In this paper, a Finite Control Set Model Predictive Control (FCS-MPC) for a five level cascaded multilevel inverter (CMLI) with reduced switch topology is proposed. Five switches are used here instead of conventionally used eight switches. The main contribution of this paper is to make the MPC controller work for the reduced switch topology using only 19 voltage vectors in place of conventional 61 voltage vectors for a five level CMLI. This simplifies the execution of the MPC algorithm, paving a way for the significant reduction in the computational time. The controller makes use of the excellent ability of MPC to multitask, by adding one more objective which is to reduce the average switching frequency in addition to controlling the load current. This is especially important, since switching losses and therefore switching frequency is significant for high-power applications. The trade-off of this MPC is that the current is not as smooth as the 61 vector scheme, but well within the limits of IEEE standards. The results shown prove that this MPC works well in steady state and dynamic conditions too.
Kassem, Ahmed M.;Sayed, Khairy;El-Zohri, Emad H.;Ali, Hossam H.
Advances in Energy Research
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v.5
no.1
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pp.79-90
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2017
The main objective of load frequency control (LFC) is to keep the frequency value at nominal value and force deviation of the frequency to zero in case of load change. This paper suggests LFC by using a model predictive control (MPC), based on Integral Square Error (ISE) method designed to optimize the damping of oscillations in a two-area power system. The MPC is designed and simulated with a model system in state space, for robust performance in the system response. The proposed MPC is tuned by ISE to achieve superior efficiency. Moreover, its performance has been assessed and compared with the PI and PID conventional controllers. The settling time and overshoot with MPC are extremely minimized as compared with conventional controllers.
This paper proposes a simultaneous control of frequency deviation and electric vehicles (EVs) battery state of charge (SOC) using load frequency control (LFC) and EV controllers. In order to provide both frequency stabilization and SOC schedule near optimal performance within the whole operating regions, a multiple-input multiple-output model predictive control (MIMO-MPC) is employed for the coordination of LFC and EV controllers. The MIMO-MPC is an effective model-based prediction which calculates future control signals by an optimization of quadratic programming based on the plant model, past manipulate, measured disturbance, and control signals. By optimizing the input and output weights of the MIMO-MPC using particle swarm optimization (PSO), the optimal MIMO-MPC for simultaneous control of the LFC and EVs, is able to stabilize the frequency fluctuation and maintain the desired battery SOC at the certain time, effectively. Simulation study in a two-area interconnected power system with wind farms shows the effectiveness of the proposed MIMO-MPC over the proportional integral (PI) controller and the decentralized vehicle to grid control (DVC) controller.
Akter, Md. Parvez;Mekhilef, Saad;Tan, Nadia Mei Lin;Akagi, Hirofumi
Journal of Electrical Engineering and Technology
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v.10
no.1
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pp.165-175
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2015
Energy storage system has been widely applied in power distribution sectors as well as in renewable energy sources to ensure uninterruptible power supply. This paper presents a model predictive algorithm to control a bidirectional AC-DC converter, which is used in an energy storage system for power transferring between the three-phase AC voltage supply and energy storage devices. This model predictive control (MPC) algorithm utilizes the discrete behavior of the converter and predicts the future variables of the system by defining cost functions for all possible switching states. Subsequently, the switching state that corresponds to the minimum cost function is selected for the next sampling period for firing the switches of the AC-DC converter. The proposed model predictive control scheme of the AC-DC converter allows bidirectional power flow with instantaneous mode change capability and fast dynamic response. The performance of the MPC controlled bidirectional AC-DC converter is simulated with MATLAB/Simulink(R) and further verified with 3.0kW experimental prototypes. Both the simulation and experimental results show that, the AC-DC converter is operated with unity power factor, acceptable THD (3.3% during rectifier mode and 3.5% during inverter mode) level of AC current and very low DC voltage ripple. Moreover, an efficiency comparison is performed between the proposed MPC and conventional VOC-based PWM controller of the bidirectional AC-DC converter which ensures the effectiveness of MPC controller.
