摘要:帶輸出LC濾波器的電壓源逆變器(VSI)可以降低正弦輸出電壓中的低頻諧波含量。鑒于此,研究了在輸出負(fù)載未知的情況下,利用觀測器估計(jì)輸出負(fù)載電流,通過有限控制集模型預(yù)測控制算法實(shí)現(xiàn)對電壓源逆變器及負(fù)載的高性能控制。最后,通過仿真實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證所提方法的有效性。
關(guān)鍵詞:LC濾波器;電壓源逆變器;觀測器;有限控制集
中圖分類號:TM921.02" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A" " 文章編號:1671-0797(2024)17-0051-03
DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.012
0" " 引言
帶輸出LC濾波器[1]的電壓源逆變器(VSI)在可再生能源、高性能驅(qū)動(dòng)、分布式發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,在這些應(yīng)用中,主要控制目標(biāo)是不管輸出負(fù)載大小,均可輸出低頻諧波含量較低的正弦電壓。有限控制集模型預(yù)測控制(FCS-MPC)是當(dāng)前在工程控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的先進(jìn)控制方法[2],該方法充分利用變流器的離散特性本質(zhì),構(gòu)建一個(gè)預(yù)測模型,并通過滾動(dòng)預(yù)測,輸出某一時(shí)刻下使價(jià)值函數(shù)最小的最優(yōu)電壓矢量[3]。
有學(xué)者提出,通過使用觀測器來估計(jì)輸出負(fù)載電流,可減少額外的電流傳感器,從而降低系統(tǒng)成本[4-5]。本文以不間斷電源(UPS)為應(yīng)用背景,提出通過設(shè)計(jì)針對未知負(fù)載信息的電流觀測器,結(jié)合有限控制集模型預(yù)測控制算法,實(shí)現(xiàn)帶LC濾波器的兩電平電壓源逆變器輸出高質(zhì)量負(fù)載電流。
1" " 基于LC濾波器的逆變器模型預(yù)測控制
1.1" " 系統(tǒng)模型
1.2" " 模型預(yù)測控制算法
2" " 觀測器設(shè)計(jì)
3" " 仿真試驗(yàn)
為了驗(yàn)證所提出的基于未知輸入觀測器的模型預(yù)測控制策略的有效性,進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。三相負(fù)載由每相串聯(lián)的電阻和電感組成,參考電壓是幅值為230 V、頻率為50 Hz的三相正弦電壓,直流電壓vdc=700 V,濾波器電感L=2 mH,濾波器電容C=50 μF,采樣頻率T=40 μs,初始負(fù)載R0=60 Ω、L0=20 mH。
為了評估整個(gè)系統(tǒng)的性能,需要評估FCS-MPC控制器和觀測器的性能。圖2所示為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行結(jié)果,可以看出,系統(tǒng)輸出電壓、電流具有很好的正弦特性,并能實(shí)現(xiàn)良好的噪聲抑制,即所提FCS-MPC算法可實(shí)現(xiàn)以很小的低頻誤差和很低的高頻紋波跟蹤參考電流變化。
為了評估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,負(fù)載由R0=60 Ω、L0=20 mH變化至R1=15 Ω、L1=20 mH。由圖3可以看出,即使在負(fù)載階躍條件下,系統(tǒng)也能正常工作,保持低頻誤差和高頻紋波的能力與連接負(fù)載無關(guān)。其主要原因是,新提出的觀測器荷載模型準(zhǔn)確,更符合實(shí)際荷載,所以可以很好地估測輸出電流。因此,可以為特定負(fù)載調(diào)整設(shè)計(jì)常數(shù),并期望實(shí)現(xiàn)與任何其他負(fù)載值相同的系統(tǒng)性能。
4" " 結(jié)論
在不間斷電源中,連接的負(fù)載特性并不總是已知的,因此,使用觀測器可以在沒有額外電流傳感器的情況下估測負(fù)載輸出電流。本文考慮到負(fù)載電流的預(yù)期行為,設(shè)計(jì)未知輸入觀測器,通過模型預(yù)測控制方法對輸出電壓進(jìn)行跟蹤控制。實(shí)際結(jié)果表明,系統(tǒng)整體具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和可快速響應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能,該觀測器可以保持很好的系統(tǒng)性能而不受輸出負(fù)載變化的影響,可以適用于負(fù)載變化頻繁的工程領(lǐng)域。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 李永堅(jiān),黃紹平.帶LC濾波的三相逆變器的比例諧振控制[J].電力電子技術(shù),2011,45(6):76-78.
[2] 霍智偉,裴旭東.基于FCS-MPC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[J].機(jī)電信息,2023(13):78-81.
[3] KOURO S,CORTES P,VARGAS R,et al.Model Predictive Control—A Simple and Powerful Method to Control Power Converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(6):1826-1838.
[4] 彭思齊,蔣雨函,蘭志勇,等.永磁同步電機(jī)新型指數(shù)型自適應(yīng)滑模觀測器無傳感器控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2022,26(5):104-114.
[5] 胡志坤,孫巖,姜斌,等.一種基于最優(yōu)未知輸入觀測器的故障診斷方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào),2013,39(8):1225-1230.
收稿日期:2024-05-13
作者簡介:李志軍(1994—),男,甘肅人,助理工程師,研究方向:高低壓電器產(chǎn)品檢測。
通信作者:裴旭東(1990—),男,甘肅人,高級工程師,研究方向:發(fā)輸變電工程及高電壓技術(shù)。