CN107171587A - 一种适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，该方法在有限集模型预测控制的基础上，通过预测输出电流的纹波，同时引入电流纹波的前馈环节，消除电流的交流偏置，减小了并网逆变器输出电流的总谐波含量，从而有效提高电能变换的质量。本发明基于全桥L型并网逆变器，研究一种具有通用性的有限集模型预测控制改进算法，在单相并网逆变器的有限集模型预测控制基础上可以有效地降低输出电流的总谐波含量。本发明方法可以良好适应各种有限集模型预测控制算法在逆变器上的应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，具体涉及一种适用于逆变器的基于电流纹波预测和纹波前馈的新型有限集模型预测控制算法，属于逆变器控制技术领域。
背景技术
随着有限集模型预测控制(FCS-MPC)在功率变换器中的研究越来越深入，其一些固有缺陷也逐渐暴露出来。离散型的控制方式带来的较大的电流纹波便是其中一个亟需解决的难题。有限集模型预测控制下逆变器工作的开关频率不固定，因此带来的较大的电流纹波严重影响了逆变器输出的电能质量；如不加以改进，当这些电流纹波较大的逆变器大量接入电网后，甚至会危害电网运行的安全与稳定。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，减小了有限集模型预测控制下并网逆变器输出电流的电流纹波，提高了电能质量。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，包括如下步骤：
步骤1，获取上一时刻逆变器输出电流的相关参数，将相关参数代入输出电流的预测模型，并结合网侧电压，计算出逆变器当前时刻各个开关状态对应的输出电流预测值以及输出电流纹波预测值；
步骤2，根据控制要求建立代价函数，并将当前时刻电流参考值与输出电流纹波预测值的平均值做差，得到新的电流参考值，将新的电流参考值代入代价函数，选择出使代价函数值最小的最优开关状态应用于控制系统。
作为本发明的一种优选方案，步骤1所述输出电流的预测模型为：
其中，i(k+1)为k+1时刻输出电流预测值，i(k)为k时刻输出电流，Ts为采样周期，L为电网侧滤波电感，r为电路等效串联阻抗，uo(k)为k时刻逆变器输出电压，vg(k)为k时刻网侧电压。
作为本发明的一种优选方案，步骤2所述输出电流纹波预测值的平均值为：
其中，为k时刻输出电流纹波预测值的平均值，Ts为采样周期，L为电网侧滤波电感，vg(k)为k时刻网侧电压。
作为本发明的一种优选方案，步骤2所述新的电流参考值为：
其中，i*'(k)为k时刻新的电流参考值，i*(k)为k时刻电流参考值，Ts为采样周期，L为电网侧滤波电感，vg(k)为k时刻网侧电压。
作为本发明的一种优选方案，所述逆变器的拓扑由输入直流源、单相逆变桥、输出滤波器、交流电网四部分组成。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明减小了有限集模型预测控制下并网逆变器输出电流的电流纹波，有效降低输出电流的总谐波含量，提高了电能质量。
2、本发明改进的算法与原有限集模型预测控制相比计算量增加较少，对软硬件的要求不高。
3、本发明适应性好，具有一定的通用性，能够方便地适用于各种功率的逆变器，同时能够方便地适用于各种基于逆变器的模型预测控制算法。
附图说明
图1是单相并网逆变器的拓扑图。
图2是并网逆变器在FCS-MPC作用下输出电流示意图。
图3是基于电流纹波预测和纹波前馈的有限集模型预测控制策略框图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，单相并网逆变器的拓扑由输入直流源、单相逆变桥、输出滤波器、交流电网四部分组成。S1～S4分别表示4个含反向并联二极管的金属-氧化物半导体场效应晶体管，Vin为直流母线电压，i为逆变器的并网电流，L为电网侧滤波电感，r为电路等效串联阻抗，vg为电网电压(网侧电压)，为了简单清晰地说明本次发明的技术方案，滤波器采用L型滤波器，但并不限于L型滤波器。由图1所示，根据基尔霍夫电压定律(KVL)可得单相并网逆变器的基本电压方程为：
采用前向欧拉法，将(1)式离散化得：
将(2)式变形，即可得到输出电流的预测模型：
下面计算单相并网逆变器在有限集模型预测控制下的电流纹波。电流纹波的包络线可以表示为并网电流的极大(小)值与电流基波的差。定义输出电流纹波为输出电流实际值与输出电流参考值的差，即：
iripple(k)＝i(k)-i*(k) (4)
如图2所示，若k时刻逆变器开关状态发生改变，则k+1时刻v1预测电流对应的代价函数必定大于v0预测电流对应的代价函数，取其临界值，即：
