CN105375804A - 一种不对称电压下基于npc拓扑并网逆变器的模型预测电流控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种不对称电压下基于NPC拓扑并网逆变器的模型预测电流控制方法，将模型预测电流控制技术引入到NPC并网逆变器的控制。在电力系统发生不对称故障情况下，为了准确跟踪系统正序电压相角引入解耦双同步参考坐标系锁相环(DDSRF-PLL)锁相技术对正序电压相角进行跟踪；在此基础上，利用DDSRF-PLL解耦后得到的基频电压正负序分量，结合瞬时功率理论，实现抑制负序电流分量、有功功率和无功功率震荡为控制目标的模型预测电流控制；在控制过程中，为保证NPC并网逆变器DC侧电容电压平衡在代价函数中加入权重系数项。本发明的整个控制过程减少了PI控制器使用，增强了系统的响应速度，使得并网逆变器网侧端具有更高电能质量和稳定性。

Description

一种不对称电压下基于NPC拓扑并网逆变器的模型预测电流控制方法

技术领域

本发明涉及并网逆变器控制领域，特别是一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法。

背景技术

纵观近几年的新能源发电系统研究热点及国内外研究现状，风力发电、光伏发电等可再生新能源发电技术得到空前的发展。新能源发电系统是由逆变器主导的网络，所以新能源的发展也带动着电力电子变换器技术的快速发展。当电网系统处于稳定运行状态或者发生三相对称故障时，采用传统的基于正序同步坐标系下的比例-积分(PI)控制策略就能起到良好的控制效果；但在不对称电网电压下，系统的电压和电流均会产生负序分量。此时基于正序同步坐标系下的PI控制策略就无法起到很好的控制效果。这种情况下会使并网逆变器输出的功率出现二倍频震荡现象，导致直流侧电压产生剧烈的脉动。

在电力系统中最常见的故障是单相接地故障、两相相间或相间接地短路等不对称故障。这类型不对称故障的发生、大功率单相负载的接入、单相负荷在三相系统中的不均衡分配以及单相负载用电的随机性等因素，会造成电网三相电压不平衡。能否快速从不平衡量中准确提取正序和负序分量，对后续的控制精度有着至关重要的影响。本发明专利中采用双同步参考坐标系锁相环进行电网电压正序基频分量的相位进行跟踪，在此同时，可以直接利用该锁相环得到不平衡量中准确提取正序和负序分量，省去陷波器、延时计算法等正负序分离方法的使用，减小了系统算法的复杂程度。

相比于传统的基于PI控制器的控制结构，模型预测电流控制技术是基于变换器模型的控制策略，只要通过合理的选择代价函数就可以起到良好的控制效果。省去很多PI控制器的使用，很大程度上降低了控制系统的设计难度。随着数字微处理器的快速发展，对数据的处理速度不断提高使得模型预测电流控制技术在实际应用中共得以使用。同时，模型预测电流控制还具有对约束条件处理简单、可实现死去时间补偿等优点，这些优势使其在电力电子方向得到广泛的关注。在本发明中，并网主电路系统不采用并网变压器进行电气隔离，为了提高并网电能质量和逆变器的耐压等级，采用NPC并网逆变器进行并网。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，有利于提高并网逆变器输出电能的质量和耐压等级，并为未来的发展方向提出指导。

本发明采用以下方案实现：一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，包括以下步骤，

步骤S1：选取并网逆变器系统的参数，并网点的电压等级；

步骤S2：确定三相三电平中性点钳位NPC并网逆变器的m种开关状态数以及各开关状态对应的NPC并网逆变器输出电压值；

步骤S3：建立NPC并网逆变器的数学模型；

NPC逆变器输出电压矢量为：

其中：a为单位矢量，

步骤S4：根据基尔霍夫电压方程建立NPC并网逆变器的负荷数学模型：

由

得到负荷数学模型：

其中：R为滤波电感内阻和线路等效电阻和；L为滤波电感；v为NPC逆变器输出电压矢量；i为负载电流矢量；e为电网电压矢量。v_ao、v_bo、v_co分别为NPC并网逆变器输出的A、B、C相的相电压；

