CN108400616A - 一种基于mpdpc的光伏并网逆变器动态性能优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，包括步骤：S1：检测当前k时刻三相电压型光伏并网逆变器系统的三相电网电压、三相电网电流和直流母线电压，并计算以预测k+1时刻的有功功率和无功功率；S2：根据k+1时刻的有功功率和无功功率，向后预测一拍获取k+2时刻的有功功率和无功功率；S3：将k+2时刻的有功功率和无功功率代入改进的指标函数中，通过对功率差值限幅，选出最优非零矢量；S4：获取最优非零矢量和零矢量共同作用时的占空比，通过占空比进行调制，获取控制功率器件的开关信号。与现有技术相比，本发明可抑制并网系统有功和无功之间的耦合，且在保持传统MPDPC方法功率控制稳态性能同时，显著提高系统动态响应性能。

Description

一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法。

背景技术

随着经济的快速发展，不可再生能源减少和环境污染等问题日益严重，分布式发电技术引起了人们的广泛关注。并网逆变器作为光伏发电系统与电网的接口，是分布式发电系统的核心，其控制性能直接影响发电系统输出的电能质量，因而得到广泛研究。

目前，并网逆变器控制技术已成为电力电子领域的研究热点。逆变器的控制方法最常用的有电压定向控制(voltage oriented control，VOC)和直接功率控制(directpower control，DPC)。模型预测控制(model predictive control，MPC)是近些年新兴的一种方法，因其优越的控制性能在电力电子变换器中得到广泛应用。其中，模型预测直接功率控制(model predictive direct power control，MPDPC)将直接功率控制应用到模型预测中，利用两电平逆变器开关状态的有限性，将所有开关状态对应的电压矢量代入指标函数进行寻优，选择可使控制误差最小的电压矢量。与DPC通过查开关表选择最优矢量不同，MPDPC矢量选择更加精确，功率误差较小且能够获得更好的动态效果。但传统MPDPC每个控制周期仅选择一个电压矢量，为了保障良好的控制效果，需要较高的采样频率，且存在较大的功率跟踪控制误差。

针对这种情况，Yongchang Zhang等人在IEEE Transactions on PowerElectronics 上发表的《Model Predictive Direct Power Control of a PWM RectifierWith Duty Cycle Optimization》提出在传统MPDPC基础上引入占空比的概念，单一矢量作用的同时用零矢量优化控制效果，减小了功率稳态误差。但此方法的指标函数由有功功率、无功功率两个控制目标的误差平方和组成，因此这两个控制目标都不能脱离另一个单独控制，其中任何一个的变化都会对另一个产生影响。随着有功功率、无功功率变化量的增大，控制过程中两者的耦合现象也越来越严重，逆变器系统的动态性能恶化。对此，Dae KeunChoi等人在IEEE Transactions on Industrial Electronics上发表的《DynamicPerformance Improvement of AC/DC Converter Using Model Predictive DirectPower Control Finite Control Set》通过在指标函数加入两个权重系数，减少了系统动态过程中的功率耦合影响，但是这种方法的权重系数准确设计存在很大困难，需要反复试验调试，影响了其推广应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，该方法包括下列步骤：

S1：检测当前k时刻三相电压型光伏并网逆变器系统的三相电网电压、三相电网电流和直流母线电压，并据此计算预测得到k+1时刻的有功功率和无功功率；

S2：根据k+1时刻的有功功率和无功功率，向后预测一拍获取k+2时刻的有功功率和无功功率；

S3：将k+2时刻的有功功率和无功功率代入改进的指标函数中，通过对功率差值限幅，选出最优非零矢量；

S4：获取最优非零矢量和零矢量共同作用时的占空比，通过占空比进行调制，获取控制功率器件的开关信号，完成动态性能优化。

优选地，所述的步骤S1具体包括以下步骤：

101)检测当前k时刻三相电压型光伏并网逆变器系统的三相电网电压、三相电网电流和直流母线电压，经过abc/αβ变换获取两相静止坐标系下的电网电压和电流值；

102)根据两相静止坐标系下电网电压和电流值计算当前k时刻的有功功率p^k和q^k；

103)将直流母线电压参考值与直流母线电压实际值作差，经过PI控制器得到两相静止坐标系下的有功功率参考值，并设置无功功率参考值为0；

104)将三相电压型光伏并网逆变器的数学模型作为预测模型，将两相静止坐标系下的三相电网电压、直流母线电压及计算得到的有功功率和无功功率值作为预测模型的输入，预测k+1时刻的有功功率p^k+1和无功功率q^k+1。

