基于未知輸入觀測器的模型預(yù)測控制研究

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，研究了在輸出負載未知的情況下，利用觀測器估計輸出負載電流，通過有限控制集模型預(yù)測控制算法實現(xiàn)對電壓源逆變器及負載的高性能控制。最后，通過仿真實驗，驗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" " 文獻標志碼：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、分布式發(fā)電、儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，主要控制目標是不管輸出負載大小，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）是當前在工程控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的先進控制方法[2]，該方法充分利用變流器的離散特性本質(zhì)，構(gòu)建一個預(yù)測模型，并通過滾動預(yù)測，輸出某一時刻下使價值函數(shù)最小的最優(yōu)電壓矢量[3]。

有學者提出，通過使用觀測器來估計輸出負載電流，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)計針對未知負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，實現(xiàn)帶LC濾波器的兩電平電壓源逆變器輸出高質(zhì)量負載電流。

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

3" " 仿真試驗

為了驗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，進行了仿真試驗。三相負載由每相串聯(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v_dc=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，初始負載R₀=60 Ω、L₀=20 mH。

為了評估整個系統(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，并能實現(xiàn)良好的噪聲抑制，即所提FCS-MPC算法可實現(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)的動態(tài)性能，負載由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載無關(guān)。其主要原因是，新提出的觀測器荷載模型準確，更符合實際荷載，所以可以很好地估測輸出電流。因此，可以為特定負載調(diào)整設(shè)計常數(shù)，并期望實現(xiàn)與任何其他負載值相同的系統(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載輸出電流。本文考慮到負載電流的預(yù)期行為，設(shè)計未知輸入觀測器，通過模型預(yù)測控制方法對輸出電壓進行跟蹤控制。實際結(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)性能而不受輸出負載變化的影響，可以適用于負載變化頻繁的工程領(lǐng)域。

[參考文獻]

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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)。