基于模型预测控制的PWM整流器控制

顾庆涛 许宇龙

摘 要：对于传统的整流器控制，均采用基于矢量控制、滞环控制抑或直接功率控制等控制方法進行研究的，在精度上和响应速度上均受到较大的限制。本文针对模型预测控制在PWM整流器上的应用进行了详细的阐述，详细解析了基于功率模型的整流器预测控制策略，从理论分析上验证了该策略的有效性。该策略克服了传统控制策略下整流器控制精度低，响应速度慢等特点。表现出良好的优越性。

关键词：模型预测控制；PWM整流器

由于模型预测控制在控制上得天独厚的优点，考虑到现有的PWM整流器在传统控制中的诸多缺陷，人们逐步实践将MPC应用于这些电力电子系统中。同时，由于早年间的控制器在计算能力上的不足，导致了预测控制在这些领域只能应用在动态响应区间较为宽松的系统下作用。[1]随着控制理论技术的发展，结合电力电子系统的特点，提出了脱离传统控制影响的MPC控制，[3]得到了具有更快动态响应，更灵活的目标优化以及更好的脉冲发射效果。同时，在预测控制的逐步发展中，逐步的将各种输入约束转变为对某一目标函数求极值的问题，即：

该思路极大的提升了预测控制的便捷性，提升了控制效率。[4]本文针对模型预测控制在整流器的的应用上进行了详细的分析。给出了基于模型预测控制的具体思路。

1 整流器数学模型

三相PWM整流器的控制结构如图所示，每次有两个开关管导通，且每一组上下两个不能同时导通。[5]

2 模型预测控制的整流器控制

经过上面的分析可以看出，模型预测控制主要有四个重要特征：具有预测模型；在有限时域内滚动优化；完整有效的价值函数以及具有反馈校正。[6]

（1）具有预测模型。确立正确的模型是执行预测控制的第一步，只有准确完整的建立预测模型，才是保证预测控制的基本，因此，模型预测控制需要首先对系统建立预测模型。

（2）在有限区域内滚动优化。由于预测时域主要是预测从当前时刻开始到k+n时刻的系统输出，控制时域则是系统在预测时域的前m步保持变化，超出m步的保持不变。[7]故而体现了其有限时域内在价值函数的基础上滚动循环的特性。

（3）反馈校正。即使存在预测模型，任然需要引入反馈校正结构，才能真正保证得到最优的模型预测控制。[8]基于上述分析，展开基于整流器对模型预测控制的研究。由于开关矢量的有限化，确保了应用于整流器的预测控制是基于有限集的预测控制，遍历所有的开关矢量作用结果，产生不同的功功率变化率，带入预测功率计算值，便可得到所有情况下的功率预测结果，对比目标函数，求取最小值，便可得到其最优结果。将对用的电压矢量输出，便可以完成最优控制。

用一阶线性微分方程对上述进行替换，假设每个单位时间即系统每个周期得时间，所以可以得到每个开关周期得有功功率和无功功率得预测值。即：

由此，在保证系统始终使用最优控制的基础上，提出利用k+1时刻的功率满意值与预测值间做差，得出价值函数，即：

求得价值函数最小数值时方可得到当前最优控制输出策略。

3 结论

本文针对模型预测控制在PWM整流器上的应用进行了详细的阐述，详细解析了基于功率模型的整流器预测控制策略，从理论分析上验证了该策略的有效性。该策略克服了传统控制策略下整流器控制精度低，响应速度慢等特点。表现出良好的优越性。

参考文献：

[1]Patel H S，Hoft R G.Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters：Part II ——Voltage Control Techniques[J].IEEE Transactions on Industry Applications，1974，IA-10（5）：666-673.

[2]Rodriguez J，Bernet S，Steimer P K，et al.A Survey on Neutral-Point-Clamped Inverters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2010，57（7）：2219-2230.

[3]陈虹.模型预测控制[M].北京：科学出版社，2013.2-30.

[4]Richalet J，Rault A，Testud J L，et al.Model predictive heuristic control： Applicationto industrial processes.Automatica，1978，14： 413-428.

[5]Maciejowski J M.Predictive control with constraints.UK： Prentice Hall，Harlow，2000.

[6]Cutler C R，Ramaker B L.Dynamic Matrix Control - A computer control algorithm，in Proc.Joint Automatic Control Conference，San Francisco，CA，1980.

[7]席裕庚.预测控制[M].北京：国防工业出版社，1991.17-22.

[8]王伟.广义预测控制理论及其应用.北京：科学出版社，199S.