CN104993512B - 一种适用于三相并网逆变器的快速模型预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于三相并网逆变器的快速模型预测控制方法，包括以下步骤:(1)设定一个变化率门槛值和时间长度值；(2)实时计算参考值的变化率并与设定的变化率门槛值比较，当三相参考值变化率均小于门槛值时，采用无权重价值函数；否则采用有权重价值函数，权重取值等于此时三相参考值的变化率，并开始计时；(3)当计时时间超过设定的时间长度值时，转到步骤(2)。本发明通过在价值函数上添加适当的权重来构成一个新的价值函数，与传统的价值函数相比，在参考值发生较大变化时，本方法可以有效地减少追踪时间。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于三相并网逆变器的快速模型预测控制方法。
背景技术
模型预测控制是一种基于模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法。假设系统的采样周期为TS，系统变量在tk时刻的值为x(k),系统共有有限的n种控制策略S1、S2、S3…Sn，如图1所示。在tk时刻，系统根据预测模型和当前变量值x(k)可以预测出与n种控制策略对应的n个下一周期系统变量值x1(k+1)、x2(k+1)、x3(k+1)…xn(k+1)。然后在n个预测值中选择与参考值最为接近的一个，并采用相应的控制策略。如图1中在tk时刻得到的n个预测值中，x1(k+1)与参考值最接近，所以此时控制策略采用S1。为了衡量预测值与参考值的相近度，需要定义一个价值函数。函数值越小，预测值与参考值就越接近。
三相逆变器的三个桥臂上的六个开关管共有8种开关状态，产生7种不同的电压合成矢量，如图2所示。零矢量对应的两种开关组合只取其一。由于逆变器的开关组合(控制集)个数有限，所以可以利用逆变器的预测模型，采用遍历法计算出在所有开关组合分别作用下的逆变器输出电流，并选择使所设计的价值函数最小的开关组合作用于逆变器。
三相逆变器的模型预测控制过程如图3所示，在逆变器输出侧采样得到输出电流i(k)，预测模型利用已知的系统参数L和R、采样电流i(k)、和7种开关组合产生的输出电压可计算出7个预测电流i(k+1)。然后把这7个预测电流与参考电流进行比较，与参考电流最为接近的预测电流对应的开关状态就将在下一周期被采用。常用的价值函数如下：
式中，ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)为预测电流；ia *、ib *和ic *为参考电流。
三相并网逆变器可根据需要输出有功功率和无功功率，比如当电网电压跌落时，逆变器需向电网输送无功来支持电网电压的恢复，实现低电压穿越。此外，如果非线性负载过多，电网电流中还会含有较多的谐波，此时逆变器还需要输出谐波电流来供给非线性负载，以避免公用电网受到污染。为了实现逆变器在不同输出之间的切换，参考电流要根据需要进行调整。当参考电流发生突变时，实际输出电流需要一段时间来追踪上参考值，在这段时间内，系统内状态变量将出现波动，影响系统稳定性，因此应尽量缩短追踪时间。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种适用于三相并网逆变器的快速模型预测控制方法，该方法通过在价值函数上添加适当的权重来构成一个新的价值函数。与传统的价值函数相比，在参考值发生较大变化时，本方法可以有效地减少追踪时间。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
为了实现逆变器在不同输出之间的切换，参考电流要根据需要进行调整。当参考电流在短时间内发生较大的变化时，系统需要一定的时间来追踪参考值。为了减小追踪时间，可在价值函数上添加权重，如下所示：
式中，λa、λb和λc为公式中每一项的权重。其取值根据参考值的变化率来选取。比如在参考电流发生突变的情况下，计算出三相参考电流在突变时刻的变化率，然后将每一相的变化率赋值给相应的权重。由于追踪时间较短，可以设定在一个固定的时间长度内使用加权中的价值函数。
一种适用于三相并网逆变器的快速模型预测控制方法，包括以下步骤：
(1)设定变化率门槛值和时间长度值；
(2)实时检测参考电流的变化率，当三相参考电流的变化率均小于步骤(1)中设定的变化率门槛值时，采用无权重函数作为价值函数；
(3)当至少一相参考电流的变化率大于门槛值时，将各相参考电流的变化率赋值权重，采用有权重函数作为价值函数，并开始计时；
(4)当计时时间超过设定的时间长度值时，转到步骤(2)。
所述步骤(3)中，有权重价值函数是在价值函数的每一项上增加权重，其权重值等于判断大于门槛值瞬间各相的参考电流变化率。
所述步骤(3)中，具体方法为在价值函数上添加权重，如下所示：
式中，λa、λb和λc为公式中每一项的权重，其取值根据参考值的变化率来选取，ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)为预测电流；ia *、ib *和ic *为参考电流。