步骤S5：建立直流侧电容电压数学模型：

对于直流侧电容有如下动态方程：

其中：C为上下两个电容的参数值；

步骤S6：对当前时刻的并网电流i_(k)、电网电压e_abc(k)、直流侧电容电压v_c1(k)和v_c2(k)进行采样；

步骤S7：利用双同步旋转坐标系锁相环对电网电压正序基频分量进行相位跟踪，同时利用该锁相环来分离电网电压中的正序dq轴分量(v_d ⁺、v_q ⁺)和负序dq轴分量(v_d ^-、v_q ^-)，这四个分量将用于步骤S8中参考电流的计算；

步骤S8：在恒幅值Clark变换下，求NPC并网逆变器向电网输送的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为：

其中：

在电网电压不对称情况下，有三种控制目标：

(1)抑制并网电流中的负序分量(即令i^- _{d_ref}＝i^- _{q_ref}＝0)；

(2)抑制逆变器输出有功功率振荡(即令P_s2＝P_c2＝0)；

(3)抑制逆变器输出无功功率振荡(即令Q_s2＝Q_c2＝0)；

步骤S9：求取k时刻电网的电压值；

其中：T_s为系统采样时间；

步骤S10：利用前向欧拉逼近公式对电容电压数学模型进行离散化，用于预测求取k+1时刻的电容电压值：

步骤S11：利用前向欧拉逼近公式对NPC并网逆变器的负荷数学模型进行离散化，用于预测求取k+1时刻的并网电流值：

步骤S12：建立模型预测控制的代价函数，用于评价NPC并网逆变所具有的所有开关状态，选择使代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；所建立的代价函数为：

其中：i_{α_ref}和i_{β_ref}分别通过步骤S8中根据控制目标算出的参考电流在α轴和β轴上的分解量；i_α(k+1)和i_β(k+1)分别为通过所述步骤S11中预测模型所预测得到的k+1时刻并网电流在α轴和β轴上的分解量；v_c1(k+1)和v_c2(k+1)分别为通过所述步骤S10中预测模型所预测得到的k+1时刻直流侧上下电容的电压值；λ为惯性权重系数，其取值大小会影响电流控制的精度，λ值取的越大，对电容电压平衡效果就会越强，但是电流跟踪效果会被削弱；

步骤S13：对所述步骤S12中算出的所有代价函数值进行保存；

步骤S14：对所述步骤S13中保存的代价函数值进行排序，选择使得代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；

步骤S15：等待下一个采样时刻，返回所述步骤S6。

进一步地，所述步骤S2中，利用NPC拓扑逆变器进行并网。

进一步地，所述步骤S6、S7、S8、S12中，将模型预测电流控制策略应用于NPC并网逆变器的控制。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、采用双同步参考坐标系锁相环对电网电压正序基频分量相位进行跟踪，不仅可以提高相位的跟踪精度，而且可以直接获得电网电压的正负序分量；

2、当没有并网变压器存在于并网逆变器与电网之间进行电气隔离时，采用NPC并网逆变器不仅可以提高并网逆变器的耐压等级，而且可以提高逆变器的输送容量和电能质量。

3、采用模型预测电流控制策略对NPC并网逆变器进行控制，这种控制不仅在控制系统设计方便比较快捷简单，而且系统动态响应速度快，跟踪性能好。

附图说明

图1为本发明的并网系统主电路图。

图2为本发明的模型预测电流控制程图。

图3为本发明的方法流程图。

图4为本发明实例中对逆变器输出电流负序分量进行抑制控制结果图。

图5为本发明实例中对逆变器输出有功功率振荡进行抑制控制结果图。

图6为本发明实例中对逆变器输出无功功率振荡进行抑制控制结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

本实施提供一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，如图1、图2和图3所示，具体包括以下步骤：

步骤S1：如图1所示并网主电路系统，选取并网逆变器系统的参数，并网点的电压等级。这些参数选取如下表1中所示，其中，V_dc为逆变器直流侧电压；C₁/C₂为直流侧电容；L为滤波电感；R为滤波电感的等效电阻；T_s为采样时间；e_abc为电网电压：

