基于多目标满意优化的自均压ANPC五电平逆变器控制机理与方法研究

High-voltage motor and its control system is an effective solution to improve the energy efficiency of motor system. This project focuses on ANPC five-level inverter, firstly, the problem of overall planning of multiple control objectives is transformed into a scientific problem of solving constrained multi-objective optimization. Then, achieving satisfactory optimization control of multiple targets of multilevel inverter control system by proposing the new theory and new method of muti-level systerm model predictive control. The main research is shown as follows: Firstly, a control method of voltage automatic equalization with series power devices is proposed to improve the practicality of ANPC five-level inverter, and study the influence of voltage automatic equalization circuit on the modeling of various control targets; Second, a multimodal nonlinear modeling method based on model self-correction is proposed to realize the accurate prediction of the future state of the system using the prediction model in multi-parameter uncertainty mode; Third, A multi-objective satisfaction optimization algorithm based on "stratified design + satisfactory optimization + fuzzy decision" is proposed to solve the common problem of traditional forecasting control weighting factor setting difficulty and optimal target control single. The project results will enrich and perfect the predictive control theory, promote the development of multi-level inverter control technology, and effectively improve the efficiency and overall output performance of the motor system. Therefore, this project demonstrates both theoretical and practical significance.

高压电机及其控制系统是解决我国电机系统效率低下的有效解决方案。本项目以ANPC五电平逆变器为研究对象，首先把多个控制目标的统筹规划问题转化为求解一个有约束多目标优化的科学问题，通过提出多电平系统模型预测控制的新理论和新方法，以实现多电平逆变器控制系统多个目标的满意优化控制，主要研究内容为：①提出一种串联开关管的自均压控制方法，提高ANPC五电平逆变器的实用性，并研究自均压电路对系统各控制目标建模的影响；②提出一种基于模型自修正的多模态非线性建模方法实现多参数不确定模式下预测模型对系统未来状态的精确预测；③提出一种基于“分层设计+满意优化+模糊决策”的多目标满意优化算法，解决传统预测控制权重因子整定困难及最优目标控制单一的共性问题。项目成果将丰富和完善预测控制理论，促进多电平逆变器控制技术的发展，切实提高电机系统的效率及整体输出性能，故而在理论上和实际应用中都具有重要意义。

多电平逆变器系统对于解决我国的高压电机系统效率低下的问题具有突出优势。本项目以ANPC五电平逆变器为研究对象，首先针对ANPC五电平逆变器在实际应用中存在的开关管串联均压问题，提出了一种自均压改进型ANPC五电平结构，实现串联开关管的动静态均压，提高了ANPC五电平拓扑的实用性；为了减小悬浮电容电压的波动，分析了悬浮电容电压波动机理，提出了一种悬浮电容电压波动最小化的优化控制方法，相比传统控制方法，可有效抑制悬浮电容电压波动超过45%；针对传统多电平逆变器模型预测控制开关状态多，滚动优化时间长等问题，提出了一种优化的多电平模型预测控制方法，经优化后滚动优化次数由125次降低到15次，计算时间节省超80%，同时所提方法还可以降低系统的开关频率、实现对未来状态的准确预测；针对传统预测控制权重因子整定困难和最优控制目标单一的问题，提出一种基于分层设计无权重因子的多目标满意优化控制方法，该方法综合了传统定频SVPWM和模型预测控制的优点，有效提高了ANPC五电平逆变器控制系统的性能。最后，分别研制了一套自均压ANPC五电平逆变器实验样机以及一套ANPC五电平逆变器实验样机，对上述研究内容进行了实验验证。项目成果丰富和完善了预测控制在多电平逆变器系统中的理论知识，有效促进了ANPC五电平逆变器控制技术的发展，提高了电机调速系统的效率及整体输出性能。本项目研究成果在中压变频调速、光伏并网逆变器、分布式储能等领域具有很好的应用前景。