TELKOM NIKA , Vol.14, No .2, June 20 16 , pp. 440~4 4 8   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v14i1.2755    440      Re cei v ed O c t ober 1 3 , 201 5; Revi se d March 18, 201 6 ;  Accepte d  April 2, 2016   Model Predictive Optimization Control Strategy for  Three-level AF E Converter      Xiao y a Shi* , Longji Zhu, Shuijuan Yu   Dep a rtment of automati on,  Co llge ge of El ectrical a nd Inform ation En gi neer i ng,   Anhu i Univ ersit y  of Scie nce a nd T e c hnol og y, Huain an 2 320 01, Anhu i, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : shixia o y an 19 80@ 163.com       A b st r a ct   In view  of the fact of traditiona l MPC pre d icti o n  for thre e-lev e l AF E converter w i th  nu mer ous   sw itching vect ors, time-cost  computati on  and c o mpl e x control,  s i mplifie d mo de l pred ictive  co nt rol  alg o rith m is pr opos ed i n  this  paper. T he  multipl e  curre nt pred iction is tr ansfor m e d  into  a singl e virtu a l   referenc e vo lta ge v e ctor pr edi ction  accord in g  to the  in v e rse  proce dure  of th mo del  curre n t  pred iction,  an d   vector distrib u tion  meth od is ado pted w h ich  can screens  o u t the optimal  vector. In the  process of roll i n g   opti m i z at ion, mu lti-ob ject iv control is c a rri ed o u t by a ddi ng n eutral po i n potenti a l bal ance and  r e d u c ing   sw itching l o ss es an other  constrai nt s to  the cost fu ncti on. Als o  the  c ontrol  de lay  of the a l g o rith m is   compe n sate d. F i nally, si mu l a tion ex per iments of th ree- level AF E co nverter un der  steady-state  an d   dyna mic cond itions ar e provi d ed. T he results  have verifi ed c o rrectness a n d   practicab ility o f  the strategy.      Ke y w ords : T h ree-lev e l AF E converter, Mod e l pre d ictive co ntrol, Virtual ref e renc e volta g e ,  Vector sector     Copy right  ©  2016 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  With the  ad vantage s of  low volta ge  harm oni c, hi gh p o wer fa ctor and  bidi rectio na l   energy flow, multi-level a c tive front end  (AFE)  conve r ter ha s b een  widely u s ed  in active po wer  filter, reactive  powe r  com p ensation, and  new ene rgy grid ge neration and so on  [1]. The cont rol  targets  of   th multi-l e vel conve r ter a r e  not only  to  adju s t the cu rre nt of the  AC side rapi dly,  sup p re ss the  harmo nics,  and adj ust p o we r facto r , but also th e  probl ems  of neutral p o in potential flu c tuation a nd  power   device lo ss shoul d be  con s id ered.  Fo r a bove p u rp oses,   dome s tic  and  foreig schol ars have  con ducte d in -de p t h re sea r ch o n  its  cont rol  strategy, whi c mainly inclu d e  voltage ori e nted co ntrol  (VOC) a nd di rect po we r co ntrol (DPC) [2]. Howeve r, due  to the time -variability a nd  nonlin earity, i t  is difficu lt to  achieve th best  co ntrol   effect. In recent  years,  with t he ra pid d e v elopment of  digita l processors,  som e  com p lex a nd ne cont rol  strategi es,  su ch  as ad aptive control,  slid ing mo de  co ntrol, fu zzy  control, p r e d ictive cont rol e t c,   are well imple m ented [7, 8].  For  ea sy to  und erstand,  flexible  con t ro l, go od  d y namic pe rfo r man c e  an d  strong  robu stne ss finite co ntrol  set mo del p r edictive  cont rol (F CS-MP C ha s be en  widely u s e d  in  power ele c tro n ics and p o wer tran smi ssi on appli c atio ns, and al so i t  can be ea sil y  and effectively  integrate d  int o  a va riety of  co nstraints  whi c can achieve multi-objectiv e s  opti m ization  cont rol  [3]. Different from the traditional lin e a r contro st rategy, FCS - MPC algo rith m is ba sed  on   accurate mat hematical mo del of obje c system to p r edic t the future s t ate. At the s a me time, with   taking  into  m u lti-co ntrol  ob jectives, th optimal  switching state ca be   dete r mi ned by  the   cost   function fo global  rollin g  optimizatio n .  