基于模型预测的APF电路的控制方法和控制装置与流程

本发明涉及数据通信，具体而言，涉及一种基于模型预测的apf电路的控制方法、控制装置、计算机可读存储介质和apf电路控制系统。

背景技术：

1、随着大量电力电子装置被应用于电力系统源、网、荷、储环节，在提升电力系统运行控制灵活性的同时，也带来了电网宽频谐波问题。一方面，电力电子装置自身即构成谐波源，其内部功率半导体开关动作会带来可观的高频谐波；另一方面，装置间的相互影响导致谐波的传递与演化机制更为复杂，呈广域化、宽频化特征。谐波的存在会导致电能质量下降、设备加速老化、测量通讯受扰等问题，须加以抑制。而基于电力电子技术的有源电力滤波器（apf）具有运行控制灵活的特点，可实现对动态谐波的跟踪补偿，滤波带宽较高，近年来常被应用于配电网的谐波治理。但性能上仍有提升空间：1）尽可能吸收配电网中谐波电流；2）同时保证不引入新的谐波电流。高性能的apf控制策略亟待深入研究。

2、为了满足apf的功能要求和实现对更高频率电流谐波的跟踪调节，目前常见的apf控制策略主要有三种，有基于重复控制的控制策略，该控制策略将误差信号逐周期累加到输出信号上，直到误差信号为零，从而达到参考电流等于实际补偿电流；有基于滑膜控制的控制策略，该控制策略利用误差切换函数，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，使得apf输出补偿电流收敛于由参考值确定的平衡点；有基于有限集模型预测的控制策略，该控制策略根据状态方程预测下一时刻的网侧电流、逆变侧电流及滤波器电容电压，通过遍历算法选取最优开关状态，实现apf的非线性控制。

3、上述方法存在以下缺点：

4、1、现有基于重复控制的控制策略，该控制策略在参考电流不等于实际补偿电流的情况下，将误差信号逐周期累加到输出信号上，直到误差信号为零，从而达到参考电流等于实际补偿电流，但该策略由于延时环节的存在，使得输出电流滞后参考值一个工频周期。而本专利提出计及离散系统时延问题的多目标优化模型预测控制策略，从而解决电流跟踪周期滞后问题。

5、2、有基于滑膜控制的控制策略，该控制策略利用误差切换函数，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，使得apf输出补偿电流收敛于由参考值确定的平衡点，但该策略会因系统会在预设滑模状态附近发生抖动现象，会导致附加的输出电流抖振，影响系统的控制精度和稳定性，增加能量损耗。而本专利所提出的方法不会有抖振现象，可以通过设定合理的预测步长得到良好的控制精度，也不会出现额外的能量损耗。

6、3、有基于有限集模型预测的控制策略，该控制策略根据状态方程预测下一时刻的网侧电流、逆变侧电流及滤波器电容电压，通过遍历算法选取最优开关状态，实现apf的非线性控制。但该控制策略需要测量到状态方程中所涉及到的所有变量，导致测量系统复杂。而本专利所提出的方法借助卡尔曼滤波预测apf逆变侧电流，从而简化测量系统。

技术实现思路

1、本技术的主要目的在于提供一种基于模型预测的apf电路的控制方法、控制装置、计算机可读存储介质和apf电路控制系统，以至少消除了时延影响，实现了通过简单系统对apf电路进行精准控制。

2、为了实现上述目的，根据本技术的一个方面，提供了一种基于模型预测的apf电路的控制方法，所述apf电路第一电容、第二电容和lcl滤波器，所述lcl滤波器包括逆变侧电感、滤波电容和网侧电感，所述第一电容与所述第二电容串联，用于提供直流电压，所述lcl滤波器与系统相连，所述方法包括：对所述apf电路进行拓扑得到第一拓扑图，并根据所述第一拓扑图确定多个第一电气量，所述第一电气量包括第一目标电压、第二目标电压、第三目标电压、第一目标电流和第二目标电流，所述第一目标电压为所述逆变侧电感的电压，所述第二目标电压为所述滤波电容的电压，所述第三目标电压为所述网侧电感的电压，所述第一目标电流为所述逆变侧电感的电流，所述第二目标电流为网侧电感的电流；对各所述第一电气量进行派克变换得到对应第二电气量并根据基尔霍夫定律构建各所述第二电气量之间的关系得到第一公式组，所述第二电气量包括与所述第一电气量对应的多个直轴分量和交轴分量；采用前向差分法对所述第一公式组进行离散化，并构建对应的空间状态方程得到第二公式组；采用中性点钳位拓扑将所述apf电路中各相的输出电压用开关函数描述得到第三公式组，根据第一预设条件、第二预设条件和所述第二公式组对所述第三公式组进行求解得到所述apf电路的控制输入，所述第一预设条件为所述apf电路所述第二目标电流为预设电流，所述第二预设条件为所述apf电路中性点电压与预设电压的差值小于第一阈值。

