CN109888824B - 一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于新能源控制与应用技术领域，尤其涉及一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法。建立光伏并网逆变器的数学模型。基于预测控制方法分步骤设计光伏并网逆变控制器，构建目标函数，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪电流参考。加入共模电压抑制项，用以对并网逆变器产生的共模电压进行抑制，保证光伏并网逆变系统的可靠运行。通过优化目标函数，得到并网逆变器的开关信号，直接控制并网逆变器的开关状态，从而将光伏系统的输出直流电转化为与电网电压同频同相的交流电。

Description

一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法

技术领域

本发明属于新能源控制与应用技术领域，尤其涉及一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法。

背景技术

随着科学技术的日新月异，新能源发展越来越迅速。未来很长一段时期内，各类新能源发电将迎来大规模发展时期。近年来，由于资源的短缺和环境的恶化，光能作为主要的清洁的可再生能源之一，越来越受到关注和青睐。国外光伏行业的发展和国内优势政策的出台，使我国光伏发电得到飞速发展。到目前为止，已经出现了一大批生产光伏并网发电设备的公司。光伏并网逆变系统主要由光伏阵列单元、并网逆变单元、配电网络组成。其中，逆变器通过功率开关的不断动作，将稳定的直流电逆变成交流电，经滤波处理后再输入到大电网。所得到的交流电流必须满足一定的并网条件，因此，并网逆变器的电能质量控制非常重要，也是光伏并网控制系统中的关键点。光伏并网逆变的控制目标主要是：对逆变器的输出电流进行控制，将光伏系统输出直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，以实现电流并网。本发明用于光伏发电的并网逆变系统，主要解决光伏并网逆变器输出电流的控制问题。

光伏三相并网逆变系统的主要任务是对逆变器的输出电流矢量进行控制，以此实现电流并网，调节有功和无功功率输出。按照三相并网逆变器的控制对象的不同，人们提出了不同的控制方法，可以分为输出电流控制、输出电压控制以及直接功率控制。输出电压控制简单且易于实现，不需要对逆变器的输出电流进行实时检测。但是动态响应较慢，不适于参数多变的逆变系统，而且由于忽略了电流反馈环节，使得并网逆变器的输出电流质量并不能得到有效保证。针对输出电压控制的缺点，提出了输出电流控制方法。该控制方法基于系统动态的模型，因此提高了并网逆变系统的动态响应效果，改善了输出电流的质量，同时减少了系统参数变化对控制效果的影响，在实际应用中比较广泛。直接功率控制的控制算法和结构都比较简单，鲁棒性强，具有高PFC，低THD的特点，但是在电网电压出现谐波、畸变或三相不平衡的时候，其控制品质将会降低，严重时导致系统振荡。

近年来，先进控制理论在风机的控制与实际应用中得到快速发展，除了上述控制方法，还包括H∞鲁棒控制、滑模控制、自适应控制、神经网络控制等，且各有自己独特的优势和自身存在的弊端。

发明内容

为了解决光伏并网逆变器输出电流控制问题，本发明提出了一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据光伏并网逆变器的工作原理建立光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型；

步骤2：根据坐标变换原理建立光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型；

步骤3：基于预测控制分步骤设计光伏并网逆变控制器。通过控制光伏并网逆变器的开关状态，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪参考电流，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电。

所述光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型进行简化整理表达式为：

为了后续推导书写简便，将上式进行简化为：

其中，T，v_abd，i_abc，e_abc，S_abc的表达式为：

其中，i_a、i_b、i_c分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电流，v_a、v_b、v_c分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电压，S_a、S_b、S_c分别为三个桥臂的开关信号，e_a、e_b、e_c分别为每一相的电网电压，V_dc为光伏并网逆变器直流侧的输入电压，L为逆变器每一相上的滤波电感，R为逆变器每一相上的电感电阻和功率损耗的等效电阻之和，T为系数矩阵。

