1.本发明属于afe控制技术领域，具体涉及一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法。
背景技术：2.有源前端(active front end,afe)是一种采用全控型器件的整流器，与采用半控、不控器件的整流器相比，有可以调节输出直流电压，功率可双向流动等优点。
3.模型预测控制(model predictive control)于上世纪70年代被提出，是一种基于系统物理模型的控制方式。与传统控制方式相比，模型预测控制具有可方便调节控制目标、整定参数容易、鲁棒性强等优点。智利学者jos
é
rodr
í
guez等人将有限控制集模型预测控制(finite control set model predictive control,fcs-mpc)用于afe控制领域。其需要电压参考值和当前电压值之差，通过一个pi控制器生成有功功率参考信号。该信号响应较慢，不能对外加的电压阶跃信号及时响应，或产生一定超调量，在超过器件绝缘耐压水平时会损坏器件。
技术实现要素：4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，基于电路定律生成有功功率参考信号。
5.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
6.一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，包括：
7.步骤1、根据afe拓扑结构，将afe中交流测和直流侧电压、电流通过clark变换统一到αβ坐标系下，得到连续时间域内的afe数学模型；
8.步骤2、将连续时间域内的afe数学模型改写为离散域，忽略afe上电力电子器件的开关损耗和通态损耗，构建瞬时功率平衡原理生成在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号计算模型；
9.步骤3、采用设计动态电压参考信号的方法，结合参考信号计算模型计算在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号。
10.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
11.上述的步骤1得到的连续时间域内的afe数学模型为：
[0012][0013]
其中，is是交流侧电流，vs是交流侧电压，v
afe
是直流侧反电动势，ls、rs分别为交流侧rl滤波器的电阻值与电感值；
[0014]is
表示为：
[0015][0016]
其中，a＝e
j(2π/3)
，i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为交流侧a、b、c三相电流；
[0017]vs
表示为：
[0018][0019]vsa
、v
sb
、v
sc
分别为交流侧a、b、c三相电压；
[0020]vafe
表示为：
[0021][0022]vdc
为直流侧输出电压。当开关函数值sa,sb,sc对应的上桥臂器件导通时，sa,sb,sc值取1，反之取0。
[0023]
上述的步骤2将连续时间域内的afe数学模型改写为离散域，包括：
[0024]
将连续时间域内的式(1)改写为离散域：
[0025][0026]
上述的步骤2构建的参考信号计算模型为：
[0027]
p
in
(k+1)＝pr(k+1)+p
out
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0028]
其中，pr(k+1)为rl滤波器上电阻所消耗的功率，p
out
为afe输出功率；
[0029]
pr(k+1)表示为：
[0030][0031]
上述的步骤3包括：
[0032]
步骤31、计算动态电压参考信号；
[0033]
动态电压参考信号表示为：
[0034][0035]
其中，为给定的固定参考信号；
[0036]
n表示电压参考信号在n个时间步内达到稳态值，即此时
[0037]
步骤32、计算电容上的充电电流参考值：
[0038][0039]
计算负载电流参考值：
[0040][0041]
则直流侧输出电流参考值为：
[0042][0043]
步骤33、计算afe输出功率：
[0044][0045]
步骤34、将式(13)、(8)带入式(7)，解方程，得在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号为：
[0046][0047]
上述的方法还包括：步骤4、基于离散域的afe数学模型得到瞬时输入功率表达式，基于瞬时输入功率表达式和有源前端动态参考信号，计算每一组开关状态所对应的损失函数值，并选取最小损失函数值时的开关组合。
[0048]
上述的步骤4包括：
[0049]
步骤41、基于式(5)，得到瞬时输入功率表达式为：
[0050][0051]
步骤42、基于瞬时输入功率表达式(6)和式(14)，计算每一组开关状态所对应的损失函数值，并选取最小损失函数值时的开关组合；
[0052]
损失函数表达式为；
[0053][0054]
其中，为外部直接给定的参考无功功率。
[0055]
本发明具有以下有益效果：
[0056]
本发明通过瞬时功率平衡原理生成功率参考信号作为有源前端动态参考信号，所生成的参考信号响应迅速，没有超调量，在稳态下能正常工作。
附图说明
[0057]
图1为本发明实施例中afe拓扑结构；
[0058]
图2为传统控制策略；
[0059]
图3是本发明的控制策略；
[0060]
图4是本发明实施例中直流电压波形；
[0061]
图5是传统控制策略的电压波形；
[0062]
图6是传统控制策略和本发明的控制策略的功率波形。
具体实施方式
[0063]
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
[0064]
一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，包括：
[0065]
步骤1、根据如图1所示afe拓扑结构，在afe中，将交流测和直流侧电压、电流通过clark变换统一到αβ坐标系下，得到连续时间域内的afe数学模型：
[0066][0067]
其中，is是交流侧电流，vs是交流侧电压，v
afe
是直流侧反电动势，ls、rs分别为图3所示的交流侧rl滤波器的电阻值与电感值，
[0068]is
表示为：
[0069][0070]
其中，a＝e
j(2π/3)
，i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为交流侧a、b、c三相电流；
[0071]
其中a＝e
j(2π/3)
为一算子，vs表示为：
[0072][0073]vsa
、v
sb
、v
sc
分别为交流侧a、b、c三相电压；
[0074]vafe
表示为
[0075][0076]vdc
为直流侧输出电压；
[0077]
当开关函数值sa,sb,sc对应的上桥臂器件导通时，sa,sb,sc值取1，反之取0。
[0078]
步骤2、将连续时间域内的afe数学模型改写为离散域，忽略afe上电力电子器件的开关损耗和通态损耗，构建瞬时功率平衡原理生成在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号计算模型；
[0079]
步骤21、将连续时间域内的式(1)改写为离散域：
[0080][0081]
