双馈电机并网超局部无模型预测控制：探索电力系统的新前沿

原创于 2025-12-18 18:15:00 发布 · 520 阅读

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双馈电机并网超局部无模型预测控制

在电力系统的广袤领域中，双馈电机因其独特的性能特点，成为风力发电等诸多应用场景的宠儿。而双馈电机并网控制技术，更是确保其高效、稳定运行，将电能优质输送至电网的关键环节。今天，咱们就来唠唠双馈电机并网的超局部无模型预测控制，这可是一项充满魅力与挑战的技术。

传统控制方法的局限与超局部无模型预测控制的兴起

以往，双馈电机并网常采用矢量控制、直接转矩控制等传统方法。这些方法虽然在一定程度上实现了对电机的有效控制，但它们往往依赖于精确的电机模型。然而，实际运行中的双馈电机，会受到各种复杂因素影响，如温度、磁饱和等，使得电机模型难以精确建立。这就好比你要按照一份不太准确的地图去寻找宝藏，很可能会迷失方向。

超局部无模型预测控制则另辟蹊径，它摆脱了对电机复杂模型的依赖。通过实时监测系统的输入输出数据，利用超局部模型来快速预测系统未来的行为，并据此做出控制决策。这有点像你在陌生城市里，不依赖地图，而是通过询问路人实时的路况信息，来规划下一步的行走路线。

超局部无模型预测控制的原理与实现

超局部无模型预测控制的核心在于超局部模型的构建。简单来说，超局部模型将系统看作一个黑箱，只关注系统当前时刻的输入输出关系。以双馈电机并网为例，假设系统的输出为电机的并网电流 \( i \)，输入为控制电压 \( u \)。我们可以用以下简单的一阶超局部模型来近似描述系统动态：

\[ \dot{i} = f(i, u) \]

这里的 \( f(i, u) \) 就是一个反映 \( i \) 和 \( u \) 关系的函数。实际应用中，我们可以通过系统辨识的方法来确定这个函数的具体形式。

接下来，咱们看看如何利用这个超局部模型进行预测控制。预测控制的关键在于预测系统未来的输出，并根据预测结果计算出最优的控制输入。假设我们预测未来 \( k \) 个时刻的输出 \( i{k + 1}, i{k + 2}, \cdots, i{k + N} \)，我们的目标是找到一组控制输入 \( u{k}, u{k + 1}, \cdots, u{k + N - 1} \)，使得预测输出尽可能接近期望的并网电流值 \( i_{ref} \)。这就涉及到一个优化问题，通常我们可以使用二次型性能指标来描述这个优化目标：

\[ J = \sum{j = 1}^{N} (i{k + j} - i{ref, k + j})^2 + \sum{j = 0}^{N - 1} \lambda u_{k + j}^2 \]

其中，\( \lambda \) 是一个权重系数，用于平衡跟踪误差和控制输入的大小。通过求解这个优化问题，我们就能得到当前时刻的最优控制输入 \( u_{k} \)。

下面，咱们用Python代码来简单模拟一下这个过程（为简化起见，这里假设超局部模型已经确定）：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt


# 定义超局部模型
def super_local_model(i, u, dt):
    # 这里简单假设一个线性模型，实际需系统辨识确定
    return i + dt * (0.5 * u - 0.1 * i)


# 定义二次型性能指标函数
def cost_function(u_sequence, i_current, i_ref_sequence, dt, lambda_val):
    cost = 0
    i_pred = i_current
    for j in range(len(u_sequence)):
        i_pred = super_local_model(i_pred, u_sequence[j], dt)
        cost += (i_pred - i_ref_sequence[j]) ** 2
        if j < len(u_sequence) - 1:
            cost += lambda_val * u_sequence[j] ** 2
    return cost


# 预测控制主程序
def predictive_control(i_ref_sequence, dt, lambda_val, N, u_max):
    num_steps = len(i_ref_sequence)
    u_sequence = np.zeros(num_steps)
    i_current = 0  # 初始电流
    for k in range(num_steps - 1):
        u_candidates = np.linspace(-u_max, u_max, 100)
        cost_candidates = np.array([cost_function([u] + list(u_sequence[k + 1:num_steps - 1]),
                                                 i_current, i_ref_sequence[k:], dt, lambda_val)
                                    for u in u_candidates])
        best_index = np.argmin(cost_candidates)
        u_sequence[k] = u_candidates[best_index]
        i_current = super_local_model(i_current, u_sequence[k], dt)
    return u_sequence


# 参数设置
dt = 0.01  # 时间步长
lambda_val = 0.1  # 权重系数
N = 5  # 预测时域
u_max = 1  # 最大控制电压
num_steps = 100
i_ref_sequence = np.ones(num_steps)  # 期望电流为1

# 运行预测控制
u_sequence = predictive_control(i_ref_sequence, dt, lambda_val, N, u_max)

# 绘制结果
time = np.arange(num_steps) * dt
plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.subplot(2, 1, 1)
plt.plot(time, i_ref_sequence, label='Reference Current')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Current')
plt.legend()
plt.subplot(2, 1, 2)
plt.plot(time[:-1], u_sequence[:-1], label='Control Voltage')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Voltage')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()

在这段代码中，superlocalmodel 函数定义了我们假设的超局部模型。costfunction 函数用于计算二次型性能指标。predictivecontrol 函数则实现了预测控制的核心逻辑，通过遍历不同的控制电压候选值，找到使性能指标最小的控制电压。最后，我们设置一些参数并运行预测控制，绘制出期望电流和控制电压的变化曲线。