表1系统参数选取框图

步骤S2：三相三电平中性点钳位NPC并网逆变器的开关状态总数m＝27种，同时，确定各开关状态对应的NPC并网逆变器输出电压向量v_(k)；

步骤S3：如图1所示，建立NPC并网逆变器的数学模型；

NPC逆变器输出电压矢量为：

其中：a为单位矢量，NPC并网逆变器可产生27种开关状态组合；其中包含3个零向量，每项输出电压可能值为V_dc/2、0、-V_dc/2；

步骤S4：如图1所示，根据基尔霍夫电压方程可以建立NPC并网逆变器的负荷数学模型；因为

所以有负荷数学模型：

其中：R为滤波电感内阻和线路等效电阻和；L为滤波电感；v为NPC逆变器输出电压矢量；i为负载电流矢量；e为电网电压矢量。v_ao、v_bo、v_co分别为NPC并网逆变器输出的A、B、C相的相电压；

步骤S5：如图1所示，建立直流侧电容电压数学模型；

对于直流侧电容有如下动态方程：

其中：C为上下两个电容的参数值；

步骤S6：对当前时刻并网电流i_(k)、电网电压e_abc(k)、直流侧电容电压v_c1(k)和v_c2(k)进行采样；

步骤S7：利用双同步旋转坐标系锁相环对电网电压正序基频分量进行相位跟踪，同时，利用该锁相环来分离电网电压中的正序dq轴分量(v_d ⁺、v_q ⁺)和负序dq轴分量(v_d ^-、v_q ^-)，这四个分量将用于步骤S8中参考电流的计算；

步骤S8：在恒幅值Clark变换下，求NPC并网逆变器向电网输送的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为：

其中：

为方便控制系统设计，在控制过程中采用电网正序电压矢量定向，即取v_q ⁺＝0；同时，为保证并网逆变器保持单位功率因数工作状态，要求并网逆变器送入电网的无功功率参考值为0，即取Q_{0_ref}＝0，有功功率P_{0_ref}＝20KW；本步骤中的参考电流计算都是基于同步选装dq坐标系，在计算完成后，将其变换到两相静止αβ坐标系；

电网电压不对称情况下，有三种控制目标：

(1)抑制并网电流中的负序分量(即令i^- _{d_ref}＝i^- _{q_ref}＝0)，求得参考电流：

(2)抑制逆变器输出有功功率振荡(即令P_s2＝P_c2＝0)，求得参考电流：

(3)抑制逆变器输出无功功率振荡(即令Q_s2＝Q_c2＝0)，求得参考电流：

其中：

步骤S9：利用所述步骤S6中采样得到的并网电流i_(k)，求取k-1时刻电网的电压值，又因为当采样频率远大于电网频率时，可近似认为前后两个时刻电网电压相等，即e_(k)＝e_(k-1)；

其中：T_s为系统采样时间；

步骤S10：利用前向欧拉逼近公式对电容电压数学模型进行离散化；利用所述步骤S6中采样得到的直流侧电容电压v_c1(k)和v_c2(k)，用于预测求取k+1时刻的电容电压值：

步骤S11：利用前向欧拉逼近公式对NPC并网逆变器的负荷数学模型进行离散化，利用所述步骤S6中采样得到的并网电流i_(k)、所述步骤S2所确定的某一开关状态下对应的逆变器输出电压向量v_(k)以及由所述步骤S9求得的估计电网e_(k)，用于预测求取k+1时刻的并网电流值：

步骤S12：建立模型预测控制的代价函数，用于评价NPC并网逆变所具有的所有开关状态，选择使代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；所建立的代价函数为：

其中：i_{α_ref}和i_{β_ref}分别通过所述步骤S8中根据控制目标算出的参考电流在α轴和β轴上的分解量；i_α(k+1)和i_β(k+1)分别为通过所述步骤S11中预测模型所预测得到的k+1时刻并网电流在α轴和β轴上的分解量；v_c1(k+1)和v_c2(k+1)分别为通过所述步骤S10中预测模型所预测得到的k+1时刻直流侧上下电容的电压值；λ为惯性权重系数，其取值大小会影响电流控制的精度，λ值取的越大，对电容电压平衡效果就会越强，但是电流跟踪效果会被削弱。

