CN109713726B - 用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法 - Google Patents

用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，当使用传统的控制方法时，控制器设计复杂，不适合用于含有直通状态的阻抗源逆变器，且在模式转换时会产生大的过冲电压或电流。本发明针对传统控制方法所存在的问题，引入模型预测控制简化控制器算法，并引入模式检测、网络同步和相位调整算法，使双模式能实现无缝转换，且能实现有功、无功、电压、电流等多目标综合控制，非常适合用于双模式运行的阻抗源逆变器。

Description

用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法
技术领域
本发明涉及应用于微电网的阻抗源逆变器模型预测控制领域，尤其涉及一种用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法。
背景技术
随着可再生能源技术的发展和普及，直接与配电网连接的分布式发电变得越来越普遍，而光伏发电系统是最常用的之一，经常直接与连接。与传统的由大中型集中式发电厂组成的电力系统相比，以为主的直接向本地负荷供电，可以大大减少线路损耗，节省输配电建设投资，又可以与主电网的集中式供电相互补充，为用户提供可靠、优质的电能，可以全面提升能源综合利用效率。
现有的最初设计时并没有考虑到以高度集成的形成的微电网，这将导致的性能、安全性和可靠性降低并且将更多的集成到电网后，可能导致电网的电能质量降低、故障电流增加等问题。同时微电网可能因故障而意外的退出并网运行转为孤岛运行，在一段时间的孤岛运行后，微电网突然被重新连接到主电网时，由于两侧电压的频率、幅值、相角的不同将会产生不利的影响，例如电压、电流的严重过冲等。而以孤岛方式运行的微电网也需要对电压进行控制。故在实际运行中需要解决的关键问题之一就是控制问题，即如何实现在并网和孤岛运行方式之间实现无缝转换和孤岛运行方式下的电压控制等，以保证和微电网的可靠性。
传统上将电压源逆变器或电流源逆变器作为连接可再生能源和微电网中的本地负载之间的电力电子设备。然而近几年出现了一种新的变流器拓扑结构为阻抗源逆变器，突破了传统和的局限性，其能够自由的升高或降低电压，非常适合用于单级光伏配电系统。
微电网能够在并网和孤岛两种模式下运行。当微电网以并网模式运行时，只需控制输出的有功和无功功率以及Z源逆变器阻抗网络中的电感电流和电容电压即可，而电压由主电网来支持和调节。当微电网以孤岛模式运行时，需要控制微电网的电压以及Z源逆变器阻抗网络中的电感电流和电容电压，保证系统的电压在合理范围内。
目前，通常采用PI控制、比例谐振控制等控制方式。PI控制是最经典的控制技术，其整定技术已经趋于完善，参数的设计比较容易，且实现过程简单，控制器的设计也相对容易实现。但PI方法不易消除稳态误差，存在强耦合的特性，必须要进行解耦，使控制方法变得复杂。比例谐振控制虽然不需要坐标变换，不存在耦合问题，但比例谐振控制是多阶系统，控制环的设计复杂，不易于用数字控制器实现。同时，具有无缝转换特性的双模式运行的逆变器控制方法大多使用多回路级联控制器，其难以调整和实现，并且在电网异常的情况下不能可靠运行。
综上可知，采用何种控制方式来实现并网和孤岛模式间的无缝转换、并网模式下的有功和无功功率的独立解耦控制、孤岛模式下的电压控制和Z源逆变器阻抗网络的电感电流和电容电压控制是微电网亟需解决的问题，其对提高供电可靠性及维持供电系统的稳定性具有重要的意义。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提出一种用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，有利于实现孤岛和并网的无缝转换、并网下有功和无功功率的独立解耦控制和保证系统的电压在合理的范围内，从而提高系统稳定运行的能力。本发明具体采用以下方案：
一种用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，基于依次通过Z源逆变器、滤波器、公共耦合节点和断路器连接的光伏电源和电网组成的微电网系统，所述滤波器和公共耦合节点之间连接有本地负载，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：测量IL1(k)，VC1(k)，vPCC(k)，ig(k)，VPV(k)在k时刻的值；其中IL1为Z源逆变器阻抗网络中电感L1的电流，VC1为Z源逆变器阻抗网络中电容C1的电压，vPCC为滤波器的输出与电网连接处的公共耦合节点处的电压，ig为电网侧的电流，VPV为光伏电源侧的电压；
步骤S2：判断微电网运行模式，若为孤岛模式，则进入步骤S3，若为并网模式，则进入步骤S4；