Jo, Hang-Cheol;Byeon, Gyeong-Seok;Song, Jae-Bok;Jang, Hyo-Hwan;Choe, Yeong-Don
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.25
no.4
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pp.467-474
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2001
The mathematical model of a air-conditioning system is generally very complex and difficult to apply to controller design. In this paper, simple models applicable to the controller design are obtained by modeling the air-conditioning system by single-input single-output between compressor speed and indoor temperature, and by multi-input single-output between compressor speed, indoor fan speed and indoor temperature. Using these empirical models, model predictive control(MPC) technique was implemented for indoor temperature control of the air-conditioning system. It has been shown from various experiments that the indoor temperature control based on the MPC scheme yields reasonably good tracking performance with smooth changes in plant inputs. this multi-input multi-output MPC approach can be extended to multi air- conditioning systems where the conventional PID control scheme is very difficult to apply.
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.20
no.9
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pp.900-907
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2014
This paper proposes a MPC (Model Predictive Control) method for the torque and flux controls of induction motor. The proposed MPC method selects the optimized voltage vector for the matrix converter control using the predictive modeling equation of the induction motor and cost function. Hence, the reference voltage vector that minimizes the cost function of the torque and flux error within the control period is selected and applied to the actual system. As a result, it is possible to perform the torque and flux control of induction motor using only the MPC controller without a PI (Proportional-Integral) or hysteresis controller. Even though the proposed control algorithm is more complicated and has lots of computations compared with the conventional MPC, it can perform torque ripple reduction by synthesizing voltage vectors of various magnitude. This feature provides the reduction of amount of calculations and the improvement of the control performance through the adjustment of the number of the unit vectors n. The proposed control method is validated through the PSIM simulation.
Kim Yang-Hwan;Lee Jung-Jae;Lee Jung-Yong;Lee Jang-Myung
Journal of Institute of Control, Robotics and Systems
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v.11
no.1
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pp.19-26
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2005
This paper is concerned with the design of a predictive PID controller which has similar features to the model-based predictive controller. A PID type control structure is defined, which includes prediction of the outputs and the recalculation of new set points using the future set point data. The optimal values of the PID gains are precalculated using the values of gains calculated from an unconstrained generalized predictive control algorithm. Simulation studies demonstrate the performance of the proposed controller and the results are compared with the conventional PID and fuzzy control algorithms.
Among the state-space description of discrete vent systems, the max-plus algebra is known as one of the effective approach. This paper proposes a model predictive control (MPC) design method based on the max-plus algebra. Several studies related to these topics have been done so far under the constraints that system parameters are constant. However, in practical systems such as production systems, it is common and sometimes inevitable that system parameters vary by each event. Therefore, it is of worth to design a new MPC controller taking account of adjustable system parameters. In this paper, we formulate system parameters as adjustable ones, and they are solved by a linear programing method. Since MPC determines optimal control input considering future reference signals, the controller can be more robust and the operation cost can be reduced. Finally, the proposed method is applied to a production system with three machines, and the effectiveness of the proposed method is verified through a numerical simulation.
The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers
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v.57
no.12
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pp.2285-2290
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2008
Even though efficiency of coal-fired power plant is proportional to operating temperature, increasement of operating temperature is limited by a technological level of each power plant component. It is an alternative plan to increase operating pressure up to ultra super critical point for efficiency enhancement. It is difficult to control process of power plant in ultra super critical point because that point has highly nonlinear characteristics. In this paper, new control logic, Unit Response Optimizer Controller(URO Controller) which is based on Fuzzy logic and Model Predictive Controller, is introduced for better performance. Then its performance is tested and analyzed with design guideline.
Advanced control algorithms must be used to make wind power generation truly cost effective and reliable. In this study, we develop a new and simple control scheme that employs model predictive control (MPC), which is used in permanent magnet synchronous generators and grid-connected inverters. The proposed control law is based on two points, namely, MPC-based torque-current control loop is used for the generator-side converter to reach the maximum power point of the wind turbine, and MPC-based direct power control loop is used for the grid-side converter to satisfy the grid code and help improve system stability. Moreover, a simple prediction scheme is developed for the direct-drive wind energy conversion system (WECS) to reduce the computation burden for real-time applications. A small-scale WECS laboratory prototype is built and evaluated to verify the validity of the developed control methods. Acceptable results are obtained from the real-time implementation of the proposed MPC methods for WECS.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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