为减少变量个数且方便控制，根据坐标变换的原理，将三相静止坐标系转化为两相静止坐标系。所述光伏并网逆变器在αβ旋转坐标系下的数学模型进行简化整理表达式为：

其中，v_αβ＝[v_α v_β]^T＝T_Cv_abc，i_αβ＝[i_α i_β]^T＝T_Ci_abc，e_αβ＝[e_α e_β]^T＝T_Ce_abc

其中，v_α、v_β分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电压，i_α、i_β分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电流，e_α、e_β分别为两相静止坐标系上的电网电压，T_C为转换矩阵，其表达式为：

所述基于预测控制的光伏并网逆变控制首先是对逆变器模型进行离散化处理，进而得出光伏并网逆变系统输出电流的预测模型表达式。根据欧拉公式进行前向差分，可得离散化的表达式为：

其中，T_S为开关周期。

所述预测控制器的第一步是得到系统的共模电压V_ON，对并网逆变器产生的共模电压进行抑制，以保证光伏并网逆变系统的可靠运行，减少负面影响。光伏并网逆变器的共模电压表达式如下：

所述预测控制器的第二步是构建目标函数。光伏并网逆变电流预测控制的控制目标为输出电流的预测值i_αβ(k+1)尽可能的跟踪电流参考

并加入共模电压抑制项。光伏并网逆变电流预测控制的目标函数可以写成：

其中，i_αβ(k+1)为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的输出电流预测值，

为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的参考电流预测值，V_ON(k)为当前k时刻的共模电压值，λ为权重系数。

所述预测控制器的第三步是优化目标函数。预测控制器通过选择合适的开关状态，对目标函数进行最小化，其控制律的表达式为：

同时，满足共模电压模型和光伏并网逆变器预测模型。

其中，{S_i|i＝0,1,…7}＝{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}，为开关信号的集合，对应8种不同的开关状态。详细实现环节将在下文中说明。

本发明的有益效果在于：本发明针对光伏并网逆变器的工作特性提出了一种基于预测控制的并网逆变器电流控制方案。该方案主要用于光伏系统的输出电流并网调节控制问题。设计思路来源于电力电子系统中常采用的有限集模型预测控制(Finite ControlSetModel Predictive Control，FCS-MPC)思维。该方法利用功率变换器的有限数量的开关状态特性解决光伏发电系统中的最优控制问题。首先，FCS-MPC通过系统全部的动作得到有限控制集，基于系统离散化的数学模型找出控制输入与控制目标之间的关系，并对控制集合所对应的系统状态进行预测。然后选择合适的目标优化函数，遍历所有的预测值，选择使优化问题有最优解的控制动作，将其在下一采样时刻输出。FCS-MPC方法简单灵活、容易处理约束问题，可直接控制功率变换器的开关动作，不需要正弦信号脉宽调制。同时取代了耗时的连续优化算法，能直接对开关状态完成评估，大大简化预测控制的应用，尤其适用于电路的离散性、开关状态的有限量和微处理器的数字实现。本发明根据以上思想，设计了基于预测控制的光伏并网逆变控制器。通过对下一时刻光伏并网逆变器的输出电流进行预测，选择合适的开关状态，使逆变器的输出电流尽可能的接近下一时刻的参考值。控制器的输出信号 (1或0)不经正弦脉宽调制模块，可以直接确定功率开关管的开关状态，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电，实现对光伏系统的并网电流控制。基于预测控制的光伏并网逆变控制器对未来输出电流进行预测，提高了控制速度和精度。并在目标函数中加入共模电压抑制项，可减少共模电压带来的负面影响。同时，控制器仅需优化一个目标函数，整个系统的设计简单，控制律的结构一目了然，设计目的清楚，参数调节简单，可较好的实现并网逆变控制。