步骤S3：执行Z源逆变器双模式控制中的孤岛控制方式；
步骤S4：执行Z源逆变器双模式控制中的并网控制方式；
步骤S5：在步骤S3或S4中的稳态模式执行完成后，再次进行模式判断，判断微电网是否处于由并网转换到孤岛或由孤岛转换到并网两种过渡模式，若是，则进入步骤S6，若不是，则对应回到步骤S3或步骤S4；
步骤S6：确定电网电压vg所在的矢量区；
步骤S7：确定电网电压vg的精确相位角
Figure BDA0001977778450000031
步骤S8：确定本地负载的电压相位角φl和电压参考值vref(k)，
Figure BDA0001977778450000032
vref(k)＝VPCCsin(φl)，其中VPCC为公共耦合节点处的电压峰值，ω为公共耦合节点处电压的角频率，Δt为时间补偿；
步骤S9：判断微电网是否为由孤岛转换到并网的过渡模式，若是，则进入步骤S10，若不是，则进入步骤S3；
步骤S10：判断电网电压相位角
Figure BDA0001977778450000033
与本地负载电压相位角φl的绝对差值
Figure BDA0001977778450000034
是否小于等于某个预设定的ε，若是，则进入步骤S4，若不是，则进入步骤S11，其中ε为实现并网时光伏电源和电网电压相位差的允许值；
步骤S11：相位调整，使两侧电压的相位差小于等于预设值ε，然后回到步骤S10。
优选地，所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：初始化开关管的开关状态X，令X＝0，和最优混合成本函数值gopt＝∞；
步骤S32：选择下一个开关状态，X＝X+1；
步骤S33：预测本地负载在(k+1)时刻的电压值
Figure BDA0001977778450000035
Figure BDA0001977778450000036
其中
Figure BDA0001977778450000037
时刻公共耦合节点处的电压，
Figure BDA0001977778450000038
时刻滤波器电容的电压，vload为本地负载电压，vPCC为公共耦合节点处的电压，vC为滤波器电容的电压，C为滤波器电容的电容值，TS为采样周期，iC为滤波器电容的电流；
步骤S34：判断Z源逆变器是否运行在直通模式，若是，则进入步骤S35，若不是，则进入步骤S36；
步骤S35：预测直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压,
Figure BDA0001977778450000041
其中IL1，VC1分别为Z源逆变器阻抗网络的电感L1的电流和电容C1的电压，RL1为电感L1的等效串联电阻；
步骤S36：预测非直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压，
Figure BDA0001977778450000042
Figure BDA0001977778450000043
其中VPV为光伏电源的电压，
Figure BDA0001977778450000044
为
Figure BDA0001977778450000045
其中；S1，S2，S3分别为开关管的开关状态，
Figure BDA0001977778450000046
为Z源逆变器的输出电流，Ia，Ib，Ic为输入到电网中的三相电流；
步骤S37：计算混合成本函数值
Figure BDA0001977778450000047
Figure BDA0001977778450000048
其中λC′1，λL′1，λ′V为权重因子，由分支定界法根据每个控制目标的跟踪误差和注入电网的电流谐波总畸变率(THD)来确定；VC1-ref，IL1-ref，Vref分别为电容C1的电压、电感L1的电流和本地负载电压的参考值，
Figure BDA0001977778450000049
Figure BDA00019777784500000410
分别为电容C1的电压、电感L1的电流和公共耦合节点电压的预测值；
步骤S38：判断混合成本函数值g是否小于最优值gopt，若是，则进入步骤S39，若不是，则进入步骤S310；
步骤S39：混合成本函数最优值gopt＝g，最优开关状态Xopt＝X；
步骤S310：判断开关状态X是否等于9，若是，则进入步骤S311，若不是，则进入步骤S32，其中Z源逆变器开关管共有9种开关状态；
步骤S311：选择与最优开关状态Xopt对应的开关状态，将其运用到触发电路中。
优选地，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：初始化开关状态X，令X＝0，和最优混合成本函数值gopt＝∞；
步骤S42：选择下一个开关状态，X＝X+1；
步骤S43：预测有功功率和无功功率在(k+1)时刻的值并实现有功和无功功率的独立解耦控制，