将(4)式代入(5)式，同时由于两种开关状态产生的电流纹波符号相反，可得：
将电流参考值用状态变量表示，可得k时刻电流纹波值表达式：
忽略系统等效电阻，简写(7)式为：
在k时刻，电流值从下降变为上升，即开关状态从v0变为v1，此时电流值为极小值。由于两种开关状态产生的电流纹波符号相反，可得：
将电流参考值用状态变量表示可得：
则k时刻电流纹波值可以表达为：
当电流在负半周时，电流纹波求取结果相同。因此可以估算得到电流纹波的一般特性表达式，即电流纹波上包络线为：
电流纹波下包络线为：
电流纹波的上下包络线的差为：
所以，有限集模型预测控制作用下，输出电流因开关器件开通关断动作产生的电流纹波宽度近乎为恒值，这与滞环控制的特性有些类似。但是有限集模型预测控制产生的电流纹波并不是关于电流参考值上下对称，从数学表达式可以看出，电流纹波的平均值为：
由式(15)，电流纹波平均值是与采样周期、电感值和网侧电压有关的函数，与采样周期和网侧电压成正比，和电感值成反比。电流纹波平均值与直流侧电压以及输出电流大小无关。
在有限集模型预测环节中加入电流预测和电流前馈环节，如图3所示。在有限集模型预测控制下，单相并网逆变器的输出电流纹波为围绕零点上下不对称的锯齿波。相比于传统FCS-MPC策略，纹波前馈控制策略增加了纹波估算和纹波前馈环节。在每个采样周期，首先根据采样到的网侧电压值以及系统参数进行电流纹波的估算，然后将电流参考值与估算出的电流纹波值做差，得到新的电流参考值，将新的电流参考值代入代价函数，选择出新的最优控制开关状态。
采用纹波前馈后，电流的参考值变为：
将新的电流参考值代入纹波估算公式中，得到新的电流纹波表达式：
采用纹波前馈控制策略后，消除了单相并网逆变器输出电流纹波的交流偏置，使电流纹波变为关于零点上下对称的锯齿波。但电流纹波的宽度不变，即电流纹波的极大值与极小值的差不变。采用纹波前馈控制策略后的电流纹波有效值为：
采用纹波前馈控制策略后，电流纹波的有效值明显减小。
由总谐波含量THD的表达式可知，电流总谐波含量可以理解为电流纹波的有效值与基波电流的有效值之比。在输出电流有效值一定的情况下，电流纹波的有效值越小，输出电流的THD越小。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (5)
1.一种适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，获取上一时刻逆变器输出电流的相关参数，将相关参数代入输出电流的预测模型，并结合网侧电压，计算出逆变器当前时刻各个开关状态对应的输出电流预测值以及输出电流纹波预测值；
步骤2，根据控制要求建立代价函数，并将当前时刻电流参考值与输出电流纹波预测值的平均值做差，得到新的电流参考值，将新的电流参考值代入代价函数，选择出使代价函数值最小的最优开关状态应用于控制系统。
2.根据权利要求1所述适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，其特征在于，步骤1所述输出电流的预测模型为：
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其中，i(k+1)为k+1时刻输出电流预测值，i(k)为k时刻输出电流，Ts为采样周期，L为电网侧滤波电感，r为电路等效串联阻抗，uo(k)为k时刻逆变器输出电压，vg(k)为k时刻网侧电压。
3.根据权利要求1所述适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，其特征在于，步骤2所述输出电流纹波预测值的平均值为：
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其中，为k时刻输出电流纹波预测值的平均值，Ts为采样周期，L为电网侧滤波电感，vg(k)为k时刻网侧电压。
4.根据权利要求1所述适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，其特征在于，步骤2所述新的电流参考值为：
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其中，i*'(k)为k时刻新的电流参考值，i*(k)为k时刻电流参考值，Ts为采样周期，L为电网侧滤波电感，vg(k)为k时刻网侧电压。
5.根据权利要求1所述适用于逆变器的改进型有限集模型预测控制方法，其特征在于，所述逆变器的拓扑由输入直流源、单相逆变桥、输出滤波器、交流电网四部分组成。
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