CN104901567A - 基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括以下步骤：1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值；4)获取电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量；5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输出；6)以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。与现有技术相比，本发明具有稳定性强、逆变器效率高、开关损耗低等优点。

Description

基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法

技术领域

本发明涉及单相并网逆变器控制方法，尤其是涉及一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法。

背景技术

近年来，光伏产业发展迅猛，单相并网逆变器的控制作为其关键技术之一，得到了快速的发展。目前，应用于单相并网逆变器的控制策略有：比例积分控制、电流滞环控制、比例谐振控制、电流预测控制、电流模型预测控制。比例积分控制应用广泛，控制思想简单，可采用频域分析和极点配置方法进行参数设计，存在的问题是稳态误差难以消除，参数设计较复杂；电流滞环控制方法简单，动态响应快，但开关频率的不固定使得滤波器设计困难。对于滞环控制，有人提出了一些定频的方法，虽然改善了电流的频谱特性，但使得控制变得复杂，控制精度降低。比例谐振控制非常适合于单相控制系统，并且也可以实现无静差控制，但存在的问题是参数的设计和数字化实现比较困难。预测电流控制属于线性控制的范畴，具有控制精度高，电流谐波含量小等优点，但存在的问题是对模型参数准确性依赖比较强。电流模型预测控制是通过将系统的检测量和所有开关状态带入系统的离散模型预测下一个时刻的电流值，选取可使电流的预测值和参考值最接近的开关状态来控制逆变器下一个时刻的输出。这种控制方法原理简单，设计容易，电流响应速度快，易于数字化实现，但存在的问题是计算量大，开关频率比较高，在实际中还是难以运用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服传统模型预测控制存在计算量大、开关损耗高、开关器件死区时间设计复杂等缺点而提供一种稳定性强、逆变器效率高、开关损耗低的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括以下步骤：

1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；

2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；

3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值：

$i\left(k\right)=\frac{1}{{\mathrm{RT}}_s+L}[\mathrm{Li}(k-1)+T_{s}v\left(k\right)-T_{s}e\left(k\right)]$

式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i(k-1)为上一时刻的并网电流值，L为交流电抗电感量，v是逆变器交流输出电压，e是电网电压，T_s为系统采样时间；

4)获取以下电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：

G1(k)＝|i^*(k)-i(k)|

式中，i^*表示参考电流；

5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输出；

6)以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。

所述步骤1)具体为：

若参考电流在正半周，则逆变器的四个开关管状态为[1 0 0 1]或[1 0 0 0]，1表示对应位置的开关管为通态，0表示对应位置的开关管为断态；

若参考电流在负半周，则逆变器的四个开关管状态为[0 1 1 0]或[0 1 0 0]。

所述逆变器的四个开关管中，开关管S₁和S₂工作在基波频率下。

所述步骤5)中，通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数为：

G2＝|G1_min(k)-G1_min(k-1)|

式中，G1_min(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，G1_min(k-1)是当上一时刻电压矢量评估指标函数的最小值。

所述控制误差的限定范围为0.03|i^*|～0.07|i^*|。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明加入参考电流方向的判断对电压矢量进行初步筛选，可以预先确定和闭锁部分开关的状态，以此来降低开关损耗；

(2)设置电流跟踪差值为电压矢量评估指标函数，所有电压矢量代入指标函数进行寻优，选出可使指标函数最小的电压矢量；

(3)本发明通过加入一个降损指标函数根据降损指标函数，判定相邻时刻的控制误差，若控制误差在限定范围内，保持前一时刻开关状态输出，否则选取当前时刻满足指标函数最小值对应的开关状态，可以减小一些小扰动带来的开关误动，以此进一步降低开关损耗，通过牺牲少量的控制精度，达到降低开关损耗、增加装置效率的目的；

(4)本发明控制方法还具有电流的跟踪误差更小、逆变器的效率更高、同一桥壁开关管死区延时的设计更容易等优点。

附图说明

图1为本发明单相并网逆变器的模型预测控制结构原理图；

图2为本发明控制方法的流程示意图；

图3为四种开关状态的电流流向图；

其中，(3a)为开关管S₁、S₄动作时电流流向图，(3b)为开关管S₁动作，D₃续流时电流流向图，(3c)为开关管S₂、S₃动作时电流流向图，(3d)为开关管S₂动作，D₄续流时电流流向图；