Figure BDA0001977778450000051
Figure BDA0001977778450000052
其中P和Q分别为有功和无功功率，ω为基频，TS为采样周期，L为滤波器电感值，Vm为公共耦合节点的电压峰值，vPCC-α和vPCC-β分别为公共耦合节点电压的正交α和β分量，vi-α和vi-β分别为Z源逆变器输出电压的正交α和β分量；
步骤S44：判断Z源逆变器是否运行在直通模式，若是，则进入步骤S45，若不是，则进入步骤S46，其中Z源逆变器有直通和非直通两种工作模式；
步骤S45：预测直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压,
Figure BDA0001977778450000053
其中IL1，VC1分别为Z源逆变器阻抗网络的电感L1的电流和电容C1的电压，RL1为电感L1的等效串联电阻；
步骤S46：预测非直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压，
Figure BDA0001977778450000061
Figure BDA0001977778450000062
其中VPV为光伏电源的电压，
Figure BDA0001977778450000063
其中；S1，S2，S3分别为Z源逆变器开关管的开关状态，
Figure BDA0001977778450000064
为Z源逆变器的输出电流，Ia，Ib，Ic为输入到电网中的三相电流；
步骤S47：计算混合成本函数值
Figure BDA0001977778450000065
Figure BDA0001977778450000066
其中λP，λQ，λC1，λL1为权重因子，由分支定界法根据每个控制目标的跟踪误差和注入电网的电流谐波总畸变率(THD)来确定；Pref,Qref，VC1-ref，IL1-ref分别为有功功率、无功功率、电容C1的电压和电感L1的电流的参考值，Pout,Qout，VC1，IL1分别为有功功率、无功功率、电容C1的电压和电感L1的电流的预测值；
步骤S48：判断混合成本函数值g是否小于最优值gopt，若是，则进入步骤S49，若不是，则进入步骤S410；
步骤S49：混合成本函数最优值gopt＝g，最优开关状态Xopt＝X；
步骤S410：判断开关状态X是否等于9，若是，则进入步骤S411，若不是，则进入步骤S42，其中Z源逆变器开关管共有9种开关状态；
步骤S411：选择与最优开关状态Xopt对应的开关状态，将其运用到触发电路(其中，触发电路指控制Z源逆变器中各个IGBT导通、截止的电路，即触发信号发生装置)中。
优选地，所述步骤S2具体包括以下步骤：
判断微电网运行模式，其中，微电网在孤岛运行下有
Figure BDA0001977778450000067
Figure BDA0001977778450000071
通过改变Z源逆变器输出的有功和无功功率来实现模式判断，判断微电网是处于孤岛运行方式或是并网运行方式；若为孤岛模式，则进入步骤S3，若为并网模式，则进入步骤S4；其中，若改变Z源逆变器输出的有功和无功功率时，公共耦合节点处的电压和频率偏移出正常范围，则当前模式为孤岛模式；若电压和频率仍保持在正常范围内，则为并网模式；其中VPCC为公共耦合节点处的电压，R为本地负载的等效电阻值，Pinv，Qinv分别为Z源逆变器输出的有功和无功功率，XC为本地负载的等效电抗值，f0为孤岛模式下本地负载的谐振频率，fPCC为孤岛模式下公共耦合节点处的频率。
优选地，所述步骤S6具体包括以下步骤：
确定电网电压vg所在的矢量区，一个正弦周期可以被分为4个区域，若vg(k)＞0&vg(k)＞vg(k-1)则电网电压vg处于区域1；若vg(k)＞0&vg(k)＜vg(k-1)则电网电压vg处于区域2；若vg(k)＜0&vg(k)＜vg(k-1)则电网电压vg处于区域3；若vg(k)＜0&vg(k)＞vg(k-1)则电网电压vg处于区域4；其中，vg(k)，vg(k-1)分别为电网电压在k时刻和k-1时刻的值。
优选地，所述步骤S7具体包括以下步骤：
确定电网电压vg的精确相位角
Figure BDA0001977778450000072
由
Figure BDA0001977778450000073
估算出电网电压vg的相位角
Figure BDA0001977778450000074
再根据
Figure BDA0001977778450000075
及步骤S6中得到的区域信息，由
Figure BDA0001977778450000076
得到电网电压的精确相位角
Figure BDA0001977778450000077
其中Vg为电网电压的峰值，vg-α(t)为由二阶广义积分器生成的电网电压vg在t时刻的α分量。
优选地，所述步骤S11具体包括以下步骤：