3、可选地，在构建对应的空间状态方程得到第二公式组之后，所述方法还包括：根据所述第二公式组构建卡尔曼滤波状态预测方程：；；；其中，为k时刻电气量的先验估计，a为状态矩阵，b为输入矩阵，为k-1时刻任意一个所述第一电气量或所述第二电气量，由输入向量和干扰量确定，r为噪声方差矩阵，为k时刻状态观测器输出矩阵，h为观测矩阵，q为测量噪声方差矩阵，为k时刻任意一个所述第一电气量或所述第二电气量，为k时刻所述第二目标电压，为k时刻所述第二目标电流；根据卡尔曼滤波状态预测方程，进行误差协方差预测：；；其中，为对应的先验误差，为k-1时刻的后验误差矩阵，为的协方差，先验误差矩阵；根据卡尔曼滤波状态预测方程，计算卡尔曼滤波增益：；其中，为卡尔曼滤波增益矩阵；根据卡尔曼滤波状态预测方程，计算后验估计得到估计电气量：；其中，为所述后验估计。

4、可选地，对各所述第一电气量进行派克变换得到对应第二电气量并根据基尔霍夫定律构建各所述第二电气量之间的关系得到第一公式组，包括：对所述第一目标电压进行派克变换得到第一电压和第二电压，所述第一电压为所述第一目标电压的直轴分量，所述第二电压为所述第一目标电压的交轴分量；对所述第二目标电压进行派克变换得到第三电压和第四电压，所述第三电压为所述第二目标电压的直轴分量，所述第四电压为所述第二目标电压的交轴分量；对所述第三目标电压进行派克变换得到第五电压和第六电压，所述第五电压为所述第三目标电压的直轴分量，所述第六电压为所述第三目标电压的交轴分量；对所述第一目标电流进行派克变换得到第一电流和第二电流，所述第一电流为所述第一目标电流的直轴分量，所述第二电流为所述第一目标电流的交轴分量；对所述第二目标电流进行派克变换得到第三电流和第四电流，所述第三电流为所述第二目标电流的直轴分量，所述第四电流为所述第二目标电流的交轴分量；根据所述第一电压、所述第二电压、所述第三电压、所述第四电压、所述第五电压、所述第六电压、所述第一电流、所述第二电流，所述第三电流和所述第四电流构建所述第一公式组：，，，，；；；；其中，为所述第一目标电流，为所述第一电流和所述第二电流，为所述第二目标电流，为所述第三电流和所述第四电流，为所述第一目标电压，为所述第一电压和所述第二电压，为所述第二目标电压，为所述第三电压和所述第四电压，为所述第三目标电压，为所述第五电压和所述第六电压，为系统频率对应的角速度，为所述滤波电容的电容，为所述逆变侧电感的电感，为所述网侧电感的电感。

5、可选地，采用前向差分法对所述第一公式组进行离散化，并包括：采用前向差分法对所述第一公式组进行离散化：；其中，为开关频率对应的周期，为k+1时刻任意一个所述第一电气量或所述第二电气量。

6、可选地，构建对应的空间状态方程得到第二公式组，包括：

7、根据离散化后的apf电路的各所述第一电气量或所述第二电气量在dq坐标系下构建空间状态方程：；；；；。

8、可选地，采用中性点钳位拓扑将所述apf电路中各相的输出电压用开关函数描述得到第三公式组，包括：采用中性点钳位拓扑将所述apf电路中各相的输出电压用开关函数描述：；；其中，为apf电路的a相、b相和c相，当，开关管t1、t2导通，t3、t4关断，，输出状态p，为所述直流电压，为第x相的输出电压，当，开关管t2、t3导通，开关管t1、t4关断，，输出状态q，当，开关管t3、t4导通，开关管t1、t2关断，，输出状态n。