步骤22、忽略afe上的开关损耗和通态损耗，构建瞬时功率平衡原理生成在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号计算模型：
[0082]
p
in
(k+1)＝pr(k+1)+p
out
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0083]
其中，pr(k)为rl滤波器上电阻所消耗的功率，p
out
为afe输出功率；
[0084]
pr(k+1)表示为：
[0085][0086]
步骤3、采用设计动态电压参考信号的方法，结合参考信号计算模型计算在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号。
[0087]
步骤31、计算动态电压参考信号；
[0088]
动态电压参考信号表示为：
[0089][0090]
其中，为给定的固定参考信号，是系统最终希望达到的直流电压值；
[0091]
n是一给定的常数，代表电压参考信号在n个时间步内达到稳态值，即此时
[0092]
步骤32、计算电容上的充电电流参考值：
[0093][0094]
计算负载电流参考值：
[0095][0096]
则直流侧输出电流参考值为：
[0097][0098]
步骤33、计算afe输出功率：
[0099][0100]
步骤34、将式(13)、(8)带入式(7)，解方程，得在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号为：
[0101][0102]
改进得到有源前端动态参考信号(14)后，后续afe控制具体为：
[0103]
步骤4、基于离散域的afe数学模型得到瞬时输入功率表达式，基于瞬时输入功率表达式和有源前端动态参考信号，计算每一组开关状态所对应的损失函数值，并选取最小损失函数值时的开关组合。
[0104]
步骤41、基于式(5)，得到瞬时输入功率表达式为：
[0105][0106]
步骤42、基于瞬时输入功率表达式(6)和式(14)，计算每一组开关状态所对应的损失函数值，并选取最小损失函数值时的开关组合；
[0107]
损失函数表达式为；
[0108][0109]
其中，为外部直接给定的参考无功功率。
[0110]
图2和图3分别为传统控制策略和本发明的控制策略，图4是本发明控制策略的直流电压波形，图5是传统控制策略的电压波形，图6是传统控制策略和本发明控制策略的功
率波形。
[0111]
根据图4-6可以看出，从电压波形看，本发明所采用的控制策略响应速度较快，从功率波形看，本发明所采用的控制策略超调较小。
[0112]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
技术特征：1.一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，包括：步骤1、根据afe拓扑结构，将afe中交流测和直流侧电压、电流通过clark变换统一到αβ坐标系下，得到连续时间域内的afe数学模型；步骤2、将连续时间域内的afe数学模型改写为离散域，忽略afe上电力电子器件的开关损耗和通态损耗，构建瞬时功率平衡原理生成在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号计算模型；步骤3、采用设计动态电压参考信号的方法，结合参考信号计算模型计算在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号。2.根据权利要求1所述的一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，所述步骤1得到的连续时间域内的afe数学模型为：其中，i
s
是交流侧电流，v
s
是交流侧电压，v
afe
是直流侧反电动势，l
s
、r
s
分别为交流侧rl滤波器的电阻值与电感值；i
s
表示为：其中，a＝e
j(2π/3)
，i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为交流侧a、b、c三相电流；v
s
表示为：v
sa
、v
sb
、v
sc
分别为交流侧a、b、c三相电压；v
afe
表示为：v
dc
为直流侧输出电压；当开关函数值s
a
,s
b
,s
c
对应的上桥臂器件导通时，s
a
,s
b
,s
c
值取1，反之取0。3.根据权利要求2所述的一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，所述步骤2将连续时间域内的afe数学模型改写为离散域，包括：将连续时间域内的式(1)改写为离散域：4.根据权利要求3所述的一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，所述步骤2构建的参考信号计算模型为：p
in
(k+1)＝p
r
(k+1)+p
out
(k+1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)其中，p
r
(k+1)为rl滤波器上电阻所消耗的功率，p
out
为afe输出功率；
p
r
(k+1)表示为：5.根据权利要求4所述的一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，所述步骤3包括：步骤31、计算动态电压参考信号；动态电压参考信号表示为：其中，为给定的固定参考信号；n表示电压参考信号在n个时间步内达到稳态值，即此时步骤32、计算电容上的充电电流参考值：计算负载电流参考值：则直流侧输出电流参考值为：步骤33、计算afe输出功率：步骤34、将式(13)、(8)带入式(7)，解方程，得在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号为：6.根据权利要求5所述的一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，所述方法还包括：步骤4、基于离散域的afe数学模型得到瞬时输入功率表达式，基于瞬时输入功率表达式和有源前端动态参考信号，计算每一组开关状态所对应的损失函数值，并选取最小损失函数值时的开关组合。7.根据权利要求6所述的一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，其特征在于，所述步骤4包括：步骤41、基于式(5)，得到瞬时输入功率表达式为：
步骤42、基于瞬时输入功率表达式(6)和式(14)，计算每一组开关状态所对应的损失函数值，并选取最小损失函数值时的开关组合；损失函数表达式为；其中，为外部直接给定的参考无功功率。
技术总结本发明公开了一种在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号生产方法，包括：将AFE中交流测和直流侧电压、电流通过Clark变换统一到αβ坐标系下，得到连续时间域内的AFE数学模型；将连续时间域内的AFE数学模型改写为离散域，构建瞬时功率平衡原理生成在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号计算模型；计算在有限集模型预测控制方法下的有源前端动态参考信号。本发明通过瞬时功率平衡原理生成功率参考信号作为有源前端动态参考信号，所生成的参考信号响应迅速，没有超调量，在稳态下能正常工作。在稳态下能正常工作。在稳态下能正常工作。
技术研发人员：徐嘉伟 朱建忠 陆旦宏
受保护的技术使用者：南京工程学院
技术研发日：2022.05.19
技术公布日：2022/7/5