相位调整，使两侧电压的相位差小于等于预设值ε，当
Figure BDA0001977778450000081
时，ψ＝1，当
Figure BDA0001977778450000082
时，ψ＝-1，代入到vref(k)＝VPCCsin(φl+Δω×Δt×ψ)，φl＝φl+Δω×Δt×ψ，然后回到步骤S10，其中，Δω，Δt分别为单位的角频率和时间补偿，vref为电压参考值。
当使用传统的控制方法时，控制器设计复杂，不适合用于含有直通状态的阻抗源逆变器，且在模式转换时会产生大的过冲电压或电流。本发明针对传统控制方法所存在的问题，引入模型预测控制简化控制器算法，并引入模式检测、网络同步和相位调整算法，使双模式能实现无缝转换，且能实现有功、无功、电压、电流等多目标综合控制，非常适合用于双模式运行的阻抗源逆变器。
与现有技术相比，本发明及其优选方案具有以下2个突出优点。
1、本发明通过网络同步和相位调整算法，可以容易的实现微电网的并网运行和孤岛运行模式间的无缝转换。
2、本发明利用提出的方法根据，预测并网模式下输出的有功和无功功率、孤岛模式下的微电网电压、直通和非直通状态下Z源逆变器阻抗网络的电感电流和电容电压，再结合含有基于运行模式的自适应权重因子的混合成本函数，从而提高系统稳定运行的能力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
图1为本发明的方法流程图。
图2为包含本发明的整体系统结构示意图。
图3为本发明的孤岛运行控制流程图。
图4为本发明的并网运行控制流程图。
图5为本发明的电网电压的区域示意图。
具体实施方式
为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下：
如图2所示，本实施例方法基于依次通过Z源逆变器、滤波器、公共耦合节点和断路器连接的光伏电源和电网组成的微电网系统，其中，滤波器和公共耦合节点之间连接有本地负载，本实施例方法主要通过对Z源逆变器的开关管进行控制而实现。
如图1所示，本发明方法具体包括以下步骤：
步骤S1：测量IL1(k)，VC1(k)，vPCC(k)，ig(k)，VPV(k)在k时刻的值；其中IL1为Z源逆变器阻抗网络中电感L1的电流，VC1为Z源逆变器阻抗网络中电容C1的电压，vPCC为滤波器的输出与电网连接处的公共耦合节点处的电压，ig为电网侧的电流，VPV为光伏电源侧的电压；
步骤S2：判断微电网运行模式，其中，微电网在孤岛运行下有
Figure BDA0001977778450000091
Figure BDA0001977778450000092
通过改变Z源逆变器输出的有功和无功功率来实现模式判断，判断微电网是处于孤岛运行方式或是并网运行方式；若为孤岛模式，则进入步骤S3，若为并网模式，则进入步骤S4；其中，若改变Z源逆变器输出的有功和无功功率时，公共耦合节点处的电压和频率偏移出正常范围，则当前模式为孤岛模式；若电压和频率仍保持在正常范围内，则为并网模式；例如，在孤岛运行模式下减小Z源逆变器输出的Pinv，那么此时本地负载所需的Pload与PV发出的功率不相等，此时VPCC的值将会下降；其中VPCC为公共耦合节点处的电压，R为本地负载的等效电阻值，Pinv，Qinv分别为Z源逆变器输出的有功和无功功率，XC为本地负载的等效电抗值，f0为孤岛模式下本地负载的谐振频率，fPCC为孤岛模式下公共耦合节点处的频率。
步骤S3：执行Z源逆变器双模式控制中的孤岛控制方式，如图3所示，其具体包括：
步骤S31：初始化开关管的开关状态X，令X＝0，和最优混合成本函数值gopt＝∞；
步骤S32：选择下一个开关状态，X＝X+1；
步骤S33：预测本地负载在(k+1)时刻的电压值
Figure BDA0001977778450000101
Figure BDA0001977778450000102
其中
Figure BDA0001977778450000103
为(k+1)时刻公共耦合节点处的电压，
Figure BDA0001977778450000104
时刻滤波器电容的电压，vload为本地负载电压，vPCC为公共耦合节点处的电压，vC为滤波器电容的电压，C为滤波器电容的电容值，TS为采样周期，iC为滤波器电容的电流；
步骤S34：判断Z源逆变器是否运行在直通模式，若是，则进入步骤S35，若不是，则进入步骤S36；
步骤S35：预测直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压,
Figure BDA0001977778450000105
其中IL1，VC1分别为Z源逆变器阻抗网络的电感L1的电流和电容C1的电压，RL1为电感L1的等效串联电阻；
步骤S36：预测非直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压，
