CN112467788B - 一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法，该方法在光伏并网逆变器电流控制环节采用MPC实现电流快速跟踪及大幅度调节。进一步的针对调节过程中因为模型参数不匹配引起的系统稳态误差问题，设置自适应目标函数来提高无功分配精度，提高光伏并网逆变器LVRT时，电流快速跟踪性和大幅度调节特性，实现电压跌落时无功快速响应。本发明采用MPC技术实现电流快速跟踪及大幅度调节，提高光伏并网逆变器LVRT能力，利用MPC电流快速跟踪性和大幅度调节特性，实现电压跌落时无功快速响应。

Description

一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的 方法
技术领域
本发明涉及一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法，该方法采用模型预测控制来实现电流快速跟踪及大幅度调节，减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法。
背景技术
随着电网容量不断增加，光伏等新能源发电大规模接入，势必会对电力系统稳定性造成影响。为实现光伏友好型并网，使光伏电站参与网侧调节，需要开展光伏并网控制研究，当电网发生电压跌落事故，会造成光伏逆变装置用到的电力电子元器件损坏。因此需要开展采用光伏并网装置低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)研究。
为提高光伏并网逆变器故障发生和切除后的电压、电流变化应对能力，目前有两类方案，一种是添加主动、被动硬件设备，比如：无功补偿装置、储能设备、crowbar电路来稳定电压、限制过流，但这些成套硬件设备，使改造成本大幅增加，与本身发电设备之间的协调控制也较为复杂。一种是通过改进控制算法，实现光伏并网逆变器输出电流限制和并网点电压支撑。
模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)作为一种新兴控制策略，因为快速动态响应能力强，可同时控制多个目标，输出特性好，在光伏并网逆变器控制领域得到广泛关注，但该控制策略存在计算量大的问题，这就需要更高性能的处理器，这无疑增加了成本，不利于该控制算法的推广。
发明内容
本发明的目的在于提供一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法，具体是在光伏并网逆变器电流控制环节采用MPC实现电流快速跟踪及大幅度调节。进一步的针对调节过程中因为模型参数不匹配引起的系统稳态误差问题，设置自适应目标函数来提高无功分配精度，提高光伏并网逆变器LVRT时，电流快速跟踪性和大幅度调节特性，实现电压跌落时无功快速响应。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法，包括以下步骤：
1)根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型；
2)对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型；
3)根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，将交叉耦合项视为扰动，采用网侧电压定向矢量控制，得到瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式；
4)根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数；
5)为实现光伏电站低电压穿越，根据步骤3)LCL光伏并网逆变器电瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式和步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数，得到有功和无功电流参考值与额定电流关系式及无功电流取值范围；
6)采用模型预测控制MPC，实现光伏电站低电压穿越，将步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程，并在状态方程中引入采样时间，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态时域方程；
7)将步骤6)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态方程进行离散化处理，并带入步骤6)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态时域方程中，得到k+1时刻d轴、q轴的MPC方程；
8)为表示方便，将步骤7)k+1时刻d轴、q轴的预测方程中k时刻输出控制量展开为MPC方程；
9)将步骤8)输出控制量MPC方程方程带入步骤7)k+1时刻d轴、q轴的MPC方程方程中，得到电流MPC控制方程；
10)为提高光伏MPC系统低电压穿越时无功分配精度，定义光伏并网低电压穿越时， MPC自适应目标函数，将此目标函数引入电流控制环节中，起到减少光伏低电压穿越时控制系统稳态误差的作用。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：根据基尔霍夫电压定律，建立 LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型：
Figure BDA0002786337380000031
其中：L表示线路等效电感；R表示线路等效电阻；Uabc、iabc为逆变器输出交流三相电压、电流；eabc为网侧三相电压。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型：
Figure BDA0002786337380000032
其中：
Figure BDA0002786337380000033
其中，Tabc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，将交叉耦合项视为扰动，采用网侧电压定向矢量控制，得到瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式：
