计器，其性能可与典型FS-MPC方案媲美。考虑到数字实现过程中不可避免的控制延迟，利用所提出的估计器获得延迟补偿。此外，所提出的控制方案对各种代价函数具有灵活性，并能降低计算量。通过与传统FS-MPC的对比仿真和实验结果，验证了所提控制方案在负荷变化和模型不匹配情况下的可行性。

2 主要工作和贡献

1、提出了一种用于带LC滤波器的VSIs的无电流传感器FS-MPC方案。通过合并预测矩阵，精确地简化了预测模型。将传统FS-MPC的预测变量转换为电容电压及其电流。

2、提出了一种易于实现的全阶电容电流估计器，以完全消除电流传感器，此观测器还实现了固有控制时滞补偿。

3、与传统FS-MPC方案在负荷变化和模型不匹配情况下的预测和控制性能进行对比，验证了所提控制方案的正确性。

3 方法流程

3.1 传统的有限集模型预测控制

图1：基于带LC滤波器VSI的传统的FS-MPC方案

根据传统FS-MPC的控制框图，可以得到如下连续和离散公式：

为了弥补固有的控制延时，进行二阶预测：

设置简单的代价函数（CF）：

其中*代表参考值，通过列举候选的电压矢量来选择能使CF最小化的最优电压矢量(即最优开关状态)，并将其应用于逆变器。

3.2 全阶电容电流估计器

为了设计电容电流估计器，对系统的动态模型进行重塑，由于采样时间比负载变化小得多，默认

可以得到如下连续和离散公式：

综合考虑所提方法的稳定性和动态响应速度，选择参数k1和k2：

3.3无电流传感器FS-MPC方法

将上述两种部分内容结合起来得到无电流传感器FS-MPC方法，具体的控制框图如图所示：

图2：所提的基于带LC滤波器VSI的无电流传感器FS-MPC方案

4 实验结果

4.1静态试验

图3：额定线性负载下稳态性能的实验比较

（a）传统FS-MPC （b）所提控制策略

图4：非线性负载下稳态性能的实验比较

（a）传统FS-MPC （b）所提控制策略

图5：FFT分析的实验比较

（a）传统FS-MPC （b）所提控制策略

图3和图4分别给出了传统FS-MPC和所提方案在线性负载和非线性负载下稳态电压跟踪性能的实验结果。展示了相位电压基准∗fa、电压反馈vfa、负载电流ioa和电压跟踪误差vfe。可以观察到，两种方法的性能没有显著差异。由于系统噪声的影响，所提出的控制方案只比典型的FS-MPC控制方案具有略大的电压跟踪误差。对应的快速傅里叶变换FFT分析结果如图5所示。结果表明两种控制方案在线性和非线性负载下的THD偏差均小于0.2%，表明所提控制方案具有与典型FS-MPC相媲美的稳态性能。

4.2动态试验

图6：标称线性负载阶跃下瞬态性能的实验比较 （a）传统FS-MPC （b）所提控制策略

图6描述了采用传统FS-MPC和所提控制方案的线性负载步长(开路到标称负载)瞬态响应的实验结果。展示了相位电压基准∗fa、电压反馈vfa、负载电流ioa和电压跟踪误差vf e。可以观察到，两种方法由负载步长引起的电压波动相似，因此对负载步长变化具有相似的鲁棒性。

上述实验验证了所提控制方案的正确性。

5 方法评估

本文提出了一种用于带LC滤波器的VSIs的无电流传感器FS-MPC方案。首先根据预测矩阵之间的内在关系对预测模型进行简化，使其适合于无电流传感器控制。为了消除传统FS-MPC方案中的电流传感器，利用重构的系统动态模型设计了一种易于实现的电容电流估计器，其性能与传统FS-MPC方案相当。为了克服数字控制时延带来的性能下降，该估计器直接用于实现固有时延补偿。此外，该控制方案具有可扩展性强、成本低、可靠性高等优点。在模型不匹配和负载变化情况下的仿真和实验结果验证了该控制方案的有效性，证明了该控制方案可以替代传统的FS-MPC控制方案用于带LC滤波器的VSIs。

6 阅读心得

本文提出了用于带LC滤波器的VSIs的无电流传感器FS-MPC方案，与传统的FS-MPC方案相比，此方法减少了电流传感器的使用，降低了系统成本，提高可靠性，并且获得了与传统FS-MPC近似的结果。此方法在多电平逆变器下同样适用。