1 摘要

針對帶LC濾波器的電壓源逆變器(VSIs)，傳統的有限集模型預測控制(FS-MPC)方案不僅需要測量電容電壓和電感電流，還需要測量或估計負載電流，增加了系統的復雜性和成本。為了減少傳統FS-MPC中傳感器的數量，本文針對帶LC濾波器的VSIs，提出了一種新型的無電流傳感器的FS-MPC方案。首先，根據預測矩陣之間的內在關系，以電容電壓和電容電流為狀態變量，對預測模型進行了精確簡化，使其適合于無電流傳感器控制。

然后，為了消除電流傳感器以降低成本和提高可靠性，重構了動態模型，設計了一種易于實現的電容電流估計器，其性能可與典型FS-MPC方案媲美。考慮到數字實現過程中不可避免的控制延遲，利用所提出的估計器獲得延遲補償。此外，所提出的控制方案對各種代價函數具有靈活性，并能降低計算量。通過與傳統FS-MPC的對比仿真和實驗結果，驗證了所提控制方案在負荷變化和模型不匹配情況下的可行性。

2 主要工作和貢獻

1、提出了一種用于帶LC濾波器的VSIs的無電流傳感器FS-MPC方案。通過合并預測矩陣，精確地簡化了預測模型。將傳統FS-MPC的預測變量轉換為電容電壓及其電流。

2、提出了一種易于實現的全階電容電流估計器，以完全消除電流傳感器，此觀測器還實現了固有控制時滯補償。

3、與傳統FS-MPC方案在負荷變化和模型不匹配情況下的預測和控制性能進行對比，驗證了所提控制方案的正確性。

3 方法流程

3.1 傳統的有限集模型預測控制

圖1：基于帶LC濾波器VSI的傳統的FS-MPC方案

根據傳統FS-MPC的控制框圖，可以得到如下連續和離散公式：

為了彌補固有的控制延時，進行二階預測：

設置簡單的代價函數（CF）：

其中*代表參考值，通過列舉候選的電壓矢量來選擇能使CF最小化的最優電壓矢量(即最優開關狀態)，并將其應用于逆變器。

3.2 全階電容電流估計器

為了設計電容電流估計器，對系統的動態模型進行重塑，由于采樣時間比負載變化小得多，默認

可以得到如下連續和離散公式：

綜合考慮所提方法的穩定性和動態響應速度，選擇參數k1和k2：

3.3無電流傳感器FS-MPC方法

將上述兩種部分內容結合起來得到無電流傳感器FS-MPC方法，具體的控制框圖如圖所示：

圖2：所提的基于帶LC濾波器VSI的無電流傳感器FS-MPC方案

4 實驗結果

4.1靜態試驗

圖3：額定線性負載下穩態性能的實驗比較

（a）傳統FS-MPC （b）所提控制策略

圖4：非線性負載下穩態性能的實驗比較

（a）傳統FS-MPC （b）所提控制策略

圖5：FFT分析的實驗比較

（a）傳統FS-MPC （b）所提控制策略

圖3和圖4分別給出了傳統FS-MPC和所提方案在線性負載和非線性負載下穩態電壓跟蹤性能的實驗結果。展示了相位電壓基準?fa、電壓反饋vfa、負載電流ioa和電壓跟蹤誤差vfe。可以觀察到，兩種方法的性能沒有顯著差異。由于系統噪聲的影響，所提出的控制方案只比典型的FS-MPC控制方案具有略大的電壓跟蹤誤差。對應的快速傅里葉變換FFT分析結果如圖5所示。結果表明兩種控制方案在線性和非線性負載下的THD偏差均小于0.2%，表明所提控制方案具有與典型FS-MPC相媲美的穩態性能。

4.2動態試驗

圖6：標稱線性負載階躍下瞬態性能的實驗比較 （a）傳統FS-MPC （b）所提控制策略

圖6描述了采用傳統FS-MPC和所提控制方案的線性負載步長(開路到標稱負載)瞬態響應的實驗結果。展示了相位電壓基準?fa、電壓反饋vfa、負載電流ioa和電壓跟蹤誤差vf e。可以觀察到，兩種方法由負載步長引起的電壓波動相似，因此對負載步長變化具有相似的魯棒性。

上述實驗驗證了所提控制方案的正確性。

5 方法評估

本文提出了一種用于帶LC濾波器的VSIs的無電流傳感器FS-MPC方案。首先根據預測矩陣之間的內在關系對預測模型進行簡化，使其適合于無電流傳感器控制。為了消除傳統FS-MPC方案中的電流傳感器，利用重構的系統動態模型設計了一種易于實現的電容電流估計器，其性能與傳統FS-MPC方案相當。為了克服數字控制時延帶來的性能下降，該估計器直接用于實現固有時延補償。此外，該控制方案具有可擴展性強、成本低、可靠性高等優點。在模型不匹配和負載變化情況下的仿真和實驗結果驗證了該控制方案的有效性，證明了該控制方案可以替代傳統的FS-MPC控制方案用于帶LC濾波器的VSIs。

6 閱讀心得

本文提出了用于帶LC濾波器的VSIs的無電流傳感器FS-MPC方案，與傳統的FS-MPC方案相比，此方法減少了電流傳感器的使用，降低了系統成本，提高可靠性，并且獲得了與傳統FS-MPC近似的結果。此方法在多電平逆變器下同樣適用。