CN103595069A - 不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法。本发明的技术方案要点为：根据采样电网电压和延迟信号以及初始功率给定，解析计算得到变换器交流侧的参考电流；通过预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流，通过价值函数选择使电流参考值与电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量作为最优电压矢量，选择最优电压矢量对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。在电网电压不平衡条件下，通过控制变换器两侧功率平衡保证直流母线电压稳定、网侧电流正弦，整个控制过程基于两相静止坐标系，避免了旋转坐标变换，且控制方法不包含正负序分解与锁相环节，控制结构简单，计算量较小。

Description

不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法

 

技术领域

    本发明涉及一种不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法，属于电力电子功率变换装置控制领域。

背景技术

与传统的基于PI控制器的矢量控制相比，模型预测控制具有结构简单、动态响应速度快、控制器参数无需调节等优点，是一种具有广阔应用前景的先进控制方法。模型预测控制方法应用于光伏发电系统中变换器的运行控制，可以获得精准快速的电流调节效果。但采用模型预测控制方法进行控制时均假设电网电压三相平衡，当电网电压不平衡时，直流母线电压产生二倍频脉动、网侧变换器的输出电流发生畸变，这将严重影响光伏发电系统的运行状态。因此，电网电压不平衡时网侧变换器所采用的控制策略应保证网侧电流正弦，且能够抑制直流电压二倍频脉动。现有的解决方案均为针对矢量控制策略的不平衡控制方法，不能应用于模型预测控制方法中，且需要旋转坐标变换过程或对控制变量进行正负序分解运算，控制系统较为复杂，计算量比较大。

因此，有必要设计一种不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法，在电网电压不平衡条件下，控制方法不需要正负序分解运算及旋转坐标变换，可以抑制直流母线电压脉动，保持输出电流正弦，保证光伏发电系统的控制品质。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法，该方法可以抑制直流电压二倍频脉动，保证电流正弦度，有效减少网侧电流谐波，提高光伏发电系统网侧变换器在电网电压不平衡时的控制品质。

本发明的技术方案为：一种不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压，三相电网电流和直流侧电压；(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压和三相电网电流经abc/αβ变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压经过信号延迟得到电网电压延迟量；(4)、将直流电压参考值与步骤(1)得到的直流侧电压相减，将相减后的电压差值经过PI控制器后再与直流电压参考值相乘得到网侧变换器有功功率参考值；(5)、由步骤(2)得到的电网电压和步骤(3)得到的电网电压延迟量及步骤(4)得到的有功功率参考值，根据参考电流计算式，获得参考电流；(6)、将网侧变换器模型作为预测模型，通过预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流，通过价值函数选择使电流参考值与电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量作为最优电压矢量；(7)、用步骤(6)得到的最优电压矢量对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(5)中所述的参考电流计算式如下：

         

式中，

， 

。

本发明的控制方法在电网电压不平衡条件下，通过控制变换器两侧功率平衡保证直流母线电压稳定、网侧电流正弦，整个控制过程基于两相静止坐标系，避免了旋转坐标变换，且控制方法不包含正负序分解与锁相环节，控制结构简单，计算量较小。

附图说明

图1为光伏发电系统的结构图，图2为本发明控制方法的原理图，图3为采用本发明控制方法时变换器输出电流波形图，图4为采用本发明控制方法的直流母线电压波形图。

具体实施方法

下面结合附图对本发明做进一步说明。光伏发电系统结构如图1所示，光伏阵列通过dc-dc变换器、直流母线、网侧变换器经滤波电抗器和升压变压器与电网相连，网侧变换器的输出电流直接决定了输出到电网的电流谐波含量。

网侧变换器在两相静止α-β坐标系下的数学模型为

                                

               (1)

式中，u _gα、u _gβ分别为电网电压的α、β轴分量；u _cα、u _cβ分别为变换器输出电压的α、β轴分量；i _gα、i _gβ分别为电网电流的α、β轴分量；L _g、R _g分别为电抗器电感值及线路等效电阻。

两相静止α-β坐标系下电网电压、变换器输出电压、电网电流以及各自延迟90°后的延迟量可分别表示为

             