Figure BDA0001977778450000106
Figure BDA0001977778450000107
其中VPV为光伏电源的电压，
Figure BDA0001977778450000108
为
Figure BDA0001977778450000109
其中；S1，S2，S3分别为开关管的开关状态，
Figure BDA00019777784500001010
为Z源逆变器的输出电流，Ia，Ib，Ic为输入到电网中的三相电流；
步骤S37：计算混合成本函数值
Figure BDA0001977778450000111
Figure BDA0001977778450000112
其中λ′C1，λ′L1，λ′V为权重因子，由分支定界法根据每个控制目标的跟踪误差和注入电网的电流谐波总畸变率(THD)来确定；VC1-ref，IL1-ref，Vref分别为电容C1的电压、电感L1的电流和本地负载电压的参考值，
Figure BDA0001977778450000113
Figure BDA0001977778450000114
分别为电容C1的电压、电感L1的电流和公共耦合节点电压的预测值；
步骤S38：判断混合成本函数值g是否小于最优值gopt，若是，则进入步骤S39，若不是，则进入步骤S310；
步骤S39：混合成本函数最优值gopt＝g，最优开关状态Xopt＝X；
步骤S310：判断开关状态X是否等于9，若是，则进入步骤S311，若不是，则进入步骤S32，其中Z源逆变器开关管共有9种开关状态；
步骤S311：选择与最优开关状态Xopt对应的开关状态，将其运用到触发电路中。
步骤S4：执行Z源逆变器双模式控制中的并网控制方式；如图4所示，其具体包括以下步骤：
步骤S41：初始化开关状态X，令X＝0，和最优混合成本函数值gopt＝∞；
步骤S42：选择下一个开关状态，X＝X+1；
步骤S43：预测有功功率和无功功率在(k+1)时刻的值并实现有功和无功功率的独立解耦控制，
Figure BDA0001977778450000115
Figure BDA0001977778450000116
其中P和Q分别为有功和无功功率，ω为基频，TS为采样周期，L为滤波器电感值，Vm为公共耦合节点的电压峰值，vPCC-α和vPCC-β分别为公共耦合节点电压的正交α和β分量，vi-α和vi-β分别为Z源逆变器输出电压的正交α和β分量；
步骤S44：判断Z源逆变器是否运行在直通模式，若是，则进入步骤S45，若不是，则进入步骤S46，其中Z源逆变器有直通和非直通两种工作模式；
步骤S45：预测直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压,
Figure BDA0001977778450000121
其中IL1，VC1分别为Z源逆变器阻抗网络的电感L1的电流和电容C1的电压，RL1为电感L1的等效串联电阻；
步骤S46：预测非直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压，
Figure BDA0001977778450000122
Figure BDA0001977778450000123
其中VPV为光伏电源的电压，
Figure BDA0001977778450000124
为
Figure BDA0001977778450000125
其中；S1，S2，S3分别为Z源逆变器开关管的开关状态，
Figure BDA0001977778450000126
为Z源逆变器的输出电流，Ia，Ib，Ic为输入到电网中的三相电流；
步骤S47：计算混合成本函数值
Figure BDA0001977778450000127
Figure BDA0001977778450000128
其中λP，λQ，λC1，λL1为权重因子，由分支定界法根据每个控制目标的跟踪误差和注入电网的电流谐波总畸变率(THD)来确定；Pref,Qref，VC1-ref，IL1-ref分别为有功功率、无功功率、电容C1的电压和电感L1的电流的参考值，Pout,Qout，VC1，IL1分别为有功功率、无功功率、电容C1的电压和电感L1的电流的预测值；
步骤S48：判断混合成本函数值g是否小于最优值gopt，若是，则进入步骤S49，若不是，则进入步骤S410；
步骤S49：混合成本函数最优值gopt＝g，最优开关状态Xopt＝X；
步骤S410：判断开关状态X是否等于9，若是，则进入步骤S411，若不是，则进入步骤S42，其中Z源逆变器开关管共有9种开关状态；
步骤S411：选择与最优开关状态Xopt对应的开关状态，将其运用到触发电路(其中，触发电路指控制Z源逆变器中各个IGBT导通、截止的电路，即触发信号发生装置)中。