步骤S13：对所述步骤S12中算出的所有代价函数值进行保存，回到所述步骤S10继续计算，直到27个开关状态所对应的逆变器输出电压向量全部用于所述步骤S11计算完毕，然后进行所述步骤S14；

步骤S14：对所述步骤S13中保存的代价函数值进行排序，选择使得代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；

步骤S15：等待下一个采样时刻。

在本实施例中，所述步骤S2中，利用NPC拓扑逆变器进行并网；所述步骤S6、S7、S8、S12中，将模型预测电流控制策略应用于NPC并网逆变器的控制。

在本实施例中，系统的参数设置如表1所示，同时，NPC并网逆变器向电网输送的有功功率参考值设置为P_{0_ref}＝20KW，无功功率参考值为Q_{0_ref}＝0Kvar。电网在0.2s时发生相间短路故障，故障时电网电压跌落设置为v⁺¹＝0.6∠-45(pu)和v^-1＝0.2∠+45(pu)，在0.3s切除故障。根据步骤S8中所述三种控制方式，分别做三个实验，实验结果如图4、图5、图6所示。

综上所述，本发明有利于提高并网逆变器输出电能质量、减低并网逆变器控制策略的设计难度，同时提高系统的响应速度，为未来的发展方向提出指导。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤S1：选取并网逆变器系统的参数，并网点的电压等级；

步骤S2：确定三相三电平中性点钳位NPC并网逆变器的m种开关状态数以及各开关状态对应的NPC并网逆变器输出电压值；

步骤S3：建立NPC并网逆变器的数学模型；

NPC逆变器输出电压矢量为：

$v=\frac{2}{3}(v_{ao}+{\mathrm{av}}_{bo}+a^2{v}_{co})$

其中：a为单位矢量，

步骤S4：根据基尔霍夫电压方程建立NPC并网逆变器的负荷数学模型：

由

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{ao}=L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+{\mathrm{Ri}}_a+e_a+v_{no}\\ v_{bo}=L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+{\mathrm{Ri}}_b+e_b+v_{no}\\ v_{co}=L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+{\mathrm{Ri}}_c+e_c+v_{no}\end{array}\right.$

得到负荷数学模型：

$v=L\frac{di}{dt}+Ri+e$

其中：R为滤波电感内阻和线路等效电阻和；L为滤波电感；v为NPC逆变器输出电压矢量；i为负载电流矢量；e为电网电压矢量。v_ao、v_bo、v_co分别为NPC并网逆变器输出的A、B、C相的相电压；

步骤S5：建立直流侧电容电压数学模型：

对于直流侧电容有如下动态方程：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{c1}=C\frac{{\mathrm{dv}}_{c1}}{dt}\\ i_{c2}=C\frac{{\mathrm{dv}}_{c2}}{dt}\end{array}\right.$

其中：C为上下两个电容的参数值；

步骤S6：对当前时刻的并网电流i_(k)、电网电压e_abc(k)、直流侧电容电压v_c1(k)和v_c2(k)进行采样；

步骤S7：利用双同步旋转坐标系锁相环对电网电压正序基频分量进行相位跟踪，同时利用该锁相环来分离电网电压中的正序dq轴分量(v_d ⁺、v_q ⁺)和负序dq轴分量(v_d ^-、v_q ^-)，这四个分量将用于步骤S8中参考电流的计算；

步骤S8：在恒幅值Clark变换下，求NPC并网逆变器向电网输送的瞬时有功功率和瞬时无功功率分别为：

$\left\{\begin{array}{c}p=P_0+P_{c2}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+P_{s2}sin\left(2\mathrm{\ω}t\right)\\ q=Q_0+Q_{c2}cos\left(2\mathrm{\ω}t\right)+Q_{s2}sin\left(2\mathrm{\ω}t\right)\end{array}\right.$