Howeve r, nume r ou s switchi ng  ve ctors,  time -co s comp utation and compl e co st  functio n s which  lim i t  the application of FCS - MPC. In [13] a  simplified  mo del p r edi ctive  algo rithm i s  presented  which  can  effectively red u ce the  ope rati on   time and im prove the  efficien cy. But part of t he  control pe rfo r man c e i s  af fected. In [9] a   satisfa c to ry p r edi ctive cont rol  strate gy i s  u s e d  to   rea lize th e multi p le target  sat i sfactio n   cont rol  among th e NPC three - eve l  rectifier, n e u tral poi nt po tential balan ce, current tra cki ng an d lo swit chin g fre quen cy ope ra tion throug h fuzzy deci s io n .  In [12] multiple virtual voltage vecto r are   con s tru c ted t hat borrowe d from discrete  voltage spa c e ve ctor modulation  (DSVM) id ea.  Although the  effect of tracki ng control  is impr oved  obviously, but the numb e r of MPC rolling   optimizatio n i s  in crea sed,  whi c h h a brou ght a  ve ry se riou challen ge to t he a c tual di gital  system impl e m entation [4-6].  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Model Pre d ict i ve Optim i zati on Co ntrol Strateg y  for Th ree-le vel AFE  Con v e r ter (Xi aoyan Shi)  441 To si mplify the predi ctio n process  a nd redu ce  the  comp utation time the  pape discu s ses th e voltage  p r edictio cont rol m odel  of  the  neutral  point  cl amp ed  (NP C ) A F conve r ter  ba sed  on F C S-MPC. First, a c cordi ng to  t he inve rse proce dure of th e mod e l current  predi ction th e  single vi rtual  referen c e vo ltage vect o r  i s  obtai ned. T hen the  co st function  of the   output voltag e is expre s se d by  the equivalent transfo rmation a nd some co nst r ai nt conditio n are   introdu ce d to the co st funct i on to reali z multi-obj ect control. Finally , the optimal swit chin g stat e   is dete r mine d  and taken a s  the outp u t of the cont rol l er. For th e control d e lay of algorithm,  the  compensation scheme is  also pr esented. In order to verify the  correctness and feasi b ility of  the  algorith m , the three - level  AFE converter sim u latio n  experim ent al platform i s  built ba se d  on  Matlab/sim u li nk. Th e resul t s indi cate th at the  propo sed st rategy h a s a   go od  static an d dyna mic  perfo rman ce.       2. Traditiona l Curren t  Mo del Predictiv e  Con t rol of  Three -lev el  AFE Conv erter  For imp r ovin g the voltage  level, redu ci ng the  volum e  of the whol e system eff e ctively,  sup p re ssing  the ha rmo n ic p o llution,  the NP multi-level A F E conve r te r can m eet  the  developm ent requi rem ents of smart gri d  in the  future. The traditi onal mod e l p r edi ctive cont rol   strategy u s e d  discrete m a thematics  model to  cal c ulate  cu rre n t  predi ctive value und er  the   different state s  of the switch and ma ke t he switch   con d ition sel e cte d  throu gh cost function wh en   the cu rre nt predictive value  and the co m m and  current   value is clo s est [10, 11]. Therefore, a  key  part of the model predi ctive contro l stra tegy is to establish disc rete mathematics model of the   system a nd e v aluate the sw itch  state co ntrol beh avio r by the cost functio n   2.1. Mathem atics Mod e l of Thre e -lev el AFE Conv erter   The NP C thre e-level AFE converte r topol ogy stru cture is sh own in Figure 1.         