步骤S5：在步骤S3或S4中的稳态模式执行完成后，再次进行模式判断(模式判断方法同步骤S2)，判断微电网是否处于由并网转换到孤岛或由孤岛转换到并网两种过渡模式，若是，则进入步骤S6，若不是，则对应回到步骤S3或步骤S4；其中，若在过渡时期不采取相应控制措施而使其直接过渡到另一稳态模式，则可能导致VPCC，iL，ig的过冲而对配电网和主电网造成不利影响；其中，ig为电网侧的电流；
步骤S6：确定电网电压vg所在的矢量区，一个正弦周期可以被分为4个区域，若vg(k)＞0&vg(k)＞vg(k-1)则电网电压vg处于区域1(ZONE1)；若vg(k)＞0&vg(k)＜vg(k-1)则电网电压vg处于区域2(ZONE2)；若vg(k)＜0&vg(k)＜vg(k-1)则电网电压vg处于区域3(ZONE3)；若vg(k)＜0&vg(k)＞vg(k-1)则电网电压vg处于区域4(ZONE4)；其中，vg(k)，vg(k-1)分别为电网电压在k时刻和k-1时刻的值。
步骤S7：确定电网电压vg的精确相位角
Figure BDA0001977778450000131
由
Figure BDA0001977778450000132
估算出电网电压vg的相位角
Figure BDA0001977778450000133
再根据
Figure BDA0001977778450000134
及步骤S6中得到的区域信息，由
Figure BDA0001977778450000141
得到电网电压的精确相位角
Figure BDA0001977778450000142
其中Vg为电网电压的峰值，vg-α(t)为由二阶广义积分器生成的电网电压vg在t时刻的α分量。
步骤S8：确定本地负载的电压相位角φl和电压参考值vref(k)，
Figure BDA0001977778450000143
vref(k)＝VPCCsin(φl)，其中VPCC为公共耦合节点处的电压峰值，ω为公共耦合节点处电压的角频率，Δt为时间补偿；
步骤S9：判断微电网是否为由孤岛转换到并网的过渡模式(模式判断方法同步骤S2)，若是，则进入步骤S10，若不是，则进入步骤S3；
步骤S10：判断电网电压相位角
Figure BDA0001977778450000144
与本地负载电压相位角φl的绝对差值
Figure BDA0001977778450000145
是否小于等于某个预设定的ε，若是，则进入步骤S4，若不是，则进入步骤S11，其中ε为实现并网时光伏电源和电网电压相位差的允许值；
步骤S11：相位调整，使两侧电压的相位差小于等于预设值ε，当
Figure BDA0001977778450000146
时，ψ＝1，当
Figure BDA0001977778450000147
时，ψ＝-1，代入到vref(k)＝VPCCsin(φl+Δω×Δt×ψ)，φl＝φl+Δω×Δt×ψ，然后回到步骤S10，其中，Δω，Δt分别为单位的角频率和时间补偿，vref为电压参考值。
综上所述，本发明有利于实现微电网在并网和孤岛模式间的无缝转换，Z源逆变器阻抗网络的电感电流和电容电压的控制，并网时有功和无功功率的独立解耦控制，孤岛时微电网的电压控制。在提高供电质量和能源效率的同时又保证整个系统的供电可靠性和稳定运行能力。
本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，基于依次通过Z源逆变器、滤波器、公共耦合节点和断路器连接的光伏电源和电网组成的微电网系统，所述滤波器和公共耦合节点之间连接有本地负载，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：测量IL1(k)，VC1(k)，vPCC(k)，ig(k)，VPV(k)在k时刻的值；其中IL1为Z源逆变器阻抗网络中电感L1的电流，VC1为Z源逆变器阻抗网络中电容C1的电压，vPCC为滤波器的输出与电网连接处的公共耦合节点处的电压，ig为电网侧的电流，VPV为光伏电源侧的电压；
步骤S2：判断微电网运行模式，若为孤岛模式，则进入步骤S3，若为并网模式，则进入步骤S4；
步骤S3：执行Z源逆变器双模式控制中的孤岛控制方式；
步骤S4：执行Z源逆变器双模式控制中的并网控制方式；
步骤S5：在步骤S3或S4中的稳态模式执行完成后，再次进行模式判断，判断微电网是否处于由并网转换到孤岛或由孤岛转换到并网两种过渡模式，若是，则进入步骤S6，若不是，则对应回到步骤S3或步骤S4；
步骤S6：确定电网电压vg所在的矢量区；
步骤S7：确定电网电压vg的精确相位角
Figure FDA0004028023900000011
步骤S8：确定本地负载的电压相位角φl和电压参考值
Figure FDA0004028023900000012
vref(k)＝Vmsin(φl)，其中Vm为公共耦合节点处的电压峰值，ω为公共耦合节点处电压的角频率，Δt为时间补偿；
步骤S9：判断微电网是否为由孤岛转换到并网的过渡模式，若是，则进入步骤S10，若不是，则进入步骤S3；