图4为并网电流波形图；

图5为并网电流跟踪误差波形图；

图6为开关管在一个正弦周期中的PWM波形；

图7为开关管S1一个工频正弦周期的开关次数。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-图2所示，本实施例提供一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括以下步骤：

1)判断参考电流i^*(k)的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态，并获取当前开关状态下逆变器的交流输出电压矢量，对电压矢量进行初步筛选。

如图3所示，当参考电流在正半周时，逆变器的四个开关管中，开关管S₁保持通态，开关管S₂和开关管S₃保持断态，开关管S₄开通时实现能量传递，开关管S₄断开时D₃实现续流，即参考电流在正半周时选取开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的开关状态为[1 0 0 1]或[1 0 0 0]对应的电压矢量，如选取电压矢量v(1)和v(2)。当参考电流在负半周期时，开关管S₂保持通态，开关管S₁和开关管S₄保持断态，开关管S₃开通时实现能量传递，开关管S₃关断时D₄进行续流。即参考电流在负半周时选取开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄的开关状态为[0110]或[0100]对应的电压矢量，如选取电压矢量v(3)和v(4)。根据电流的方向，开关S₁和S₂工作在基波频率下。

2)根据单相并网逆变器的离散状态模型，将所选电压矢量和系统检测量代入式并网电流预测值表达式计算并网电流预测值：

$i\left(k\right)=\frac{1}{{\mathrm{RT}}_s+L}[\mathrm{Li}(k-1)+T_{s}v\left(k\right)-T_{s}e\left(k\right)]$

式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i(k-1)为上一时刻的并网电流值，L为交流电抗电感量，v是逆变器交流输出电压，e是电网电压，T_s为系统采样时间。

并网电流的波形如图4所示。

3)如图5所示，以并网电流跟踪误差(error current)作为电压矢量评估指标函数，获取电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：

G1(k)＝|i^*(k)-i(k)|

式中，i^*表示参考电流。

4)通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数为：

G2＝|G1_min(k)-G1_min(k-1)|

式中，G1_min(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，G1_min(k-1)是当上一时刻电压矢量评估指标函数的最小值。

判断该控制误差是否在限定范围内，本实施例中，控制误差的限定范围为0.03|i^*|～0.07|i^*|，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输出。通过牺牲少量的控制精度，达到降低开关损耗、增加装置效率的目的。

5)以步骤4)获得的开关状态对逆变器进行控制。

如图6-图7所示为采用本发明控制方法时四个开关管在一个正弦周期中的PWM波形和开关管S1一个工频正弦周期的开关次数示意图。

Claims (5)

1.一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；

2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；

3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值：

$i\left(k\right)=\frac{1}{{\mathrm{RT}}_s+L}[\mathrm{Li}(k-1)+T_{s}v\left(k\right)-T_{s}e\left(k\right)]$

式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i(k-1)为上一时刻的并网电流值，L为交流电抗电感量，v是逆变器交流输出电压，e是电网电压，T_s为系统采样时间；

4)获取以下电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：

G1(k)＝|i^*(k)-i(k)|

式中，i^*表示参考电流；

5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输出；

6)以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

若参考电流在正半周，则逆变器的四个开关管状态为[1 0 0 1]或[1 0 0 0]，1表示对应位置的开关管为通态，0表示对应位置的开关管为断态；

若参考电流在负半周，则逆变器的四个开关管状态为[0 1 1 0]或[0 1 0 0]。

3.根据权利要求2所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，所述逆变器的四个开关管中，开关管S₁和S₂工作在基波频率下。

4.根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤5)中，通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数为：

G2＝|G1_min(k)-G1_min(k-1)|

式中，G1_min(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，G1_min(k-1)是当上一时刻电压矢量评估指标函数的最小值。

5.根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，所述控制误差的限定范围为0.03|i^*|～0.07|i^*|。