优选地，所述的步骤104)中，k+1时刻的有功功率p^k+1和无功功率q^k+1的预测值的表达式为：

式中，R为交流侧电阻，L为交流侧电感，T_s为周期，Re为矢量的实部，Im为矢量的虚部，u_s为电网电压，u_c为逆变器输出电压矢量，ω为电网频率。

优选地，所述的步骤S2中，k+2时刻的有功功率预测值p^k+2和无功功率预测值q^k+2的公式为：

优选地，所述的步骤S3中，改进的指标函数的表达式为：

W＝|p^ref-p^k+2|²+|q^ref-q^k+2|²

式中，p^ref为k+2时刻的有功功率给定值，q^ref为k+2时刻的无功功率给定值，当有功功率给定值p^ref阶跃变化时，降低指标函数中p^ref-p^k+2的取值。

优选地，所述的步骤S3中，对功率差值限幅的公式为：

式中，m为比例系数；分别为工频周期内，有功功率和无功功率的最大功率变化率，且有：

式中，V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别为八个基本空间电压矢量，其中，V0与V7的效果相同。

优选地，所述的步骤S4中，选出最优非零矢量后，采用功率误差最小化原则计算最优矢量作用时间。

优选地，非零矢量最优作用时间t₁的表达式为：

式中，δ_p1为非零矢量的有功功率对时间的导数，δ_p0为零矢量的有功功率对时间的导数，δ_q1为非零矢量的无功功率对时间的导数，δ_q0为零矢量的无功功率对时间的导数，有功功率变化量Δp＝p^ref-p^k+2，无功功率变化量Δq＝q^ref-q^k+2。

优选地，零矢量作用时间为t₀＝T_s—t₁。

与现有技术相比，在光伏并网逆变控制中，针对模型预测直接功率控制方法中功率阶跃响应时有功功率和无功功率之间的耦合情况，本发明方法通过对功率跟踪误差值的瞬时值进行限幅，使得权重系数准确设计更加简单，无需反复试验调试，限幅后可抑制并网系统有功和无功之间的耦合，在不改变系统稳态性能的情况下，显著提高并网控制系统动态响应性能。

附图说明

图1为三相电压型光伏并网逆变器的拓扑结构图；

图2为采用本发明方法的三相电压型光伏并网逆变器的控制框图；

图3为六个有效电压矢量的功率在不同扇区内的瞬时功率变化率曲线图，其中，图3(a)为有功功率在各扇区的功率变化率曲线图，图3(b)为无功功率在各扇区的功率变化率曲线图；

图4为本发明实施例中采用传统MPDPC方法的功率功率参考值阶跃时各参数随时间变化的曲线图；

图5为本发明实施例中采用本发明方法的有功功率参考值阶跃时各参数随时间变化的曲线图；

图6为本发明实施例中传统MPDPC方法与本发明方法的有功功率参考值阶跃响应的波形对比图，其中，图6(a)为传统MPDPC的有功功率参考值阶跃响应的波形图，图6(b)为本发明方法的有功功率参考值阶跃响应的波形图；

图7本发明实施例中传统MPDPC与本发明方法的无功功率参考值阶跃响应的波形对比图，其中，图7(a)为传统MPDPC的无功功率参考值阶跃响应的波形图，图7(b)为本发明方法的无功功率参考值阶跃响应的波形图。

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。

实施例

三相电压型光伏并网逆变器主电路拓扑结构如图1所示。其在静止αβ坐标系的数学模型为：

式中：R、L分别为交流侧电阻、电感；u_s和i_s分别为电网电压、电流；u_c为逆变器输出电压矢量，其值由开关状态和直流侧电压所决定，表达式如下：

其中，U_dc为逆变器直流侧电压，S_con为逆变器开关状态矢量；式中，s_j＝1(j＝a,b,c)表示上桥臂导通、下桥臂关断，s_j＝0表示下桥臂导通，上桥臂关断。

根据瞬时功率理论，网侧复功率S可以表示为：

其中，“*”为共轭因子，p和q分别表示有功功率和无功功率。

对于三相平衡系统，有u_s＝|u_s|e^jωt，其中，ω为电网频率。对电网电压求导后得：

电网电流微分方程可由式(1)变换得到，即：

将式(4)、(5)代入式(3)，复功率的微分方程可表示如下：

分离式(6)的实部和虚部，可以得到有功功率和无功功率的微分方程为：

由式(7)可得下一时刻有功功率和无功功率的预测值为：

传统数字控制存在控制延时问题，为消除控制延时，常用的方法是离散模型递推一步，用k+2时刻的功率进行控制，将式(8)递推可得k+2时刻的有功功率预测值p^k+2和无功功率预测值q^k+2为：

式中，p^k+2和q^k+2的值由逆变器输出电压矢量决定，R为交流侧电阻，L为交流侧电感，T_s为周期，Re为矢量的实部，Im为矢量的虚部。

传统MPDPC方法中，有功功率和无功功率两个控制因子组合成一个指标函数，并且被同时控制。如果功率控制过程中有功或无功在小范围发生波动，功率耦合很小，动态性能良好。但是，如果功率波动范围很大，控制权重会集中于有功功率或者无功功率中的某一方，导致另一控制目标性能恶化，出现耦合现象。为了避免这种情况，本发明对指标函数进行校正，实现了对下一个周期开始时功率给定值的跟踪控制。