附图说明

图1为光伏并网逆变器拓扑结构图；

图2为光伏并网逆变系统控制框图；

图3(a)为光伏并网逆变控制器参考电流恒定时的控制效果图；

图3(b)为逆变器的输出电流响应曲线图；

图3(c)为逆变器的a相输出电压响应图；

图4为并网逆变器输出电流FFT分析图；

图5为并网逆变器稳定时的共模电压的均方根值图；

图6(a)为并网逆变器每一相上的参考电流；

图6(b)为逆变器的三相输出电流响应曲线图；

图6(c)为逆变器的a相输出电压响应图。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明实施方案。

本发明提出了一种基于预测控制的光伏并网逆变器输出电流控制方法，具体实施步骤如下：

步骤1：建立光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型；

光伏并网逆变器由功率开关管、滤波电感等元件组成，其拓扑结构如附图 1所示。

步骤1包括如下子步骤：

子步骤A1：建立光伏并网逆变器的直流侧数学模型表达式为：

v_a＝S_aV_dc-V_ON

v_b＝S_bV_dc-V_ON

v_c＝S_cV_dc-V_ON

其中，v_a、v_b、v_c分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电压，S_a、S_b、S_c分别为三个桥臂的开关信号，V_dc为光伏并网逆变器直流侧的输入电压，V_ON为共模电压。

子步骤A2：建立光伏并网逆变器的交流侧数学模型表达式为：

其中，i_a、i_b、i_c分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电流，e_a、e_b、e_c分别为每一相的电网电压，L为逆变器每一相上的滤波电感，R为逆变器每一相上的电感电阻和功率损耗的等效电阻之和。

子步骤A3：建立光伏并网逆变器的总数学模型表达式为：

步骤2：建立光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型表达式为：

其中，v_αβ＝[v_α v_β]^T＝T_Cv_abc，i_αβ＝[i_α i_β]^T＝T_Ci_abc，e_αβ＝[e_α e_β]^T＝T_Ce_abc。

其中，v_α、v_β分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电压，i_α、i_β分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电流，e_α、e_β分别为两相静止坐标系上的电网电压，T_C为转换矩阵，其表达式为：

步骤3：基于预测控制设计光伏并网逆变控制器，系统控制框图如附图2 所示；

将光伏并网逆变器的每一相输出电压v_a、v_b、v_c相加，我们可以得到如下方程：

考虑到三相并网逆变器为星形连接，在三相电网电压平衡时，交流侧的三相电流和电网电压之和为0，即

i_a+i_b+i_c＝0

e_a+e_b+e_c＝0

结合上述公式，可以求解出并网逆变器的共模电压，其表达式为：

为了满足高频的开关动作，实现预测控制算法的实时运算，本发明选择单步预测作为控制器的预测和控制时域。根据欧拉公式进行前向差分，对逆变器模型进行离散化处理，可以推导出光伏并网逆变系统的预测模型为：

其中，T_S为开关周期。

假设系统的参考电流

与电网电压同频同相，则电流预测控制的控制目标可以表示为输出电流的预测值i_αβ(k+1)尽可能的跟踪电流参考

同时，三相并网逆变器在工作中存在着共模电压。共模电压是三相电网电压的共同的组成部分，其本质也可以看作是一种谐波，对并网性能和电流波形品质的提升，优化逆变系统设计，减少逆变器对电网的污染有较为重要的影响。如果处理不当，将会降低系统的可靠性，威胁电气设备的正常运行，甚至导致系统停运。而对于电网而言，共模电压可能会引起系统谐波共振，在电网中产生高幅值的电流，从而对电网造成污染，影响并网品质和效率。因此，为了保证光伏并网逆变系统的可靠运行，减少负面影响，需要对并网逆变器产生的共模电压进行抑制。

综合上述原则，逆变器预测控制的目标函数可以定义为：

其中，i_αβ(k+1)为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的输出电流预测值，

为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的参考电流预测值，V_ON(k)为当前k时刻的共模电压值，λ为权重系数。

目标函数的第一部分

是控制器主要的控制目标，采用电流误差的形式以保证输出电流对参考值的跟踪效果。如果系统的采样时间足够的短，那么在一个采样周期内可以认为参考电流不会发生太大的改变，所以预测的参考电流