步骤S10：判断电网电压相位角
Figure FDA0004028023900000013
与本地负载电压相位角φl的绝对差值
Figure FDA0004028023900000014
是否小于等于某个预设定的ε，若是，则进入步骤S4，若不是，则进入步骤S11，其中ε为实现并网时光伏电源和电网电压相位差的允许值；
步骤S11：相位调整，使两侧电压的相位差小于等于预设值ε，然后回到步骤S10；
所述步骤S3具体包括以下步骤：
步骤S31：初始化开关管的开关状态X，令X＝0，和最优混合成本函数值gopt＝∞；
步骤S32：选择下一个开关状态，X＝X+1；
步骤S33：预测本地负载在(k+1)时刻的电压值
Figure FDA0004028023900000021
Figure FDA0004028023900000022
其中
Figure FDA0004028023900000023
为(k+1)时刻公共耦合节点处的电压，
Figure FDA0004028023900000024
为(k+1)时刻滤波器电容的电压，vload为本地负载电压，vPCC为公共耦合节点处的电压，vC为滤波器电容的电压，C为滤波器电容的电容值，TS为采样周期，iC为滤波器电容的电流；
步骤S34：判断Z源逆变器是否运行在直通模式，若是，则进入步骤S35，若不是，则进入步骤S36；
步骤S35：预测直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压,
Figure FDA0004028023900000025
其中IL1，VC1分别为Z源逆变器阻抗网络的电感L1的电流和电容C1的电压，RL1为电感L1的等效串联电阻；
步骤S36：预测非直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压，
Figure FDA0004028023900000026
Figure FDA0004028023900000027
其中VPV为光伏电源的电压，
Figure FDA0004028023900000031
为
Figure FDA0004028023900000032
其中；S1，S2，S3分别为开关管的开关状态，
Figure FDA0004028023900000033
为Z源逆变器的输出电流，Ia，Ib，Ic为输入到电网中的三相电流；
步骤S37：计算混合成本函数值
Figure FDA0004028023900000034
Figure FDA0004028023900000035
其中λ′C1，λ′L1，λ′V为权重因子，由分支定界法根据每个控制目标的跟踪误差和注入电网的电流谐波总畸变率(THD)来确定；VC1-ref，IL1-ref，Vref分别为电容C1的电压、电感L1的电流和本地负载电压的参考值，
Figure FDA0004028023900000036
Figure FDA0004028023900000037
分别为电容C1的电压、电感L1的电流和公共耦合节点电压的预测值；
步骤S38：判断混合成本函数值g是否小于最优值gopt，若是，则进入步骤S39，若不是，则进入步骤S310；
步骤S39：混合成本函数最优值gopt＝g，最优开关状态Xopt＝X；
步骤S310：判断开关状态X是否等于9，若是，则进入步骤S311，若不是，则进入步骤S32，其中Z源逆变器开关管共有9种开关状态；
步骤S311：选择与最优开关状态Xopt对应的开关状态。
2.根据权利要求1所述的用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：
步骤S41：初始化开关状态X，令X＝0，和最优混合成本函数值gopt＝∞；
步骤S42：选择下一个开关状态，X＝X+1；
步骤S43：预测有功功率和无功功率在(k+1)时刻的值并实现有功和无功功率的独立解耦控制，
Figure FDA0004028023900000038
Figure FDA0004028023900000041
其中P和Q分别为有功和无功功率，ω为公共耦合节点处电压的角频率，TS为采样周期，L为滤波器电感值，Vm为公共耦合节点的电压峰值，vPCC-α和vPCC-β分别为公共耦合节点电压的正交α和β分量，vi-α和vi-β分别为Z源逆变器输出电压的正交α和β分量；
步骤S44：判断Z源逆变器是否运行在直通模式，若是，则进入步骤S45，若不是，则进入步骤S46，其中Z源逆变器有直通和非直通两种工作模式；
步骤S45：预测直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压,
Figure FDA0004028023900000042
其中IL1，VC1分别为Z源逆变器阻抗网络的电感L1的电流和电容C1的电压，RL1为电感L1的等效串联电阻；
