级联多电平有源滤波器有限状态-模型预测控制方法研究

Finite-states model predictive control (FS-MPC) has some disadvantages in the multi-level cascaded active power filter applications, such as the switching frequency is not fixed, the value of reactor inductance shift impact on control performance, there exists large amount of calculation in optimization progress. In the subject, these issues will be studied combination the latest progress on model predictive control in power electronics. Firstly, constant switching frequency control method to be studied by adding an additional term to the cost function or using a new modulation algorithms; Secondly, filter inductance online estimation methods is proposed, on-line modifying predictive model to enhance the robustness of FS-MPC; Finally, optimization control method based on parts switching combination is proposed to reduce the optimization calculation of FS-MPC significantly, which lay a foundation for digital realization of FS-MPC for cascaded active power filter. According to theoretical analysis, on DSP and FPGA platform to explore the implementation of FS-MPC for active power filter based on cascaded multi-level inverter,aiming to provide technical support and scientific warrant for FS-MPC applications in other high-performance systems.

有限状态-模型预测控制(Finite-states model predictive control，FS-MPC)在级联多电平有源滤波器中应用，存在开关频率不固定、滤波电感参数漂移严重影响控制性能、指标函数寻优计算量大等不足。本课题结合模型预测控制在电力电子领域的最新进展，对上述问题进行系统研究，首先，对FS-MPC的脉冲触发方式进行研究，从对指标函数增加约束条件和改进调制方法入手，探索使开关频率恒定的控制方法；其次提出滤波电感参数的在线估算方法，进而对预测模型进行在线修正，以显著增强FS-MPC的鲁棒性；最后，提出基于部分开关组合的寻优控制方法，以简化级联有源滤波器FS-MPC的寻优计算，为其数字化实现奠定基础。根据上述理论分析，在基于DSP和FPGA的试验平台上，对级联多电平有源滤波器改进FS-MPC方法进行验证，为FS-MPC在级联拓扑的其他高性能系统中应用提供理论依据和技术支持。

项目选择基于模型预测控制的H桥级联型APF系统作为研究对象，建立其离散化数学模型，在原有模型预测控制的基础上对系统模型进行了改进，并通过优化DSP的数字化实现过程，探索出消除控制延时的新方法。通过离散调制方法，研究预测电流控制与模型预测控制的区别与联系，探索出模型预测控制平均开关频率基本稳定的理论与方法，为系统的散热设计提供良好基础。为了增强系统鲁棒性，探讨交流电感的参数辨识方法，开展了遗忘因子对基于最小二乘法的系统参数辨识影响分析。利用传统预测电流控制算法对电压矢量进行初步定位，结合系统电流变化率，在小范围内选择电压矢量进行寻优计算，提出以局部替代整体的思想，大幅减小系统寻优计算量、降低开关器件的平均开关频率。最后，将模型预测控制方法拓展应用在模块化多电平拓扑中，取得了交流电流、环流抑制和电容电压平衡的良好控制效果。搭建实验样机对所提出的方法进行了实验验证，实验结果显示有限状态模型预测控制可使整体系统具备理想的电流跟踪速度，并具有较强的鲁棒性，尤其适合在APF中应用。本项目旨在解决FS-MPC在多电平系统中的关键技术难点，为其在级联拓扑的其他高性能系统中应用提供理论依据和技术支持。