Figure BDA0002786337380000041
得出：瞬时有功功率P与id有关；瞬时无功功率Q与iq有关。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数：
Figure BDA0002786337380000042
其中：Kp和KI分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，id *和iq *分别为电流参考值，光伏并网逆变器稳定平衡状态下，用标幺值表示：id *＝id＝1，iq *＝iq＝0。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：为实现光伏电站低电压穿越，光伏并网电压保持在发生电压跌落光伏电站不脱网最低电压至少1s时间，使光伏电站具有低电压穿越能力，在电压跌落工况下，对id和iq进行控制，在并网稳定状态下，id对应的有功功率与视在功率相同，iq对应的无功功率为0，为穿越过低电压状态，控制系统按照有功、无功电流参考值id *和iq *进行有功、无功功率调节，根据步骤3)LCL光伏并网逆变器电瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式和步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数，得到有功和无功电流参考值与额定电流关系式：
Figure BDA0002786337380000043
及无功电流取值范围：
Figure BDA0002786337380000044
其中：U为光伏并网点电压标幺值。
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：采用模型预测控制MPC，实现光伏电站低电压穿越，将步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程：
Figure BDA0002786337380000051
并在状态方程中引入采样时间Ts，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态时域方程：
Figure BDA0002786337380000052
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：将步骤6)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态方程进行离散化处理，并带入步骤6)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态时域方程中，得到k+1时刻d轴、q轴的MPC方程：
Figure BDA0002786337380000053
其中：
Figure BDA0002786337380000054
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：为表示方便，将步骤7)k+1时刻d轴、q轴的预测方程中k时刻输出控制量Ed(k)和Eq(k)展开为MPC方程：
Figure BDA0002786337380000055
其中：ΔEd(k)、ΔEq(k)为k时刻控制增量。
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：将步骤8)输出控制量MPC方程方程带入步骤7)k+1时刻d轴、q轴的MPC方程方程中，得到电流MPC控制方程：
Figure BDA0002786337380000056
其中：
Figure BDA0002786337380000057
步骤10)的具体实现方法为：为提高光伏MPC系统低电压穿越时无功分配精度，减少模型参数不匹配引起的系统稳态误差问题；定义光伏并网低电压穿越时，MPC自适应目标函数：
Figure BDA0002786337380000061
其中：Np为MPC算法预测域；Nc为MPC算法控制域；n为预测次数；udq *为网侧电压参考向量；Q、R为对角权值系数矩阵；QT为低电压穿越时光伏电站总无功功率缺口；Qwmax为并网逆变器最大输出无功功率；当QT≤Qwmax时，光伏低电压穿越时所需要的无功全部由并网逆变器调节所得；当QT＞Qwmax时，光伏LVRT所需要的无功，除了由并网逆变器调节外，其余缺口由无功补偿设备输出，无功补偿设备输出无功为： QSVG＝QT-Qwmax；将此目标函数引入电流控制环节中，起到减少光伏低电压穿越时控制系统稳态误差的作用。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明采用MPC技术实现电流快速跟踪及大幅度调节，提高光伏并网逆变器LVRT能力，利用MPC电流快速跟踪性和大幅度调节特性，实现电压跌落时无功快速响应。
2.本发明针对调节过程中因为模型参数不匹配引起的调节误差问题，设置自适应目标函数来提高无功分配精度，减少光伏MPC系统LVRT稳态误差。
附图说明
图1为光伏并网LCL并电路拓扑；
图2为两相坐标系下光伏并网控制框图；
图3为光伏电站低电压穿越要求曲线；
图4为新型MPC光伏LVRT控制框图
图5为光伏逆变并网仿真模型；
图6为不同接地故障10kV母线电压仿真波形；其中图6(a)为三相短路接地故障，图6(b)为单相短路接地故障。
图7为三相短路接地故障无功输出仿真波形；其中图7(a)为两种控制无功输出对比，图7(b)为新型MPC控制无功分配。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，Udc为直流侧母线电压；Rf、Lf、Lg、Rg构成LCL型滤波电路。用L表示线路等效电感(L＝Lf+Lg)，用R表示线路等效电阻(R＝Rf+Rg)，根据基尔霍夫电压定律可得：
Figure BDA0002786337380000071
式(1)中：L表示线路等效电感；Uabc、iabc为逆变器输出交流三相电压、电流；eabc为网侧三相电压。