9、可选地，根据第一预设条件、第二预设条件和所述第二公式组对所述第三公式组进行求解得到所述apf电路的控制输入，包括：根据所述第二预设条件构建对应方程得到第四公式组：；；其中，为k+1时刻的中性点电流，为k+1时刻x相的所述第一目标电流为k+1时刻x相的输出电压，为k+2时刻中性点电压，为k+1时刻所述第一电容的电压，为k+1时刻所述第二电容的电压；在所述第四公式组成立的情况下，根据所述第一预设条件对所述第三公式组求解所述第一目标电流：；；；；；；其中，为k+3时刻所述第三电压的参考值，为k+4时刻所述第三电流的参考值，为k+3时刻所述第三电流的参考值，为k+3时刻所述第五电压，为k+3时刻所述第四电压的参考值，为k+4时刻所述第四电流的参考值，为k+3时刻所述第四电流的参考值，为k+3时刻所述第六电压，为k+2时刻所述第三电压的参考值，为k+2时刻所述第三电流的参考值，为k+2时刻所述第五电压，为k+2时刻所述第四电压的参考值，为k+2时刻所述第四电流的参考值，为k+2时刻所述第六电压，为k+1时刻所述第一电流的参考值，为k+1时刻所述第二电流参考值；基于所述第一目标电流确定所述第一目标电压，并根据所述第一目标电压计算误差价值函数：；其中，为所述误差价值，为k+2时刻所述第一电流，为k+2时刻所述第二电流；根据对应误差价值函数最小值的所述第一目标电压确定对应的状态矢量，根据矢量状态确定所述控制输入，其中，在对应的状态矢量大于第二阈值的情况下，将对应的所述开关函数确定为所述控制输入，在对应的状态矢量小于或等于所述第二阈值且大于第三阈值的情况下，根据公式计算中性点电压价值函数，将中性点价值函数最小值对应的所述开关函数确定为所述控制输入，在对应的状态矢量为零矢量的情况下，将确定为所述控制输入。

10、根据本技术的另一方面，提供了一种基于模型预测的apf电路的控制装置，所述apf电路第一电容、第二电容和lcl滤波器，所述lcl滤波器包括逆变侧电感、滤波电容和网侧电感，所述第一电容与所述第二电容串联，用于提供直流电压，所述lcl滤波器与系统相连，所述装置包括：确定单元，用于对所述apf电路进行拓扑得到第一拓扑图，并根据所述第一拓扑图确定多个第一电气量，所述第一电气量包括第一目标电压、第二目标电压、第三目标电压、第一目标电流和第二目标电流，所述第一目标电压为所述逆变侧电感的电压，所述第二目标电压为所述滤波电容的电压，所述第三目标电压为所述网侧电感的电压，所述第一目标电流为所述逆变侧电感的电流，所述第二目标电流为网侧电感的电流；第一构建单元，用于对各所述第一电气量进行派克变换得到对应第二电气量并根据基尔霍夫定律构建各所述第二电气量之间的关系得到第一公式组，所述第二电气量包括与所述第一电气量对应的多个直轴分量和交轴分量；第二构建单元，用于采用前向差分法对所述第一公式组进行离散化，并构建对应的空间状态方程得到第二公式组；第一计算单元，用于采用中性点钳位拓扑将所述apf电路中各相的输出电压用开关函数描述得到第三公式组，根据第一预设条件、第二预设条件和所述第二公式组对所述第三公式组进行求解得到所述apf电路的控制输入，所述第一预设条件为所述apf电路所述第二目标电流为预设电流，所述第二预设条件为所述apf电路中性点电压与预设电压的差值小于第一阈值。

11、根据本技术的再一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行任意一种所述的方法。

12、根据本技术的又一方面，提供了一种apf电路控制系统，包括：一个或多个处理器，存储器，以及一个或多个程序，其中，所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于任意一种所述的方法。

13、应用本技术的技术方案，在上述基于模型预测的apf电路的控制方法中，首先，对上述apf电路进行拓扑得到第一拓扑图，并根据上述第一拓扑图确定多个第一电气量，上述第一电气量包括第一目标电压、第二目标电压、第三目标电压、第一目标电流和第二目标电流，上述第一目标电压为上述逆变侧电感的电压，上述第二目标电压为上述滤波电容的电压，上述第三目标电压为上述网侧电感的电压，上述第一目标电流为上述逆变侧电感的电流，上述第二目标电流为网侧电感的电流；然后，对各上述第一电气量进行派克变换得到对应第二电气量并根据基尔霍夫定律构建各上述第二电气量之间的关系得到第一公式组，上述第二电气量包括与上述第一电气量对应的多个直轴分量和交轴分量；之后，采用前向差分法对上述第一公式组进行离散化，并构建对应的空间状态方程得到第二公式组；最后，采用中性点钳位拓扑将上述apf电路中各相的输出电压用开关函数描述得到第三公式组，根据第一预设条件、第二预设条件和上述第二公式组对上述第三公式组进行求解得到上述apf电路的控制输入，上述第一预设条件为上述apf电路上述第二目标电流为预设电流，上述第二预设条件为上述apf电路中性点电压与预设电压的差值小于第一阈值。本技术通过构建lcl行数学模型，建立设计离散系统时延问题的多目标优化模型预测控制策略，通过在约束条件下对模型进行求解控制输入。该方法消除了时延影响，实现了通过简单系统对apf电路进行精准控制。