步骤S46：预测非直通状态下Z源逆变器阻抗网络在(k+1)时刻的电流和电压，
Figure FDA0004028023900000043
Figure FDA0004028023900000044
其中VPV为光伏电源的电压，
Figure FDA0004028023900000045
其中；S1，S2，S3分别为Z源逆变器开关管的开关状态，
Figure FDA0004028023900000046
为Z源逆变器的输出电流，Ia，Ib，Ic为输入到电网中的三相电流；
步骤S47：计算混合成本函数值
Figure FDA0004028023900000047
Figure FDA0004028023900000051
其中λP，λQ，λC1，λL1为权重因子，由分支定界法根据每个控制目标的跟踪误差和注入电网的电流谐波总畸变率(THD)来确定；Pref,Qref，VC1-ref，IL1-ref分别为有功功率、无功功率、电容C1的电压和电感L1的电流的参考值，Pout,Qout，VC1，IL1分别为有功功率、无功功率、电容C1的电压和电感L1的电流的预测值；
步骤S48：判断混合成本函数值g是否小于最优值gopt，若是，则进入步骤S49，若不是，则进入步骤S410；
步骤S49：混合成本函数最优值gopt＝g，最优开关状态Xopt＝X；
步骤S410：判断开关状态X是否等于9，若是，则进入步骤S411，若不是，则进入步骤S42，其中Z源逆变器开关管共有9种开关状态；
步骤S411：选择与最优开关状态Xopt对应的开关状态，将其运用到触发电路中。
3.根据权利要求1所述的用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括以下步骤：
判断微电网运行模式，其中，微电网在孤岛运行下有
Figure FDA0004028023900000052
Figure FDA0004028023900000053
通过改变Z源逆变器输出的有功和无功功率来实现模式判断，判断微电网是处于孤岛运行方式或是并网运行方式；若为孤岛模式，则进入步骤S3，若为并网模式，则进入步骤S4；其中，若改变Z源逆变器输出的有功和无功功率时，公共耦合节点处的电压和频率偏移出正常范围，则当前模式为孤岛模式；若电压和频率仍保持在正常范围内，则为并网模式；其中VPCC为公共耦合节点处的电压，R为本地负载的等效电阻值，Pinv，Qinv分别为Z源逆变器输出的有功和无功功率，XC为本地负载的等效电抗值，f0为孤岛模式下本地负载的谐振频率，fPCC为孤岛模式下公共耦合节点处的频率。
4.根据权利要求1所述的用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S6具体包括以下步骤：
确定电网电压vg所在的矢量区，一个正弦周期可以被分为4个区域，若vg(k)＞0&vg(k)＞vg(k-1)则电网电压vg处于区域1；若vg(k)＞0&vg(k)＜vg(k-1)则电网电压vg处于区域2；若vg(k)＜0&vg(k)＜vg(k-1)则电网电压vg处于区域3；若vg(k)＜0&vg(k)＞vg(k-1)则电网电压vg处于区域4；其中，vg(k)，vg(k-1)分别为电网电压在k时刻和k-1时刻的值。
5.根据权利要求4所述的用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S7具体包括以下步骤：
确定电网电压vg的精确相位角
Figure FDA0004028023900000061
由
Figure FDA0004028023900000062
估算出电网电压vg的相位角
Figure FDA0004028023900000063
再根据
Figure FDA0004028023900000064
及步骤S6中得到的区域信息，由
Figure FDA0004028023900000065
得到电网电压的精确相位角
Figure FDA0004028023900000066
其中Vg为电网电压的峰值，vg-α(t)为由二阶广义积分器生成的电网电压vg在t时刻的α分量。
6.根据权利要求1所述的用于阻抗源逆变器孤岛和并网双模式运行的自适应模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤S11具体包括以下步骤：
相位调整，使两侧电压的相位差小于等于预设值ε，当
Figure FDA0004028023900000067
时，ψ＝1，当
Figure FDA0004028023900000068
时，ψ＝-1，代入到vref(k)＝VPCCsin(φl+Δω×Δt×ψ)，φl＝φl+Δω×Δt×ψ，然后回到步骤S10，其中，Δω，Δt分别为单位的角频率和时间补偿，vref为电压参考值。
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