和

就可以近似为当前时刻的参考电流

和

同时，较短的采样时间也会忽略光伏系统在参考轨迹采样时出现时间延迟的问题。

目标函数的第二部分λ|V_ON(k)|是为了对逆变器的共模电压进行抑制，使逆变器可以降低共模电压来提升系统性能，其抑制效果由权重系数λ决定。由于共模电压是一个变量，与输出电流相比，其解耦程度更高，因此很容易通过分支定界的方法确定权重系数λ的值，具体确定过程不再做详细介绍。本发明中将λ的值取为0.001。

根据光伏并网逆变器的工作原理可得，逆变器开关信号可以产生8种不同的组合，对应了8种不同的开关状态，即：

S_abc∈{S_i|i＝0,1,…7}＝{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}

对于光伏并网逆变系统，预测控制器通过选择合适的开关状态，对目标函数进行最小化。其优化问题可以描述为：

同时，满足动力学模型

通过求解上述优化问题，可以确定光伏并网逆变器的开关状态，输出的控制信号不需要经过正弦脉宽调制模块，直接控制逆变器中的开关管，因此简化了光伏并网逆变系统的控制结构，基于预测控制的共模电压抑制的光伏并网逆变器的算法实现流程可以表示如下：

(1)初始化。输入系统的参数值。

(2)测量i(k)、e(k)，并获得参考电流

的值。

(3)预测i_αβ(k+1)和V_ON(k)的值。利用预测模型预测下一时刻光伏并网逆变器的输出电流和共模电压。

(4)优化目标函数。求解优化问题。

(5)输出优化问题的最优解并应用。

(6)等待下一个采样时刻，在k+1时刻返回步骤2。

采用本发明方法对本实施例中光伏并网逆变器系统进行仿真。系统各个参数如表1所示：

表1实施例中三相逆变器的相关参数

为了保证控制器的实时性，综合信号采集和计算处理速度，本发明中选择控制时域和预测时域为一步，仿真时间为T＝0.15s，求解器选择采用固定步长的 5阶龙格库塔算法(ode 5)，仿真步长为1e-6s。控制器通过对下一时刻光伏并网逆变器的输出电流进行预测，使逆变器的输出电流尽可能的接近下一时刻的参考值。本发明是将当前时刻的光伏并网逆变器的输出电流I_αβ(k)和电网电压 e_αβ(k)作为控制器的输入，由预测控制器优化得出开关信号S_abc(k)，最后给出并网逆变器实际的开关状态，通过改变并网逆变器的开关状态，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电，实现对光伏系统的并网电流控制。

附图3给出了光伏并网逆变控制器参考电流恒定时的控制效果。选取并网逆变器每一相上的参考电流幅值为10A，分别用红、蓝、黑实线表示，并与电压保持同频同相，如图3(a)所示。图3(b)给出了逆变器的输出电流响应曲线，从图中可以看出逆变器启动运行时能快速跟踪参考电流，调节时间仅为7e-4s，无明显的超调。稳定时的输出电流呈明显的正弦波变化，所含的谐波分量较低，无稳态误差，无明显的相位滞后和频率失真。图3(c)为逆变器的a相输出电压响应情况。分析可知，在高频的开关频率下，逆变器有很好的逆变效果，证明了所设计的电流预测控制器的有效性。

同时，对于光伏并网系统来说，并网逆变器输出电流的谐波是判断其性能好坏的重要指标之一，在国内外都有着比较严格的规定，即并网电流的总谐波畸变率(THD)尽可能的小，一般要求应低于5％。为了进一步分析并网逆变器输出电流的谐波含量，我们选取逆变器a相上的输出电流进行FFT分析。设定输出电流基波频率为50Hz，在0-2000Hz内检测电流的谐波含量，仿真结果如图 4所示。从图中可以看出谐波成分主要分布在低频区域，高频谐波含量较少，并网逆变器输出电流的基波分量达到9.891A，总谐波失真为3.12％，符合一般要求。