   ，   

       (2)

                

   ，   

     (3)

               

   ，   

     (4)

式中，U _gα、U _gβ分别为电网电压的α、β轴分量幅值；U _cα、U _cβ分别为变换器输出电压的α、β轴分量幅值；I _gα、I _gβ分别为电网电流的α、β轴分量幅值；θ ₁~θ ₆分别为对应的初相角；上标“′”表示各变量的延迟量；ω为电网电压角频率。

变换器输出有功功率P _c和无功功率Q _c为

                                    

           (5)

联立式(3)~式(5)得

  (6)

式中，第一项和第二项分别为网侧变换器输出有功功率直流分量

和二次谐波分量

。

联立式(3)、式(4)和式(6)可得

(7)

其中

              

  (8)

同理，可求出网侧变换器输出无功功率的直流分量

与二次谐波分量

为

 (9)

其中

                 (10)

图2为电网电压不平衡时光伏发电系统网侧变换器控制方法原理图。图中，u _ga(k)、u _gb(k)、u _gc(k)分别为三相静止坐标系下的电网电压；u _ca(k)、u _cb(k)、u _cc(k)分别为三相静止坐标系下的变换器输出电压；i _ga(k)、i _gb(k)、i _gc(k)分别为三相静止坐标系下的电网电流；u _dc(k)为直流母线电压；P ^*(k)为有功功率参考值；C为直流侧电容。电压外环采用PI控制器对直流电压u _dc(k)进行调节，并为电流控制环提供参考功率P ^*(k)。电流控制环通过网侧变换器模型，对下一时刻不同电压矢量作用下的电流进行预测，采用价值函数对预测的结果进行评估和优化，并选择最优的开关状态作为下一时刻功率开关的控制信号。

设控制系统采样周期为T _s，当前的采样时刻为k，则t=kT _s。由式(1)可得网侧变换器的离散化数学模型为

                               (11)

根据式(11)可以预测采用不同电压矢量u _cαi (k)、u _cβi (k)时，系统下一时刻的电流值i _mαi (k+1)、i _mβi (k+1)，下标i=1,2,...,7。

定义价值函数如下式所示

                    

     (12)

式中，上标“^*”表示参考值，、

为第k+1时刻的参考电流，由于该值在第k时刻是未知的，一般采用第k时刻的参考电流

、

代替。

模型预测控制算法在每个开关周期循环一次，其工作原理为：根据控制对象的离散模型式(11)，预测控制对象下一时刻不同开关状态下的电流，采用价值函数对不同开关状态下的预测结果进行评估，并选择使价值函数最小的电压矢量作为控制器的输出。

本发明模型预测控制是根据网侧变换器输出功率平衡原理计算参考电流。为了抑制直流电压二倍频脉动，减小电网电流畸变，计算参考电流时需考虑变换器输出有功功率直流分量恒定、谐波分量为零，同时控制无功功率直流分量为零来保证网侧变换器单位功率因数，即

                                                 

                 (13)

由式(7)可知，为使

可令

。

由式(7)、式(9)与式(13)可得

                        

      (14)

求解上式得参考电流

、与参考电流延迟量

、

分别为

                                                 

         (15)

                                                 

        (16)

其中，

。

由于变换器输出电压存在大量的开关谐波，由式(15)计算出的参考电流存在较大误差。为了避免对变换器输出电压进行延迟计算，减小参考电流计算误差，变换器输出电压的延迟量由电网电压延迟量与电网电流计算得到，由于滤波电抗器上的等效电阻R _g阻值很小，可以忽略。根据式(1)~式(4)，并用参考电流代替电网电流，变换器输出电压及其延迟量可表示为

 ，

  (17)

由式(14)~式(17)得

   ，   

  (18)

式中，

，

。

将式(18)代入式(15)，可得

                                            

(19)

式中，

。

由式(19)可知，根据电网电压、电网电压延迟量与滤波电抗器的电感值可以求得参考电流。电网电压不平衡时，以式(19)为基础设计的模型预测控制器考虑了网侧与滤波电抗器总的有功功率脉动，保证变换器输出有功功率平衡，从而抑制直流电压脉动。