Figure 1. The  three-l e vel AFE conve r ter  circuit topolo g     ,, abc ee e are power gri d   voltage,  ,, ab c ii i  are AC  sid e   current,  dc i is DC  side cu rrent;  L   and  R  are A C  si de in du ctan ce a nd  equivalent  re sista n ce;  12 , CC  are the two  capa cito cap a cita nce  value corre s pondi ng to th e DC  side.  A s suming  sym m etry of the  three - ph ase  AC  voltage and i gnori ng the  asymmet r y of the grid si d e  resi stan ce  and the f ilter inducta nce, the   mathemati c al  model of three-level AFE  converte r in  the   coo r din a te can be d e scrib ed a s   following:    , ,, , di L eu R i dt                                                                                                             (1)    Whe r ,, , ,, eiu   are t he voltage, current and A C  sid e  voltag e of three - lev e l AFE  c o n v er te r .  Ass u ming  co n t ro l s y s t em samp lin g  pe r i od  s T  is small en ough, Equ a tion (1 can  b e   approximated  as followi ng  by the forwa r d differen c e p r inci ple.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  440 – 44 8   442 ,, , (1 ) ( ) s d i ik ik dt T                                                                                                                      (2)  Acco rdi ng to (1), (2), the di screte p r edi ct ion model of the co nverte r is obtain ed.     ,, , , ( 1 ) [ () () ] ( 1 ) ( ) ss TR T ik ek u k ik L L                                                                     (3)    The switchi n g function of  converte r circuit  (, , ) j Sj a b c  is used  to repre s e n t the four  swit chin g sta t e of each pha se. Taki n g  a phase as an exam ple, When  1 a S  and  2 a S  are  simultan eou sl y condu cting ,   1 a S , a point to o point level is  2 dc U ; When  2 a S  and  3 a S  are   simultan eou sl y cond ucting 0 a S , a point to o point le vel is 0. Wh en  3 a S  and  4 a S  are  simultan eou sl y con d u c ting,   1 a S  , a  point to  o   point level  is  2 dc U . The r e  are th ree level s  i n  t h e   DC  side. T h e r efore, the th ree - level AF E conve r ter  AC sid e  ha 3 32 7  kind s of voltage  state  combi nation.  The A C  si de  voltage vecto r   , uu   can be get from  the DC bus  volta ge o f   the  thre e- level AFE converter a nd the switchi ng  state  ,, abc SS S   (2 ) 6 3 () 6 dc abc dc bc U uS S S U uS S                                                                                     (4)    2.2. Dete rmination of  Co st Func tion   Curre n t mod e l predi ctive control strate gy by  using the finitene ss  of powe r  devi c e on -off  state and a c cording to the discrete m a thematical  model of the controll ed o b ject predi ct the  future valu of the in put  current in  diffe rent  sw it chin g state s Ho wever, i n  o r d e r to  en su re  good   control pe rformance and e nhan ce the reliability of  th e whole  syst em, the fluctuation of neu tral   point potenti a l is a pro b l e m that can  not be i gno red.Fo r thre e - level AFE converte r syst em,  based o n  the  predi ction  of the future  st ate of the 27  swit ch o ne b y  one the optimal switchi n state is dete r mined by usi ng the  co st functio n  to achieve cu rr ent  tracking an d  maintain the  balan ce of n eutral p o int p o tential. Co n s ide r ing  th existen c e of  midpoint p o tential fluctu ating  probl em of t h ree - level to pology, the  predi cted val ue  (1 ) dc Uk  of the neutral p o int  potential  deviation at  (1 ) kT  is expre s sed  as follo wing:     22 2 21 () (1 ) [ ( ) ( ) ( ) ] ( ) ( ) () ( ) () ()        a s dc a b c b d c c dc dc d c ik T U k Sk Sk S k i k U k C ik Uk U k U k                                                                           (5)    No wad a ys the AFE converters control syste ms a r e g enerally base d  on the tech nique of  PWM mo dul ation. Shorte n the pe riod   of the mo d u l a tion alg o rith m wo uld in crease the o u tput  voltage of the fundame n tal wave cont ent and re du ce  the ha rm onic di stortio n  of the AC side   curre n t. However, the pe ri odic m odul ation of the  rel a tionship me ans to in crea se the  swit ch ing   freque ncy of  power  device s , whi c will directly  affect the ef ficien cy and  temperature  of   conve r ter. T h erefo r e, that i s  ne ede d to  weig main  control o b je ctives an d swit chin g freq uen cy.  