其中：

$\left[\begin{array}{c}{P}_0\\ Q_0\\ P_{c2}\\ Q_{c2}\\ P_{s2}\\ Q_{s2}\end{array}\right]=\frac{3}{2}\left[\begin{array}{cccc}{v}_d^{+}& v_q^{+}& v_d^{-}& v_q^{-}\\ v_q^{+}& -v_d^{+}& v_q^{-}& -v_d^{-}\\ v_d^{-}& v_q^{-}& v_d^{+}& v_q^{+}\\ v_q^{-}& -v_d^{-}& v_q^{+}& -v_d^{+}\\ v_q^{-}& -v_d^{-}& -v_q^{+}& v_d^{+}\\ -v_d^{-}& -v_q^{-}& v_d^{+}& v_q^{+}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d^{+}\\ i_q^{+}\\ i_d^{-}\\ i_q^{-}\end{array}\right]$

在电网电压不对称情况下，有三种控制目标：

(1)抑制并网电流中的负序分量(即令i^- _{d_ref}＝i^- _{q_ref}＝0)；

(2)抑制逆变器输出有功功率振荡(即令P_s2＝P_c2＝0)；

(3)抑制逆变器输出无功功率振荡(即令Q_s2＝Q_c2＝0)；

步骤S9：求取k时刻电网的电压值；

$e_{\left(k\right)}=e_{(k-1)}=v_{(k-1)}-\frac{L}{T_s}{i}_{\left(k\right)}-(R-\frac{L}{T_s})i_{(k-1)}$

其中：T_s为系统采样时间；

步骤S10：利用前向欧拉逼近公式对电容电压数学模型进行离散化，用于预测求取k+1时刻的电容电压值：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{c1(k+1)}=v_{c1\left(k\right)}+\frac{T_s}{C}\·i_{c1\left(k\right)}\\ v_{c2(k+1)}=v_{c2\left(k\right)}+\frac{T_s}{C}\·i_{c2\left(k\right)}\end{array}\right.;$

步骤S11：利用前向欧拉逼近公式对NPC并网逆变器的负荷数学模型进行离散化，用于预测求取k+1时刻的并网电流值：

$i_{(k+1)}=(1-\frac{{\mathrm{RT}}_s}{L})i_{\left(k\right)}+\frac{T_s}{L}(v_{\left(k\right)}-e_{\left(k\right)});$

步骤S12：建立模型预测控制的代价函数，用于评价NPC并网逆变所具有的所有开关状态，选择使代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；所建立的代价函数为：

f＝|i_{α_ref}-i_α(k+1)|+|i_{β_ref}-i_β(k+1)|+λ|v_c1(k+1)-v_c2(k+1)|

其中：i_{α_ref}和i_{β_ref}分别通过步骤S8中根据控制目标算出的参考电流在α轴和β轴上的分解量；i_α(k+1)和i_β(k+1)分别为通过所述步骤S11中预测模型所预测得到的k+1时刻并网电流在α轴和β轴上的分解量；v_c1(k+1)和v_c2(k+1)分别为通过所述步骤S10中预测模型所预测得到的k+1时刻直流侧上下电容的电压值；λ为惯性权重系数，其取值大小会影响电流控制的精度，λ值取的越大，对电容电压平衡效果就会越强，但是电流跟踪效果会被削弱；

步骤S13：对所述步骤S12中算出的所有代价函数值进行保存；

步骤S14：对所述步骤S13中保存的代价函数值进行排序，选择使得代价函数值为最小的开关状态作为下一时刻NPC并网逆变器的开关状态信号；

步骤S15：等待下一个采样时刻，返回所述步骤S6。

2.根据权利要求1所述的一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，其特征在于：所述步骤S2中，利用NPC拓扑逆变器进行并网。

3.根据权利要求1所述的一种不对称电压下基于NPC拓扑三相并网逆变器的模型预测电流控制方法，其特征在于：所述步骤S6、S7、S8、S12中，将模型预测电流控制策略应用于NPC并网逆变器的控制。