[發明專利]一種背靠背轉換器的分布式模型預測控制方法

有效

• 申請號: 201710163794.7
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN106842958B
• 公開（公告）日: 2019-10-15
• 發明（設計）人: 金濤;蘇見燊;魏海斌;宗戈
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

1.一種背靠背轉換器的分布式模型預測控制方法，其特征在于，按照如下步驟實現：

步驟S1：構建一用于估計受控系統行為的離散時間非線性系統：

x(k+1)＝f(x(k),u(k))；

y(k)＝g(x(k),u(k))；

其中：x(k)、u(k)和y(k)分別表示在瞬時時間k，狀態、輸入和輸出向量，f(x(k),u(k))和g(x(k),u(k))為被控系統的隨時間變化的非線性函數；

步驟S2：根據時間步驟k的測量狀態值，在時間步驟h+1下，獲取期望的系統輸出y_ref(h+1)和預測系統輸出y(h+1/k)；

步驟S3：構建用于測量受控系統性能的二次成本函數通常是對角線矩陣,

其中：Q和R是正定義加權矩陣，e(h+1/k)＝y_ref(h+1)-y(h+1/k)是期望和預測輸出之間的差；

步驟S4：計算控制動作使得在整個預測水平N_p上的二次成本函數最小化；

步驟S5：將所述步驟S1中整個系統模型函數分解為M個子系統為：

x_r(k+1)＝f_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))；

y_r(k)＝g_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))；

其中，x_r(k)、u_r(k)和y_r(k)分別是子系統r的本地狀態、輸入和輸出；除了局部u_r(k)的矢量，u_-r(k)是包含所有控制輸入，即：

其中，M為整個系統分解后子系統個數；

步驟S6：對于第r個本地控制器，根據時間步驟k的測量狀態值，在時間步驟h+1的期望和預測的局部輸出之間的差為：

e_r(h+1/k)＝y_{ref_r}(h+1)-y_r(h+1/k)；

其中：y_{ref_r}(h+1)表示期望輸出和y_r(h+1/k)表示預測輸出；

步驟S7：以Q_r和R_r表示局部加權矩陣，即具有正元素的適當維度的對角矩陣；將局部模型替換為所述步驟S3中全局成本函數，即：

步驟S8：以表示本地控制器r的成本函數，從所述步驟S7全局成本函數中，記為：

則：

其中，r為本地控制器，表示在時間步驟k的最優局部控制動作的序列，表示剩余控制器的控制動作的序列；

步驟S9：為代替最小化每個控制器r相對于其自身的局部變量使最小；公式化每個局部MPC為：

約束條件：

x_r(h)∈X_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))為局部狀態的軌跡；

u_r(h)∈U_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))為本地輸入；

y_r(h)∈Y_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))為本地輸出；

其中，X_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))，U_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))和Y_r(x(k),u_r(k),u_-r(k))分別是局部狀態，局部輸入和局部輸出的可行集合；

步驟S10：通過建立的分布式模型預測控制對背對背轉換器的直接功率控制和直流鏈路電壓進行控制；在所述步驟S10中，還包括如下步驟：

步驟S101：通過Clark變換，記為系統的狀態向量，V_dc(h)分別是通過Clark變換，系統模型從自然參考坐標系(abc)變換為靜止參考坐標系(αβ)的轉置電流和電容器電壓；在每個采樣間隔內計算切換狀態S_1abc(t)和S_2abc(t)，是在通過Clark變換，系統模型從自然參考坐標系(abc)變換為靜止參考坐標系(αβ)的切換狀態；其中記以下局部成本函數被分別為：

其中：

e₁(k+1/k)＝[P_1ref-P₁(k+1/k),Q_1ref-Q₁(k+1/k),V_dcref-V_dc(k+1/k)]^T；

e₂(k+1/k)＝[P_2ref-P₂(k+1/k),Q_2ref-Q₂(k+1/k),V_dcref-V_dc(k+1/k)]^T；

對角矩陣且對角元素全為正；P_1ref，P_2ref為輸入輸出兩側的參考有功功率，Q_1ref，Q_2ref為兩側參考無功功率，V_dcref為參考電容器電壓，V_dc(k+1/k)為實時電容器電壓，P₁(k+1/k)，P₂(k+1/k)為兩側實時有功功率，Q₁(k+1/k)，Q₂(k+1/k)為兩側實時無功功率；

步驟S102：通過求解最小化問題得到的序列序列

約束條件為：

x₁(h)∈X₁(x(k),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

S_1αβ(h)∈U₁(x(k),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

P₁(h)∈Y_P1(x(k),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

Q₁(h)∈Y_Q1(x(k),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

步驟S103：通過求解最小化問題得到的序列

約束條件：

x₂(h)∈X₂(x(h),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

S_2αβ(h)∈U₂(x(h),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

P₂(h)∈Y_P2(x(h),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

Q₂(h)∈Y_Q2(x(h),S_1αβ(h),S_2αβ(h))；

其中：

P₁(h)∈Y_P1(x(k),S_1αβ(h),S_2αβ(h))和P₂(h)∈Y_P2(x(h),S_1αβ(h),S_2αβ(h))是轉換器每側的有功功率的控制集；

Q₁(h)∈Y_Q1(x(k),S_1αβ(h),S_2αβ(h))和Q₂(h)∈Y_Q2(x(h),S_1αβ(h),S_2αβ(h))是轉換器每側的無功功率的控制集；

步驟S104：計算參考有功功率，根據預設電容器V_dref處的電壓的期望值以及實際測量的電壓值V_dc，用于將電壓調節到期望值有功功率流的所需變化由下式給出：

其中，N表示達到期望值所需時間步長的期望數量，C是直流鏈路的電容，P_dc是有功功率流，T_s是采樣時間；

步驟S105：利用轉換器的α-β模型，通過Clark變換的有功和無功功率流預測如下：

其中，V_siα是有源電壓實軸的分量，V_siβ是有源電壓虛軸的分量，I_siα是有源電流實軸的分量，I_siβ是有源電流虛軸的分量；

給定電流和過去電壓的測量值，使用一階拉格朗日外推法計算下一時間步長的電壓：