CN113270888A - 一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备,包括:建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型,根据所述预测模型获取预测输出值;根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成所述预测模型的控制增量,并对所述控制增量进行修正,以获得并网逆变器的控制输入量。解决了现有的控制方法调节的柔和性不高,无法降低注入电网的谐波的问题。
Description
技术领域
本发明涉及三相并网领域,特别涉及一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备。
背景技术
近年来,随着新能源的逐步发展,越来越多的光伏逆变并网装置接入到现代电网中,然而,大量光伏机组的引入可能对分布式光伏并网发电系统产生电网不稳定等负面影响,因此对现代电网的抗干扰能力也提出了更高的要求。三相并网逆变器接入的电网环境极其复杂,存在很多非线性不确定的干扰因素,传统PI控制下的三相并网逆变器鲁棒性较差,在扰动下调节会使并网输出电流波形发生严重的畸变,不能很好地应对外界对电网的干扰。预测控制能在不确定扰动下保持较好的鲁棒性,能有效应对外界的干扰,因此在控制策略上可选择预测控制算法来增强并网逆变器的抗干扰能力。预测控制算法本质上是一种关于计算机如何实现优化控制的算法,它主要通过预测模型来预测未来的输出,同时配合闭环反馈校正滚动实现优化控制。从预测控制的基本原理出发,设计不同的优化策略、模型形式和校正措施,在同一个系统中可实现不同的预测控制算法。
目前在工业控制领域应用最多的预测控制算法主要是动态矩阵控制 (DMC)、广义预测控制(GPC)和模型算法控制(MAC)。动态矩阵控制(DMC)作为一种经典的模型预测控制算法,具有算法实现容易、数据计算量少、鲁棒性强的特点,在化工、石油部门等具有纯时延、开环渐进稳定的非最小相位系统中得到有效应用。在被控对象是渐近稳定的前提下,应用DMC算法不需要明确系统具体的数学模型,在获得被控对象阶跃响应序列后就可实现相应控制。同时,对于存在一定纯滞后特性的被控对象或者传递函数的零点存在于S域右半平面的非最小相位系统,DMC算法都能达到很好的控制效果。动态矩阵预测控制在控制方式上基于阶跃响应,在控制算法上应用了包括数字积分环节的增量式算法,在消除系统静差方面有着显著优势。在实际生产应用过程中,时常会碰到一些处于非线性不稳定状态的系统,如何对这些系统进行有效的控制成为研究重点,而DMC在这方面也起到了一定的作用,在面向弱非线性系统时DMC可通过对其工作点进行线性化处理后再按照线性系统的方法进行控制,在面向不稳定系统时DMC可配合PID 控制,通过常规PID控制使系统稳定后再应用DMC算法进行控制。针对三相并网电流的扰动,现有的控制方法调节的柔和性不高,无法降低注入电网的谐波。
有鉴于此,提出本申请。
发明内容
本发明公开了一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备,旨在至少部分解决现有技术的不足。
本发明第一实施例提供了一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法,包括:
建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;
建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型,根据所述预测模型获取预测输出值;
根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成所述预测模型的控制增量。
优选地,所述柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型为:
其中,L和r分别为电网单相电感值和电感寄生电阻,Vα,Vβ为并网逆变器输出电压空间矢量在αβ坐标轴上的分量,Eα,Eβ为三相电网输出电压空间矢量在αβ坐标轴上的分量,Iα,Iβ为并网逆变器输出电流空间矢量在αβ坐标轴上的分量,|IREF|为并网逆变器输出电流空间矢量的幅值。
优选地,所述预测模型为:
其中,A为动态矩阵,由系统的阶跃响应序列构成的P行M列矩阵;P 为预测步长,表示对未来P个时刻输出的预测;M为控制步长,表示输入的控制变量需要变化的次数。
优选地,所述根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成所述预测模型的控制增量,具体为:
生成所述预测模型的控制增量,对所述控制增量进行滚动优化,以获得优化增量;
获取实际输出电流空间矢量幅值,并根据所述实际输出电流空间矢量幅值修正所述优化增量,以获得并网逆变器的控制输入量。
优选地,所述控制增量模型为:
其中,Iset(k)为设定电流空间矢量幅值,ΔIM为电流空间矢量幅值输入控制增量,Q为误差权矩阵,R为控制权矩阵,Ip0(k)为预测输出电流空间矢量幅值初始值,Ip(k)为预测输出电流空间矢量幅值。
优选地,优化增量模型为:
式中,ΔIM-best(k)为最优输入控制增量,I(k)为并网逆变器的控制输入量。
本发明第二实施例提供了一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制装置,包括:
αβ轴数学模型建立单元,用于建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;
预测模型建立单元,用于建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型,根据所述预测模型获取预测输出值;
控制输入量获取单元,生成所述预测模型的控制增量,并对所述控制增量进行修正,以获得并网逆变器的控制输入量。
优选地,所述预测模型为:
其中,A为动态矩阵,由系统的阶跃响应序列构成的P行M列矩阵;P 为预测步长,表示对未来P个时刻输出的预测;M为控制步长,表示输入的控制变量需要变化的次数。
优选地,所述预测模型为:
其中,A为动态矩阵,由系统的阶跃响应序列构成的P行M列矩阵;P 为预测步长,表示对未来P个时刻输出的预测;M为控制步长,表示输入的控制变量需要变化的次数。