So the co st function d e term inati on contai ns multiple fa ctors.     2 * 1, , 2 3 ( 1 ) ( 1) ( 1 ) ( 1) dc s Ji k i k U k f k                                                       (6)    Given cu rrent  value  * , (1 ) ik   can b e  obtaine d by two orde r tre nd extrapol ation.     ** * * ,, , , (1 ) 3 ( ) 3 ( 1 ) ( 2 ) ik i k ik i k                                                                                     (7)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Model Pre d ict i ve Optim i zati on Co ntrol Strateg y  for Th ree-le vel AFE  Con v e r ter (Xi aoyan Shi)  443 (1 ) s fk  is th avera ge n u mbe r   of ci rcuit switch es  at the   (1 ) kT . The switching loss is  relevant to  switchi ng volt age  and  cu rrent. It is n o a sim p le li ne ar  relation shi p  with  switch ing   freque ncy. In  gene ral, the  avera ge  swi t ching f r eq ue ncy is smalle r, lower  switching lo sse s so   algorith m  sel e ction ave r ag e swit chin g freque nc y is u s ed as o ne of the optimization index.     ,, (1 ) ( ) (1 ) 12 ii s abc Sk S k fk                                                                                                         (8)    In the  co st fu ntion  12 3 ,,   den ote  re sp ectively  curre n t e rro r  the mi dpoi nt unb alan ce   voltage and  averag e swit chin g freq uen cy weig hts.  By weighting  coefficient s to adju s t the value   of the fun c tion  can flexi b ly and  co n v eniently  opti m ize th e ov erall  perfo rm ance of the   AFE  conve r ter, wh ich it is very d i fficult for  the conve n tional  control metho d s to do this.       3. Three-lev e l AFE Conv e r ter Voltage  Predictiv e  Control   Model p r edi ct ive control al gorithm l oop s once in  ea ch  control cy cle .  The ru nning  time of  the algo rithm  sho u ld  be  sh ort en oug h to  obtain  a hig her  sam p ling   freque ncy,  so  the complexi ty  of the algorit hm need s to  be re duced. In ord e r to  sel e ct the optim al swit chin g state from the 27  swit chin states  and  ma ke  the  cu rre nt value  of the fu ture  , (1 ) ik   as   c l os e a s  p o ss ib le to  the  curre n t refe re nce val ue  * , () ik  , a simplified  predictive  control al go rithm i s  propo se d b y  inverse   thinkin g . Accordin g to the mathemati c al  model of  the AFE converter, assum p tin g  the existen c of voltage vector  * , () uk   which can ma ke  , () ik   equal to  * , () ik  , then  * , () uk   is cal c ul ated  by  Equation (9).     * ,, * ,, , () () () () () L ik ik uk e k R i k L T                                                                            (9)    Whe r * , () uk   is cal l ed 'virtual ref e ren c e voltag vector'. Fo r the FCS-MP C algo rithm,  only outputin g a voltage  vector e a ch control pe rio d , the neare s t voltage ve ctor to  * , () uk   is   optimal voltage vector  OPT u . The final co st function  J  is selected as following:    2 * 1, , 2 3 (1 ) ( 1 ) (1 ) ( 1 ) dc s Ju k u k U k f k                                              (10)    In the pre s e n t ed algo rithm ,  the 26 time s current p r e d iction  pro c e ss i s   simplifi ed a s  a  singl e virtual  referen c e voltage vect or p r edictio n,  then  the cal c ulati on is g r e a tly redu ce d. Based  on the FCS - MPC sin g le p r edi ction met hod, usi ng  th e vector di stri bution meth o d  can  determ i ne  the optimal switchi ng stat e. The  sp ace  voltage vectors  of all the  swit chin g stat es of the three- level AFE converter a r e shown in Figure 2. The th re e-ph ase brid g e  arm switch  state '1', '0' a nd '- 1' re spe c tivel y  are expre ssed by t he symbol '+', '0', '-'. The thr ee l e vel spa c e v e ctors a r e div i ded   into 6 large  sectors, which  the swit ch sta t e of each ve ctor i s  adja c e n t.  