对三相坐标系下的数学模型进行Park变换，可以得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型为：
Figure BDA0002786337380000072
式(2)中：
Figure BDA0002786337380000073
其中，Tabc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度。
并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，通常做法是采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项。稳定情况下网侧三相电压对称，光伏并网逆变器采用网侧电压定向矢量控制，将dq坐标系的d轴与网侧电压合成矢量 Es定为同一方向，即ed＝Es，eq＝0。则瞬时视在功率S可解耦为瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q：
Figure BDA0002786337380000081
由式(3)可以看出：瞬时有功功率P仅与id有关；瞬时无功功率Q仅与iq有关。为实现功率的解耦控制，只需要控制id和iq即可。
如图2所示，在光伏发电并网逆变控制中，电流调节采用PI控制，则传递函数：
Figure BDA0002786337380000082
式(4)中：Kp和KI分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，id *和iq *分别为电流参考值，光伏并网逆变器稳定平衡状态下，用标幺值表示：id *＝id＝1，iq *＝iq＝0。
如图3所示，根据国家标准《光伏电站接入电网技术规定》，大中型光伏电站在电网发生接地故障要具备低电压穿越能力，为电网稳定提供支撑。UN为光伏并网额定电压，UL为发生电压跌落光伏电站不脱网最低电压，一般为0.2UN。根据《光伏电站接入电网技术规定》，当网侧发生电压跌落事故，光伏并网电压需保持在UL至少1s时间，光伏电站才具备LVRT 能力。使光伏电站具有LVRT能力，需要在电压跌落工况下，对id和iq进行控制，在并网稳定状态下，id对应的有功功率与视在功率相同，iq对应的无功功率为0，为穿越过低电压状态，需要控制系统按照有功、无功电流参考值id *和iq *进行有功、无功功率调节，有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流的关系为：
Figure BDA0002786337380000091
光伏电站输送至网侧的无功功率对应的iq应具备实时跟踪并网点电压变化的能力，需满足：
Figure BDA0002786337380000092
式(6)中：U为光伏并网点电压标幺值。为使光伏并网逆变器具有低电压穿越能力，满足电压跌落情况下电流大幅调节特性，本发明将MPC应用于光伏并网电流控制系统中。
如图4所示，MPC控制是一种进行下一时刻的状态量预测控制，在预测过程中应以目标函数最小为约束条件，不断对电压矢量进行优化，达到电压矢量最优。将该电压矢量与开关状态相对，实现光伏并网逆变器的PWM控制。将式(2)转换为状态方程形式：
Figure BDA0002786337380000093
设采样时间为Ts，则有：
Figure BDA0002786337380000094
对式(7)进行离散化处理并带入式(8)，将dq轴之间的交叉耦合项视为扰动，可以得到k+1时刻d轴、q轴的预测方程：
Figure BDA0002786337380000095
式(9)中：
Figure BDA0002786337380000096
为表示方便，将k时刻输出控制量Ed(k)和Eq(k)写成：
Figure BDA0002786337380000101
式(10)中：ΔEd(k)、ΔEq(k)为k时刻控制增量。将上式带入式(9)可以得到：
Figure BDA0002786337380000102
式(12)中：
Figure BDA0002786337380000103
根据上述分析，MPC根据k时刻的采样值预测k+1时刻的预测值，电流具有快速跟踪和响应能力。
MPC需要选取合适的目标函数，来确定控制系统在下一个采样周期的开关状态。为实现在LVRT工况时，穿越过低电压状态，需要有更多的无功功率支持，但是因为模型参数不匹配引起的系统稳态误差问题，将会导致光伏并网控制系统与厂内的无功补偿设备之间存在无功分配误差问题，本发明设置自适应目标函数来提高无功分配精度。定义光伏并网LVRT控制时，MPC自适应目标函数为：
Figure BDA0002786337380000104
式(13)中：Np为MPC算法预测域；Nc为MPC算法控制域；n为预测次数；udq *为网侧电压参考向量；Q、R为对角权值系数矩阵；QT为LVRT时光伏电站总无功功率缺口；Qwmax为并网逆变器最大输出无功功率。当QT≤Qwmax时，光伏LVRT所需要的无功全部由并网逆变器调节所得；当QT＞Qwmax时，光伏LVRT所需要的无功，除了由并网逆变器调节外，其余缺口由无功补偿设备输出，无功补偿设备输出无功为：QSVG＝QT-Qwmax。
如图5 所示，为验证本发明所提控制方案的有效性。在MATLAB/Simulink下搭建如下图所示的光伏逆变并网仿真模型。该仿真模型中：一个光伏板阵列容量为0.5WM，两个光伏板阵列各自通过逆变器与一个容量为1000kVA的双绕组分裂式变压器相连，由0.4kV升压至 10kV后接入电网，架空线路选择LCJ-240/40，长度为10km。光伏并网LCL逆变器参数如表1。
表1LCL型逆变器仿真参数
Figure BDA0002786337380000111
设置仿真时间为2s，在1s在线路分别发生三相对称接地故障、单相不对称接地故障，1.4s 故障切除。
如图6 所示，由图(a)可知：当1s时刻线路发生三相接地，1.4s继电保护动作切除故障，采用新型MPC的并网逆变器控制系统可以快速下达电流指令来为电网提供电压支持，对比采用常规PI控制得到的母线电压波形，并网点电压标幺值由原些的0.63上升至0.72。由图(b)可知：从发生单相接地故障到故障切除，采用新型MPC的并网逆变器控制系统一直可以进行有效电压调节。对比传统PI调节，面对同样接地故障，并网点电压标幺值由原些的0.67 上升至0.76。