本发明第三实施例提供了一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制设备,其特征在于,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置由所述处理器执行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序实现如上任意一项所述的一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法。
基于本发明提供的一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备,通过先建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,并根据轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值,再建立预测模型,以获取预测输出值,根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成系统的控制增量,经过反馈校正之后,以生成用于在系统能够在控制增量的作用下保证实际输出尽可能趋近于参考输出,及在系统进入稳定状态后,控制增量可能会持续作用于系统而对执行机构的性能产生一定的影响的最终输入控制量。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法流程示意图;
图2是本发明提供的动态矩阵控制的柔性三相并网逆变器结构示意图;
图3是本发明提供的系统控制示意图;
图4是本发明提供的三相并网电流扰动曲线示意图;
图5是扰动条件下基于PI控制的波形图;
图6是扰动条件下基于动态矩阵控制的波形图;
图7是本发明第二实施例提供的一种三相并网逆变器动态矩阵的控制装置模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
为了更好的理解本发明的技术方案,下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。
应当理解,本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系,表示可以存在三种关系,例如,A和/或B,可以表示:单独存在A,同时存在A和B,单独存在B这三种情况。另外,本文中字符“/”,一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境,如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地,取决于语境,短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
实施例中提及的“第一\第二”仅仅是是区别类似的对象,不代表针对对象的特定排序,可以理解地,“第一\第二”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二”区分的对象在适当情况下可以互换,以使这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以下结合附图对本发明的具体实施例做详细说明。
本发明公开了本发明公开了一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备,旨在至少部分解决现有技术的不足。
请参阅图1,本发明第一实施例提供了一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法,其可由柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制设备(以下简称控制设备)来执行,特别的,由升级设备内的一个或者多个处理器来执行,以实现如下步骤:
S101,建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;
在本实施例中,先建立逆变器的αβ轴数学模型,可以通过clark变换,在αβ坐标系下并网逆变器输出特性满足如下关系:
其中,L和r分别为电网单相电感值和电感寄生电阻,Vα,Vβ为并网逆变器输出电压空间矢量在αβ坐标轴上的分量,Eα,Eβ为三相电网输出电压空间矢量在αβ坐标轴上的分量,Iα,Iβ为并网逆变器输出电流空间矢量在αβ坐标轴上的分量,|IREF|为并网逆变器输出电流空间矢量的幅值。
S102,建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型, 根据所述预测模型获取预测输出值;
在本实施例中,所述预测模型用于预测三相并网电流空间矢量的输出值,所述预测模型基于阶跃响应,即并网逆变器输出电流空间矢量的幅值I 的单位阶跃响应:
a=[a1 ... aN]T
其中N为阶跃响应采样点的个数。根据线性时不变(LTI)系统的齐次叠加性质,对于零状态响应的系统,在N个采样点对应的阶跃响应序列可观测的情况下,系统在k时刻对未来的电流空间矢量输出预测可由如下计算表达式得到:
其中,A为动态矩阵,由系统的阶跃响应序列构成的P行M列矩阵;P 为预测步长,表示对未来P个时刻输出的预测;M为控制步长,表示输入的控制变量需要变化的次数。
在k时刻起,依次有M个电流空间矢量幅值增量变化:ΔI(k),ΔI(k+1),...,ΔI(k+M-1);
此时并网逆变器输出电流空间矢量的幅值预测输出为: [I(k+1|k),I(k+2|k),…,I(k+P|k)]T;
即:
式中,[I0(k+1|k),I0(k+2|k),…,I0(k+P|k)]T为网逆变器输出电流空间矢量的幅值在k时刻的预测输出初始值。对于控制参数的设计,M、N、P满足应如下关系:N>P>M。
S103,根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成所述预测模型的控制增量,具体可以:
生成所述预测模型的控制增量,对所述控制增量进行滚动优化,以获得优化增量;
获取实际输出电流空间矢量幅值,并根据所述实际输出电流空间矢量幅值修正所述优化增量,以获得并网逆变器的控制输入量。