For exa m ple,  whe n   * , () uk  in the third  sector  III, compar ed to other volt age vectors,  01 2 5 61 61 7 1 8 ,, , , , , , uu u u uu u u  are mo re  cl ose to  * , () uk  , then the curre n t con s trai nts a r e rel a tively  small. In ord e r to comp are the value of t he neutra l point potential of each voltage vecto r , a   voltage ve cto r  i s  ta ken  a s  the  referen c e vecto r  and   co mpa r ed   to   the se ctors whi c h have  t h e   same mi dpoi nt potential constraint valu e. If the vect or in the  current con s traint  value is g r e a ter  than the ref e ren c e ve cto r , then these vect ors would be excl uded from t he scope of  th e   can d idate ve ctor.  Can d ida t e vectors  co rrespon ding   to  each  se ctor  are li st on  Ta ble 1.  With th decrea s of the candid a te  vect ors, the  hexagon  sh ado w re gion  is  form ed a  can d idate ve ctor  region. In s e c t or III, if  () ( ) 0 , () () 0 , () () 0 dc a d c b d c c Uk i k Uk i k Uk i k  , the num ber  o f  candid a te  v e ct or s is r e d u ce d t o  7.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  440 – 44 8   444 * u   Figure 2. Voltage vecto r s d i stributio n       Table 1. Sele ction of ca ndi dat e v e ct or s f o r ea ch s e ct o r   Sector  Ι             () () 0 dc a Uk i k    3 u   9 u 3 u 9 u 3 u 9 u   () () 0 dc a Uk i k    4 u   10 u 4 u 10 u 4 u 10 u   () () 0 dc b Uk i k    13 u   7 u   7 u   13 u   13 u   7 u   () () 0 dc b Uk i k    () () 0 dc c Uk i k    () () 0 dc c Uk i k    14 u   5 u   6 u   8 u   5 u   6 u   8 u   5 u   6 u   14 u   11 u   12 u   14 u   11 u   12 u   8 u   11 u   12 u         S a m p li n g   a n d   ge tt i n g th e kth ti m e s , , ,   P r e d icti n g ,  1    a c c or di n g  ex p re ss io n ( 7 )  an d   ( 9 )   J udg i n g  se c t or a n d g e t t i ng   S( N )     P r e d ic ting   i α, β k 1 ∆   1   acco r d i n g exp r essi o n   ( 7 )  an d   (9 )   i= N ?   P r e d ic ting   i α, β k 1 ∆   1   acco r d i n g exp r essi o n   ( 7 )  an d   (9 )      1  ,  1  ,  1 2    2 |    1 |  |  1 | ,i=1 ,…N     if  J<     =J    =i   fo r i= 1 : N   Ou t p ut       Figure 3. The  flow cha r t of FCS-MP C al gorithm   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Model Pre d ict i ve Optim i zati on Co ntrol Strateg y  for Th ree-le vel AFE  Con v e r ter (Xi aoyan Shi)  445 Searchin g th e discrete vol t age vecto r  n ear  OPT u . can d e termin e the fi nal MPC  syst em  optimal swit ching state.  Th flow ch art  o f   FCS-MP C a l gorithm i s   sh own i n  Fig u re  3.  i  is  defined  as th e lo op  variable,  OP J  is  the value of  the optimal c o s t  func tion.  () OP Si is output optimal  swit chin sig nal. Th e al go rithm i s   put in  the timin g  int e rrupt  routin e s When  the  timer i n terrupt  is  trigge red, th e  switchi ng  sig nals for th e fi rst  cycle   be gi n to affe ct th e a c tual h a rd ware  circuit,  an d   voltage and  current sam p li ng start u p Before th rol ling o p timizati on the  optim a l  voltage ve ct or  OPT u . of the  sy stem is obtai n e d   by the Equ a tion (9).  The  d e termin ed  discrete  voltage   vector is put i n   [] SN N  is the  nu mber of   FCS-MP rolling o p timi zation. T a ki ng into  a ccount voltage  sp ace vector di strib u tion   cha r a c teri stics of th e th re e-level to pol ogy, the valu e of  N  can  be 4, 5,  and 7.  