对式(19)进行离散化分析可得参考电流计算式如下

               (20)

式中，

， 

。

将式(20)的参考电流代入式(12)并采用价值函数对不同开关状态下的预测结果进行评估，选择使价值函数最小的电压矢量作为最优电压矢量。将最优电压矢量对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号

根据以上分析，光伏发电系统网侧变换器的控制方法具体包括如下步骤：

(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压u _ga(k)、u _gb(k)、u _gc(k)，三相电网电流i _ga(k)、i _gb(k)、i _gc(k)和直流侧电压u _dc(k)；

(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压u _ga(k)、u _gb(k)、u _gc(k)和三相电网电流i _ga(k)、i _gb(k)、i _gc(k)经abc/αβ变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u _gα(k)、u _gβ(k)和电网电流i _gα(k)、i _gβ(k)；

(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压u _gα(k)、u _gβ(k)经过信号延迟得到电网电压延迟量u’ _gα(k)、u’ _gβ(k)；

(4)、将直流电压参考值u ^* _dc(k)与步骤(1)得到的直流侧电压u _dc(k)相减的结果，经过PI控制器后再与直流电压参考值u ^* _dc(k)相乘得到网侧变换器有功功率参考值P ^* (k)；

(5)、由步骤(2)得到的电网电压u _gα(k)、u _gβ(k)和步骤(3)得到的电网电压延迟量u’ _gα(k)、u’ _gβ(k)及步骤(4)得到的有功功率参考值P ^* (k)，根据参考电流计算式，获得参考电流i ^* _gα(k)、i ^* _gβ(k)。

(6)、通过网侧变换器预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流i _mαi (k+1)、i _mβi (k+1)，其中下标i=1,2,...,7。通过价值函数g _i (k)选择使电流参考值i _gα ^* (k+1)、i _gβ ^* (k+1)与电流预测值i _mαi (k+1)、i _mβi (k+1)之差的绝对值最小的电压矢量u _cα(k)、u _cβ(k)作为最优电压矢量；

(7)、用步骤(6)得到的最优电压矢量u _cα(k)、u _cβ(k)对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

作为进一步的实施方式，步骤(5)所述的参考电流计算式如下：

   

式中，

， 

。

图3为采用本发明控制策略的电网电流波形图，由图3可以看出，采用本发明控制算法，电网三相电流的正弦度较好，谐波含量得到较好的抑制。

图4为采用本发明控制策略的直流侧电压波形图，由图中可以看出，当电网电压不平衡时，直流母线电压二倍频脉动较小，本发明控制方法可以在电网电压不平衡情况下，获得稳定的直流母线电压。

综上所述，本发明的控制方法在不平衡电网电压下能够有效的抑制直流母线电压脉动，减少三相电流畸变，增强了光伏发电系统网侧变换器的运行能力，且结构简单，计算量小。

Claims (2)

1.不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法，其特征在于包括以下步骤：(l)、采用电压传感器和电流传感器分别检测三相电网电压，三相电网电流和直流侧电压；(2)、将步骤(l)检测到的三相电网电压和三相电网电流经abc/αβ变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和电网电流；(3)、将步骤(2)计算得到的两相静止坐标系下的电网电压经过信号延迟得到电网电压延迟量；(4)、将直流电压参考值与步骤(1)得到的直流侧电压相减的结果，经过PI控制器后再与直流电压参考值相乘得到网侧变换器有功功率参考值；(5)、由步骤(2)得到的电网电压和步骤(3)得到的电网电压延迟量及步骤(4)得到的有功功率参考值，根据参考电流计算式，获得参考电流；(6)、将网侧变换器模型作为预测模型，通过预测模型获得各电压矢量作用下的预测电流，通过价值函数选择使电流参考值与电流预测值之差的绝对值最小的电压矢量作为最优电压矢量；(7)、用步骤(6)得到的最优电压矢量对应的开关位置信号作为控制功率器件的开关信号。

2.根据权利要求1所述的不平衡电压下光伏发电系统网侧变换器模型预测控制方法，其特征在于步骤(5)中所述的参考电流计算式如下：

  

式中，

， 

。

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