本发明涉及一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，包括以下步骤：

(一)、检测当前k时刻三相电压型光伏并网逆变器系统的三相电网电压、三相电网电流和直流母线电压，并据此计算预测得到k+1时刻的有功功率和无功功率；

(二)、根据k+1时刻的有功功率和无功功率，向后预测一拍获取k+2时刻的有功功率和无功功率；

(三)、将k+2时刻的有功功率和无功功率代入改进的指标函数中，通过对功率差值限幅，选出最优非零矢量；

(四)、获取最优非零矢量和零矢量共同作用时的占空比，通过占空比进行调制，获取控制功率器件的开关信号，完成动态性能优化。

基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法控制框图如图2所示。

传统MPDPC常用指标函数为：

W＝|p^ref-p^k+2|²+|q^ref-q^k+2|² (10)

式中，p^ref和q^ref分别为有功功率和无功功率给定值；p^k+2和q^k+2分别为有功功率预测值和无功功率预测值，二者的值由逆变器输出电压矢量决定，选择最优的矢量可使指标函数W值最小。当有功功率给定值p^ref阶跃变化时，W中p^ref-p^k+2的值较大，将损失无功功率的控制效果，造成无功功率q的瞬时波动，为了实现有功的快速控制，可将改进的指标函数中p^ref-p^k+2的取值降低，以抑制无功功率q的波动；同理，当无功功率给定值q^ref阶跃变化时，有功功率p的波动增大，将会严重影响有功功率p的控制，从而影响系统动态响应性能。

为了降低功率控制的耦合效果，采用功率差值输出限幅的方法：

式中，m为比例系数；分别为工频周期内，有功功率和无功功率的最大功率变化率，且有：

式中，V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别为八个基本空间电压矢量，其中，V0与V7的效果相同。

选出最优非零矢量后，为了优化占空比，基于功率误差最小化原则计算最优矢量作用时间。由式(7)可得非零矢量和零矢量的有功功率和无功功率对时间导数，定义如下：

式中，δ_p1为非零矢量的有功功率对时间的导数，δ_p0为零矢量的有功功率对时间的导数，δ_q1为非零矢量的无功功率对时间的导数，δ_q0为零矢量的无功功率对时间的导数。

有功功率和无功功率在k+2时刻的预测值可由下式得到：

其中，t₁为一个周期内非零矢量作用时间，则零矢量作用时间为t₀＝T_s—t₁。

非零矢量最优作用时间由以下条件决定：

对式(14)求解可得：

其中，有功功率变化量Δp＝p^ref-p^k+2，无功功率变化量Δq＝q^ref-q^k+2。

为证明本发明方法的有效性，采用本发明方法对三相电压型光伏并网逆变器的优化控制进行了应用，并与传统MPDPC进行了对比。图3(a)、图3(b)分别为六个有效电压矢量的有功功率、无功功率在不同扇区内瞬时变化的曲线图。图4、图5分别为传统MPDPC和本发明方法的有功功率阶跃时各参数的选择情况。其中，图中由上至下分别为有功功率随时间变化的曲线、无功功率随时间变化的曲线、随着功率变化的最优矢量选择曲线以及不同方法下对应时间内所处的扇区情况。

在图4中，有功功率参考值p^ref在0.175s处从0W阶跃到1000W，无功功率q控制为0。在功率参考值阶跃期间，电网电压矢量Vector定位在第IV扇区。由图4可知，在有功功率p上升期间只有矢量V1作用，但同时无功功率q产生瞬时功率波动。由图3可知，当V₁应用于扇区IV时，有功功率p增长最快，但无功功率q也同时增长。因此，如果有功功率参考值p^ref阶跃期间仅V₁持续作用，有功功率p上升的同时无功功率q也会有增长。图5为使用本发明方法改进后的指标函数进行电压矢量选择的情况。和图4的情况不同，功率上升期间，在第IV扇区前半部分V₆和V₂交替作用，在扇区后半部分V₆和V₃交替作用。由图3可知，当V₆应用于扇区IV时，有功功率p增加的同时无功功率q也同时增加；而V₂和V₃应用于扇区IV只会使有功功率p增加，而无功功率q则会下降。因此，在有功功率参考值p^ref阶跃期间V₆和V₂共同作用、或者V6和V3共同作用，无功功率q的耦合现象得到补偿。即使用校正后的指标函数可以使无功功率q由于相互耦合产生的误差最小化。