Then rolling  optimizatio n only need s to be ca rri ed out 7 time s, whi c h greatly enhan ce th e system onl in e   sea r ching effi cien cy.      4. Contr o l Dela y  and Co mpensa tion Scheme   Ideally,  AD sampling, algo rithm calculat ion,  co ntrol  si gnal a c tion  of  MPC  cont rol  system  sho u ld be  co mpleted at the sa me time. But actual  digital pro c e ssi ng sy stem  has  con s um ed   certai n p r og ram execution  time, so the  cont rol  sign al is b oun d to delay a  pe riod of time  after  output. In th e  de sign  p r o c ess of  the A F E co nverte r co ntroll er,  control  delay   effect is a n  i s sue   that shoul d n o t be ignored.        * i ( k- 1) Tk T ( k+ 1) T ( k+ 2 ) T u ( k- 1) ... i * i ( k- 1) Tk T ( k+ 1) T ( k+ 2 ) T u ( k- 1) i u ( k ) i ( k+ 1) u ( k- 1) u ( k ) i ( k+ 1) (a)    Ide a l  cu r r en t  pr ed i c ti n g  pr ocess (b )   A c t u al  cu r r en t  pr ed i c ti n g  pr oces s * i u ( k- 1) i u ( k ) i ( k+ 1) ( k- 1) Tk T ( k+ 1) T ( c )    Cu r r en t   pr ed i c t i o n  p r o c es s  w i t h   de l a y   co mp en s a t i on   Figure 4. Current predi ctio n pro c e s     Figure 4(a), (b) illu strate t he  cu rrent predictio n pr ocess for the id eal situatio and the   actual situati on  ba sed on MPC.  The  co ntrol del ay co mpen sation  st rategy ope ra tes a s  sh own  in   Figure  4 ( c). The  g r id sid e   cu rre nt  , (1 ) ik   is p r edi cted from  Equation  (4 ). Then the  cu rre nt is   use d  as the  starting  current of the system,  and the model p r edictio n pro c ess is p r oje c ted  forward.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  440 – 44 8   446 ,, ** ,, ( 2 ) ( 1 ) (1 ) [ (1 ) ( 1 ) ] ss RT T ik i k e k u k L L                                                     (11)    The treatme nt of neutral  point poten tial is  con s i s tent with th e grid si de  curre n t.  Acco rdi ng to the Equation  (7) the midp oi nt potential  (2 ) dc uk T  is obtain ed.     222 () ( 2 ) [ () () ( ) ] ( ) ( 1 ) () a s dc a b c b dc c ik T U k Sk Sk Sk i k U k C ik                                                                           (12)    The optimal  swit chin g sta t e of the rolling  optimization mome nt is dete r mine d  by the  state of the  (2 ) kT and is kept to the (1 ) kT . In essence the del ay compe n sa tion belong s to   multi-ste p  pre d iction. Ba se d on di screte  pr edi ct mo del  of system in  a sam p ling  p e riod  s T , multi- step predi ctio n are carried  out to comp ensate and  correct the infl uen ce of the  control d e lay  cau s e d  by the optimal switchin g state.   To su m up, t he structu r of the co ntrol  sy stem b a se d on F C S-M P C algo rithm  is shown  in Figure 5. The DC bu s voltage is adj usted by t he PI  controlle r, an d the cu rre nt referen c e val u e   is gen erate d . Acco rdin g to the model  predictive control theory, the voltage  , () uk   is predi cte d   whi c h i s  n e e ded to t r a c the refe re nce  cu rrent in t he   coo r di na te. Then  opti m al voltage  vector is take n a s  the  out put of the  co ntro lle r d e termined  by the  se cto r  of th e voltage   , () uk    loc a tion.       / ab c , e , i P e , P i , ) 1 ( , k u ) ( * k u , e 1 Pa r k C N S ) 1 ( * , k i ) ( , k u     Figure 5. The  stru cture of the co ntrol sy stem ba sed o n  FCS-MP     5. Simulation and Analy s is  In orde r to  verify the correctn ess o f  the pro p o s ed F C S-MP C control  al gorithm,  Simulation st udy of contro l system in Figure 5  is p r e s ente d  based  on Matlab/Simulink. Syste m   simulatio n  pa ramete rs a r listed in Tabl e 2.      