所述步骤(3)中，当判断采用有权重价值函数后，在一个预设的固定时间长度内一直采用此函数，直到这一时段结束才重新实测和判断。
本发明的有益效果为：
本发明通过在价值函数上添加适当的权重来构成一个新的价值函数，与传统的价值函数相比，在参考值发生较大变化时，本方法可以有效地减少追踪时间。
附图说明
图1为模型预测控制原理；
图2为三相逆变器的电压矢量；
图3为三相并网逆变器的模型预测控制结构图；
图4为模型预测控制快速算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
模型预测控制是一种基于模型、滚动实施并结合反馈校正的优化控制算法。假设系统的采样周期为TS，系统变量在tk时刻的值为x(k),系统共有有限的n种控制策略S1、S2、S3…Sn，如图1所示。在tk时刻，系统根据预测模型和当前变量值x(k)可以预测出与n种控制策略对应的n个下一周期系统变量值x1(k+1)、x2(k+1)、x3(k+1)…xn(k+1)。然后在n个预测值中选择与参考值最为接近的一个，并采用相应的控制策略。如图1中在tk时刻得到的n个预测值中，x1(k+1)与参考值最接近，所以此时控制策略采用S1。为了衡量预测值与参考值的相近度，需要定义一个价值函数。函数值越小，预测值与参考值就越接近。
三相逆变器的三个桥臂上的六个开关管共有8种开关状态，产生7种不同的电压合成矢量，如图2所示。零矢量对应的两种开关组合只取其一。由于逆变器的开关组合(控制集)个数有限，所以可以利用逆变器的预测模型，采用遍历法计算出在所有开关组合分别作用下的逆变器输出电流，并选择使所设计的价值函数最小的开关组合作用于逆变器。
三相逆变器的模型预测控制过程如图2所示，在逆变器输出侧采样得到输出电流i(k)，预测模型利用已知的系统参数L和R、采样电流i(k)、和7种开关组合产生的输出电压可计算出7个预测电流i(k+1)。然后把这7个预测电流与参考电流进行比较，与参考电流最为接近的预测电流对应的开关状态就将在下一周期被采用。常用的价值函数如下：
式中，ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)为预测电流；ia *、ib *和ic *为参考电流。
为了实现逆变器在不同输出之间的切换，参考电流要根据需要进行调整。当参考电流在短时间内发生较大的变化时，系统需要一定的时间来追踪参考值。为了减小追踪时间，可在价值函数上添加权重，如下所示：
式中，λa、λb和λc为公式中每一项的权重。其取值根据参考值的变化率来选取。比如在参考电流发生突变的情况下，计算出三相参考电流在突变时刻的变化率，然后将每一相的变化率赋值给相应的权重。由于追踪时间较短，可以设定在一个固定的时间长度内使用加权中的价值函数。
适用于三相并网逆变器的模型预测控制快速追踪算法如图4所示，包括以下步骤：
(1)设定一个变化率门槛值和时间长度值；
(2)实时检测参考电流的变化率，当三相参考电流的变化率均小于步骤(1)中设定的变化率门槛值时，采用公式(1)作为价值函数；当至少一相参考电流的变化率大于门槛值时，将各相参考电流的变化率赋值给相应的权重，采用公式(2)作为价值函数，并开始计时；
(3)当计时时间超过步骤(1)设定的时间长度值时，转到步骤(2)。
步骤(2)中，通过实时检测三相参考电流的变化率并将其与门槛值比较来判断采用何种价值函数。当至少一相的实测变化率大于门槛值时采用有权重的价值函数，否则采用无权重价值函数。
步骤(2)的有权重价值函数是在函数的每一项上增加权重，其权重值等于判断大于门槛值瞬间各相的参考电流变化率。
步骤(3)中，当判断采用有权重价值函数后，在一个预设的固定时间长度内一直采用此函数，直到这一时段结束才重新实测和判断。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (1)
1.一种适用于三相并网逆变器的快速模型预测控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)设定变化率门槛值和时间长度值；
(2)实时检测参考电流的变化率，当三相参考电流的变化率均小于步骤(1)中设定的变化率门槛值时，采用无权重函数作为价值函数；
(3)当至少一相参考电流的变化率大于门槛值时，将各相参考电流的变化率赋值权重，采用有权重函数作为价值函数，并开始计时；
(4)当计时时间超过设定的时间长度值时，转到步骤(2)；
所述步骤(3)中，有权重价值函数是在价值函数的每一项上增加权重，其权重值等于判断大于门槛值瞬间各相的参考电流变化率；
所述步骤(3)中，具体方法为在价值函数上添加权重，如下所示：
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式中，λa、λb和λc为公式中每一项的权重，其取值根据参考值的变化率来选取，ia(k+1)、ib(k+1)和ic(k+1)为预测电流；ia*、ib*和ic*为参考电流；
所述步骤(3)中，当判断采用有权重价值函数后，在一个预设的固定时间长度内一直采用此函数，直到这一时段结束才重新实测和判断。
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