基于未知輸入觀測器的模型預測控制研究

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測控制算法實現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、高性能驅動、分布式發電、儲能系統等領域有著廣泛的應用，在這些應用中，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。有限控制集模型預測控制（FCS-MPC）是當前在工程控制領域廣泛應用的先進控制方法[2]，該方法充分利用變流器的離散特性本質，構建一個預測模型，并通過滾動預測，輸出某一時刻下使價值函數最小的最優電壓矢量[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，從而降低系統成本[4-5]。本文以不間斷電源（UPS）為應用背景，提出通過設計針對未知負載信息的電流觀測器，結合有限控制集模型預測控制算法，實現帶LC濾波器的兩電平電壓源逆變器輸出高質量負載電流。

1" " 基于LC濾波器的逆變器模型預測控制

1.1" " 系統模型

1.2" " 模型預測控制算法

2" " 觀測器設計

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所示為系統穩態運行結果，可以看出，系統輸出電壓、電流具有很好的正弦特性，并能實現良好的噪聲抑制，即所提FCS-MPC算法可實現以很小的低頻誤差和很低的高頻紋波跟蹤參考電流變化。

為了評估系統的動態性能，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。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，可以為特定負載調整設計常數，并期望實現與任何其他負載值相同的系統性能。

4" " 結論

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期行為，設計未知輸入觀測器，通過模型預測控制方法對輸出電壓進行跟蹤控制。實際結果表明，系統整體具有良好的穩態性能和可快速響應的動態性能，該觀測器可以保持很好的系統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：發輸變電工程及高電壓技術。