Table 2. System simul a tio n  para m eters  List  Parameters   Value  1 Grid  sidevoltagefrequenc f /Hz  50Hz  Electricity  grid line voltage  e ab /V  90V  DC side capacitor C/ μ F  2500 μ 4 Line  inductance  L /mH   1.5mH   5 Load  resistance  R /  8   Sampling freque ncy /kHz  10kHz      Figure 6 an d  Figure  7 are  the steady -state   current simulation wa veform  and a   phase   curre n t spe c trum analysi s  resp ectively of th ree-l e vel AFE conve r ter  based on the  FCS-MP C.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Model Pre d ict i ve Optim i zati on Co ntrol Strateg y  for Th ree-le vel AFE  Con v e r ter (Xi aoyan Shi)  447       Figure 6. Steady state cu rrent waveform   Fi gure 7. A phase cu rrent spe c tru m  ana lysis      The result in  Figure 6 i n dicate s in put  cu rre nt  of t he sy stem i s  stable.  Wav e form i s   almost si nu soidal and the  unit powe r  factor  c an b e  realized. Th e curre n t sp ectru m  analy s is  sho w s that the total ha rmonic conten t of A phase   cu rre nt is  2.96% in Fig u re 7. The  cu rrent   harm oni c co n t ent is lowe r, and the control effect is go od.  To furth e r an alysis the vali dity of the F C S-MPC  pro p o s ed  in thi s   pa per, dyn a mi curre n cha nge d pro c e ss i s  co nd ucted. When  refere nce  current value  is ri sed fro m  10 A to 12A at  0.03s, th e out put current a r e dem on strat ed in  Figu re  8(a ) . Refere n c cu rrent val ue i s  de crea sed  from 10 A to 8A in Figure  8(b ) . The cu rrent step ti m e  is about 0. 2ms. The n  it can b e  found  tha t   the respon se  spe ed is relat i vely fast.        ( a )   R e fe re nc e c u rr e n t  s t ep  r i s e     ( b )   R e fe re nc e c u rr e n t  s t ep  fa ll    Figure 8. Dyn a mic si mulati on re sult with referen c e current ch ang ed       The sa mplin g perio d s T  is  100 s , AD samplin g time of digital processin g  system i s   about  5 s , predi ctive co ntrol  rolling o p timization time i s   about  40 s , the total c ont rol delay is   about  45 d ts . Con s ide r ing th large  propo rtion of  d t  in sampling  peri od  s T , the delay   comp en satio n  strategy is  need ed to overcome t he p r oble m  that the AD sam p l i ng point is n o matche d with  the switchi n g state actio n  time.  In Figure 9 the st eady-state waveform with  and  without control delay com pen sation a r e illustrate d.  As finding in  the figure, the output cu rrent  ripple i s   sm aller  with tim e  delay  com pen sation  of MPC sy ste m  unde r the  same  samp ling  freque ncy an d given cu rre n t situation, whch h a s mo re  excellent current tra cki ng  accuracy.       (a) Simul a tio n  results with out delay  comp en sat i o n       (b) Simul a tio n  res u lts  with delay  com p e n satio n   Figure 9. Simulation re sult s for FCS - MP C witho u t and  with delay co mpen sation   0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 04 0. 05 0. 06 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 t/ s i/ A ig a ig c ig b 0 0. 0 1 0. 0 2 0. 03 0. 0 4 0. 0 5 0. 0 6 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 t/s i/ A ig a ig b ig c 0 0. 01 0. 02 0. 03 0. 0 4 0. 05 0. 06 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 t/s i/ A ig a ig b ig c 0     0. 005 0. 0 1 0. 0 1 5 0. 02 0. 025 0. 0 3 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 i/A t/s 0     0. 005 0.01 0. 0 1 5 0. 0 2 0.02 5 0. 03 -1 5 -1 0 -5 0 5 10 15 t/s i/A Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 14, No. 2, June 20 16 :  440 – 44 8   448 6. Conclusio n   As an  advan ced  co nverte r control  tech nology,  F C S-MPC control  strategy i s  a pplied to   the control  of  three - level A F E co nverte in this  pa per.  For th e p r obl ems  existing  i n  the t r adition al   model cu rren predi ction, a  sim p lified model  volt a g e  predi ction  control al gori t hm is  pro p o s ed.   