如图7 所示，从图(a)可以看出：为支撑起因为三相短路接地造成的电压下降，需要 950kVar无功功率，采用本发明所提新型MPC控制相较于常规PI控制输出无功可以有效跟踪目标值，有利于并网点母线电压的恢复；从图(b)可以看出：因为应用自适应目标函数在MPC控制中，并网控制系统和无功补偿设备可以根据并网点母线电压跌落深度发出相应的无功，共同作用使得总无功调节量保持在目标值，无功分配准确，实现了电压跌落时无功快速响应并支撑了并网点母线电压的恢复。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (1)

1.一种减少光伏模型预测控制系统低电压穿越时稳态误差的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据基尔霍夫电压定律，建立LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型：
Figure FDA0004039849200000011
其中：L表示线路等效电感；R表示线路等效电阻；Uabc、iabc为逆变器输出交流三相电压、电流；eabc为网侧三相电压；
2)对步骤1)LCL光伏并网逆变器三相坐标系下数学模型进行Park变换，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型：
Figure FDA0004039849200000012
其中：
Figure FDA0004039849200000013
其中，Tabc→dq0为Park变换矩阵，ω为电角速度；并网逆变器电压方程在dq坐标系下存在交叉耦合项，采用前馈解耦控制，将交叉耦合项视为扰动，作为后续电流控制系统中的前馈补偿项；
3)根据步骤2)LCL光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型，将交叉耦合项视为扰动，采用网侧电压定向矢量控制，得到瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式：
Figure FDA0004039849200000014
得出：瞬时有功功率P与id有关；瞬时无功功率Q与iq有关；
4)根据步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型和步骤3)LCL光伏并网逆变器电瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式，得到光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数：
Figure FDA0004039849200000021
其中：Kp和KI分别为电流PI控制中的比例调节系数和积分调节系数，id *和iq *分别为电流参考值，光伏并网逆变器稳定平衡状态下，用标幺值表示：id *＝id＝1，iq *＝iq＝0；
5)为实现光伏电站低电压穿越，光伏并网电压保持在发生电压跌落光伏电站不脱网最低电压至少1s时间，使光伏电站具有低电压穿越能力，在电压跌落工况下，对id和iq进行控制，在并网稳定状态下，id对应的有功功率与视在功率相同，iq对应的无功功率为0，为穿越过低电压状态，控制系统按照有功、无功电流参考值id *和iq *进行有功、无功功率调节，根据步骤3)LCL光伏并网逆变器电瞬时有功功率P和瞬时无功功率Q表达式和步骤4)光伏并网逆变器电流PI控制的传递函数，得到有功和无功电流参考值与额定电流关系式：
Figure FDA0004039849200000022
及无功电流取值范围：
Figure FDA0004039849200000023
其中：U为光伏并网点电压标幺值；
6)采用模型预测控制MPC，实现光伏电站低电压穿越，将步骤2)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的数学模型转换为状态方程：
Figure FDA0004039849200000024
并在状态方程中引入采样时间Ts，得到光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态时域方程：
Figure FDA0004039849200000025
7)将步骤6)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态方程进行离散化处理，并带入步骤6)光伏并网逆变器在dq两相坐标系下的状态时域方程中，得到k+1时刻d轴、q轴的MPC方程：
Figure FDA0004039849200000031
其中：
Figure FDA0004039849200000032
8)为表示方便，将步骤7)k+1时刻d轴、q轴的预测方程中k时刻输出控制量展开为MPC方程：
Figure FDA0004039849200000033
其中：ΔEd(k)、ΔEq(k)为k时刻控制增量；
9)将步骤8)输出控制量MPC方程带入步骤7)k+1时刻d轴、q轴的MPC方程中，得到电流MPC控制方程：
Figure FDA0004039849200000034
其中：
Figure FDA0004039849200000035
10)为提高光伏MPC系统低电压穿越时无功分配精度，减少模型参数不匹配引起的系统稳态误差问题；定义光伏并网低电压穿越时，MPC自适应目标函数：
Figure FDA0004039849200000036
其中：Np为MPC算法预测域；Nc为MPC算法控制域；n为预测次数；udq *为网侧电压参考向量；Q、R为对角权值系数矩阵；QT为低电压穿越时光伏电站总无功功率缺口；Qwmax为并网逆变器最大输出无功功率；当QT≤Qwmax时，光伏低电压穿越时所需要的无功全部由并网逆变器调节所得；当QT＞Qwmax时，光伏LVRT所需要的无功，除了由并网逆变器调节外，其余缺口由无功补偿设备输出，无功补偿设备输出无功为：QSVG＝QT-Qwmax；将此目标函数引入电流控制环节中，起到减少光伏低电压穿越时控制系统稳态误差的作用。
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