但V₆、V₂组合或V₆、V₃组合代替仅V₁应用，使用校正后的指标函数可能会导致反应速度减慢。然而由图4、图5可知，尽管跟踪速度稍微下降，但系统控制和反应时间没有受到太大影响，在可以接受的范围内。

图6为有功功率从0W阶跃至800W，然后再下降至0W的系统动态实验波形，整个实验过程中无功功率恒定为0VAr。图中从上到下依次为有功功率p、无功功率q和三相电网电流i_a、i_b。图6(a)为采用传统MPDPC方法的动态实验波形，当有功功率p发生阶跃时，为使有功功率p快速跟踪参考值牺牲了无功功率q的控制效果，无功功率q产生耦合现象，如虚线标注所示。为提高逆变器系统的动态性能，使用改进后的MPDPC进行实验验证。由图6(b)可知，由有功功率p阶跃引起的无功耦合已经基本消除。

图7为传统MPDPC和本发明的优化MPDPC在无功功率q阶跃响应时的实验对比波形。无功功率q从-400VAr阶跃至400VAr，然后再下降到-400VAr。图7(a)为使用传统指标函数的MPDPC实验波形，当无功功率给定值发生阶跃时，有功功率p产生耦合现象。图7(b)为使用本发明方法的改进后指标函数的MPDPC实验波形，此时由无功功率q阶跃引起的有功耦合现象基本消失。对比图7(a)、图7b)的虚线部分，可以证明本发明提出的MPDPC优化算法的有效性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，用于三相电压型光伏并网逆变器系统，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1：检测当前k时刻三相电压型光伏并网逆变器系统的三相电网电压、三相电网电流和直流母线电压，并据此计算以预测k+1时刻的有功功率和无功功率；

S2：根据k+1时刻的有功功率和无功功率，向后预测一拍获取k+2时刻的有功功率和无功功率；

S3：将k+2时刻的有功功率和无功功率代入改进的指标函数中，通过对功率差值限幅，选出最优非零矢量；

S4：获取最优非零矢量和零矢量共同作用时的占空比，通过占空比进行调制，获取控制功率器件的开关信号，完成动态性能优化。

2.根据权利要求1所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，所述的步骤S1具体包括以下步骤：

101)检测当前k时刻三相电压型光伏并网逆变器系统的三相电网电压、三相电网电流和直流母线电压，经过abc/αβ变换获取两相静止坐标系下的电网电压和电流值；

102)根据两相静止坐标系下电网电压和电流值计算当前k时刻的有功功率p^k和q^k；

103)将直流母线电压参考值与直流母线电压实际值作差，经过PI控制器得到两相静止坐标系下的有功功率参考值，并设置无功功率参考值为0；

104)将三相电压型光伏并网逆变器的数学模型作为预测模型，将两相静止坐标系下的三相电网电压、直流母线电压及计算得到的有功功率和无功功率值作为预测模型的输入，预测k+1时刻的有功功率p^k+1和无功功率q^k+1。

3.根据权利要求2所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，所述的步骤104)中，k+1时刻的有功功率p^k+1和无功功率q^k+1的预测值的表达式为：

式中，R为交流侧电阻，L为交流侧电感，T_s为周期，Re为矢量的实部，Im为矢量的虚部，u_s为电网电压，u_c为逆变器输出电压矢量，ω为电网频率。

4.根据权利要求3所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，所述的步骤S2中，k+2时刻的有功功率预测值p^k+2和无功功率预测值q^k+2的公式为：

5.根据权利要求4所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，所述的步骤S3中，改进的指标函数的表达式为：

W＝|p^ref-p^k+2|²+|q^ref-q^k+2|²

式中，p^ref为k+2时刻的有功功率给定值，q^ref为k+2时刻的无功功率给定值，当有功功率给定值p^ref阶跃变化时，降低指标函数中p^ref-p^k+2的取值。

6.根据权利要求5所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，所述的步骤S3中，对功率差值限幅的公式为：

式中，m为比例系数；分别为工频周期内，有功功率和无功功率的最大功率变化率，且有：

式中，V0、V1、V2、V3、V4、V5、V6、V7分别为八个基本空间电压矢量，其中，V0与V7的效果相同。

7.根据权利要求6所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，所述的步骤S4中，选出最优非零矢量后，采用功率误差最小化原则计算最优矢量作用时间。

8.根据权利要求7所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，非零矢量最优作用时间t₁的表达式为：

式中，δ_p1为非零矢量的有功功率对时间的导数，δ_p0为零矢量的有功功率对时间的导数，δ_q1为非零矢量的无功功率对时间的导数，δ_q0为零矢量的无功功率对时间的导数，有功功率变化量Δp＝p^ref-p^k+2，无功功率变化量Δq＝q^ref-q^k+2。

9.根据权利要求8所述的一种基于MPDPC的光伏并网逆变器动态性能优化方法，其特征在于，零矢量作用时间为t₀＝T_s—t₁。