The virtual v o ltage p r edi ction and volt age ve ctor  di vision meth o d  is int r od uced to sele ct the  optimal voltage vecto r . It  has ove r com ed effectivel y the defects  of low efficie n cy of traditi onal   MPC algo rith m. Finally, the simul a tion  results  sho w  that the pro posed st rate gy have a g ood  static  and  dy namic pe rformance,  which  ha s p r ovid ed  a  simplifie method  for th e de sig n  of  m u lti- lev e l conv e r t e r MP sy st e m .       Referen ces   [1]    Z a ragoz a J Po u J, Ceba llos  S, et al. A compreh ensiv e stu d y   of a h y bri d  modu latio n  tec hni que for the   neutra l-po int-cl ampe d conv erter.  IEEE Transactions on Industrial Electronic s . 2009; 56( 2): 294- 304.   [2]    Kadri  R, Ga ub ert J P, C ham pen ois G. A n  i m prove d  ma xi mum p o w e r  p o int track i ng  fo r ph otovolt a i c   grid-co n n e cted  inverter  bas ed  o n  volt ag e-orie nted c o ntrol.  IEEE Transactions  on Industrial  Electron ics . 20 11; 58(1): 6 6 -7 5.  [3]    Lee JH. Mo de l  predictiv e co ntrol revi e w  of th e three d e ca de s of devel opm ent.  Internatio n a l Jour na l of   Contro l, Automation a nd Syst ems . 2 011; 9( 3 ) : 415-42 4.  [4]    Atif Iqbal,  Sha i kh Mo ino d d i ne , Khal iqur  R a h m an. F i n i te St ate Mo del  Pre d ictive  Curr ent  an d C o mmo n   Mode V o lta ge  Contro l for a  Seven p h a se V S I.  Internation a l Jo urna l of  Pow e r Electro n ics a nd Dr ive   System s.  20 15 ; 6(3):   459-4 7 6 .     [5]    Gu Xin, Z h ang  Ce, Ge ng Qi a ng, Sh i T i ngn a .  Simplif i ed m o del c u rre nt pre d ictive c ontro of three- leve l   rectifier.  Advan c ed T e chn o l o g y  of Electrical  Engi neer in g an d Energy . 2 014 ; 33(2): 12-17.   [6]    M Elsisi, MA S Abo e l e la,  M Solim an,  W  Manso u r.  Mode l Pre d icti ve C ontrol  of  T w o-Are a  L o a d   F r eque nc y C o ntrol B a sed  Imperia list C o mpetitive  Alg o r ithm.  T E LKOMNIKA Indo ne sian J our nal  o f   Electrical E ngi neer ing.  2 015;  16(1): 75- 82.   [7]    Cao  Xi ao do ng,  T an Guojun, W ang Co ng ga ng.  Mod e l pr ed ictive virtua l vol t age vector c o ntrol for three- phas e PW M rectifiers . Procee din g s of the C SEE. 2014; 33( 18): 292 6-2 935 [8]    Vargas  R, C o r t es P, Amman n  U,  et al. Pr edi ctiv e co ntro l of  a thre e-p hase  ne utral- p o int-cl ampe d   inverter.  IEEE Transactio n s o n  Industria l Ele c tronics . 200 7; 54(5): 26 97- 27 05.   [9]    Liu P u , W ang  Yue, Co ng W u l ong, et  al.  Res earch es o n  opt imi z e d   mod e l p r edictiv e contro l for mod u l a r   mu lti-lev e l co n v erters . Procee din g s of the C SEE. 2014; 34( 36): 638 0-6 388 [10]    W ang Yi nso n g ,  W ang Sh u y u an.  Multi-ste p   Predictiv e co ntrol for o u tput c u rrent of thr e e - phas e gri d - conn ected i n ve rters.  Sm art Grid . 201 5; 3(3): 223- 228.   [11]    Vazqu e z S,  Le on JI, F r a nqu e l LG, et a l M ode l pr ed ictive  contro l w i th c onstant sw itch i ng fre q u ency   usin g a  discr ete sp ace v e ctor  mod u lation wit h  virtual state  vectors . IEEE International  Conference  on  Industria l T e chnol og y. 20 09: 1-6.  [12]    Malino w ski M,  Kazmierk o w ski MP . A com par ative stu d y   of c ontrol  tech niq u e s for PW M r e ctifiers i n  ac   adj ustabl e spe ed driv es.  IEEE Transactions  on Power Elec tronics . 200 3; 18(6): 13 90- 13 96.   [13]    Xi a C h a ngl ia n g , Liu  T ao, Shi  T i ngna, So ng  Z hanfen g. A si mplifie d fin i te c ontrol s e t mo d e l pr ed ictive   control for po wer converters.  IEEE Transactions on Industrial Informatics . 201 4; 10(2): 99 1-10 02.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.