附图5代表了光伏并网逆变器稳定时的共模电压的均方根值。目标函数未加入抑制项时，共模电压在180-360V之间波动，其平均值(RMS)约为274V，如图中虚线所示。为了抑制逆变器中的共模电压成分，减少对并网电流的危害，在目标函数中加入抑制项，共模电压出现明显下降，其平均值约为213V，如图中实线所示。由此可以得出，所设计的并网逆变控制器对共模电压有很好的抑制作用。

附图6给出了参考电流变化时的控制效果。图6(a)为并网逆变器每一相上的参考电流，用红、蓝、黑实线表示，与电压电压保持同频同相。当t＝0.05s时，参考电流幅值由10A阶跃下降到5A；当t＝0.05s时，参考电流幅值由5A阶跃上升到8A。逆变器的三相输出电流响应曲线如图6(b)所示，从图中可以看出，在参考电流发生阶跃变化时，并网逆变器的输出电流可快速的跟踪参考值的变化，响应迅速，动态性能较好，且稳定后的输出电流呈明显的正弦波变化，无稳态误差。图6(c)给出了逆变器的a相输出电压响应情况。分析可知，在参考电流发生突变时，逆变器仍具有较快的响应速度和较好的逆变效果，证明了所设计的电流预测控制器的动态性能。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，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技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，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该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：根据光伏并网逆变器的工作原理建立光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型；

步骤2：根据坐标变换原理建立光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型；

步骤3：基于预测控制分步骤设计光伏并网逆变控制器，通过控制光伏并网逆变器的开关状态，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪参考电流，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电；

所述光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型进行简化整理表达式为：

并且光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型为：

其中，T，T_C，v_abd，i_abc，e_abc，S_abc的表达式为：

其中，i_a、i_b、i_c分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电流，v_a、v_b、v_c分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电压，S_a、S_b、S_c分别为三个桥臂的开关信号，e_a、e_b、e_c分别为每一相的电网电压，V_dc为光伏并网逆变器直流侧的输入电压，L为逆变器每一相上的滤波电感，R为逆变器每一相上的电感电阻和功率损耗的等效电阻之和，T为系数矩阵，i_α、i_β分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电流，e_α、e_β分别为两相静止坐标系上的电网电压，T_C为转换矩阵。

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预测控制是将当前时刻的光伏并网逆变器的输出电流I_αβ(k)和电网电压e_αβ(k)作为控制器的输入，由预测控制优化得出开关信号S_abc(k)，最后给出并网逆变器实际的开关状态，通过改变并网逆变器的开关状态，从而将光伏系统的输出直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，实现对光伏系统的并网电流控制。

3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，基于预测控制的光伏并网逆变控制首先是对逆变器模型进行离散化处理，进而得出光伏并网逆变系统输出电流的预测模型表达式，其中离散化的表达式为：

其中，T_S为开关周期。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述设计光伏并网逆变控制器的第一步是得到系统的共模电压V_ON，其中光伏并网逆变器的共模电压表达式如下：

5.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述设计光伏并网逆变控制器的第二步是构建目标函数，使得输出电流的预测值i_αβ(k+1)跟踪电流参考

并加入共模电压抑制项，其中光伏并网逆变电流预测控制的目标函数可以写成：

其中，i_αβ(k+1)为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的输出电流预测值，

为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的参考电流预测值，V_ON(k+1)为共模电压的预测值，λ为权重系数。

6.根据权利要求5所述方法，其特征在于，λ的值取为0.001。

7.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述设计光伏并网逆变控制器的第三步是优化目标函数，其中通过选择合适的开关状态，对目标函数进行最小化，并且其中控制律的表达式为：

同时，满足动力学模型

其中，{S_i|i＝0,1,…7}＝{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}，为开关信号的集合，对应8种不同的开关状态。

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