需要说明的是,系统期望的控制要求需要满足以下两个方面,一方面是系统能够在控制增量的作用下保证实际输出尽可能趋近于参考输出,另一方面是在系统进入稳定状态后,控制增量可能会持续作用于系统而对执行机构的性能产生一定的影响,为防止这种情况的发生在系统进入稳态后控制增量应趋近于0。基于上述期望的两个方面的控制要求,动态矩阵输入控制增量的目标函数可通过以下表达式加以构造:
minJ=[Iset(k)-Ip(k)]TQ[Iset(k)-Ip(k)]+ΔIM TRΔIM
Ip(k)=Ip0(k)+AΔIM
其中,Iset(k)为设定电流空间矢量幅值,ΔIM为电流空间矢量幅值输入控制增量,Q为误差权矩阵,R为控制权矩阵,Ip0(k)为预测输出电流空间矢量幅值初始值,Ip(k)为预测输出电流空间矢量幅值。
滚动优化后的优化增量模型为
式中,ΔIM-best(k)为最优输入控制增量,I(k)为并网逆变器的控制输入量。
本实施例中,可以根据实际输出电流空间矢量幅值修正最优控制增量,实现闭环控制,反馈校正后的电流空间矢量幅值为:
err(k+1)=I(k+1)-I(k+1|k)
式中,err(k+1)为预测偏差,Icor(k+i|k),i=1,...,P为反馈校正后的预测输出电流空间矢量幅值,Ifinal(k+i|k),i=1,...,P为最终预测输出电流空间矢量幅值,hj,j=1,...,P为校正向量,S为位移矩阵,其表达式如下:
具体地,请参阅图2,本实施例中的动态矩阵控制的柔性三相并网逆变器可以包括光伏直流输出模块、逆变桥、SVPWM合成模块、动态矩阵控制器、 LCL滤波器、锁相环模块、电网电流采样模块。
逆变器直流母线输入电压Udc由光伏阵列输出提供,经过LCL滤波器送入电网。系统一方面采样三相并网输出电流Ia,Ib,Ic送入动态矩阵控制器进行预测运算得到控制增量,另一方面采样主干网的三相电网电流得到电流的相位进行相位跟踪,最后通过SVPWM对逆变器输出进行控制。
具体地,请参阅图3,本实施例中的柔性三相并网逆变器动态矩阵控制方法,其可以包括预测模型、滚动优化和反馈校正;其中,三相电网电流经过Clark变换和幅值计算得到电流空间矢量幅值大小,以该幅值大小为控制对象,通过动态矩阵预测控制来调节调制波的调制比,三相电网电流的相位可通过锁相环得到,该相位作为调制波的参考相位,该调制波为三相正弦波,为加快系统的动态过程,引入一个初始调制比作为控制系统的前馈,从而使系统在初始调制比的基础上以控制增量的形式进行控制。通过采样三相电网的实际电流并将其转换成空间电流矢量,将设定空间电流矢量的幅值和实际合成空间电流矢量的幅值进行比较来调节调制波的调制比,进而使整个并网系统平稳柔和运行。
下面以一个实施例介绍,SVPWM调制波的初始调制比设置为0.6,并网后三相并网电流输出幅值设定值为100A,控制权矩阵R=0,误差权矩阵Q 取单位矩阵,在并网系统运行的某一时间段内引入如图4所示的三相并网扰动电流,分别观测三相并网逆变器在动态矩阵控制下和PI控制下三相并网输出电流,在三相并网电流扰动情况下现有PI控制方案得到的三相并网输出电流如图5所示,在三相并网电流扰动情况下本发明动态矩阵控制方案得到的三相并网输出电流如图6所示。
请参阅图7本发明第二实施例提供了一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制装置,包括:
αβ轴数学模型建立单元201,用于建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;
预测模型建立单元202,用于建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型,根据所述预测模型获取预测输出值;
控制输入量获取单元203,生成所述预测模型的控制增量,并对所述控制增量进行修正,以获得并网逆变器的控制输入量。
优选地,所述预测模型为:
其中,A为动态矩阵,由系统的阶跃响应序列构成的P行M列矩阵;P 为预测步长,表示对未来P个时刻输出的预测;M为控制步长,表示输入的控制变量需要变化的次数。
优选地,所述预测模型为:
其中,A为动态矩阵,由系统的阶跃响应序列构成的P行M列矩阵;P 为预测步长,表示对未来P个时刻输出的预测;M为控制步长,表示输入的控制变量需要变化的次数。
本发明第三实施例提供了一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制设备,其特征在于,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置由所述处理器执行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序实现如上任意一项所述的一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法。
基于本发明提供的一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法、装置及设备,通过先建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,并根据轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值,再建立预测模型,以获取预测输出值,根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成系统的控制增量,经过反馈校正之后,以生成用于在系统能够在控制增量的作用下保证实际输出尽可能趋近于参考输出,及在系统进入稳定状态后,控制增量可能会持续作用于系统而对执行机构的性能产生一定的影响的最终输入控制量。
本发明第四实施例提供了一种可读存储介质,存储有计算机程序,所述计算机程序能够被该存储介质所在设备的处理器执行,以实现如上任意一项所述的一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法。
示例性地,本发明第三实施例和第四实施例中所述的计算机程序可以被分割成一个或多个模块,所述一个或者多个模块被存储在所述存储器中,并由所述处理器执行,以完成本发明。所述一个或多个模块可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段,该指令段用于描述所述计算机程序在所述实现一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制设备中的执行过程。例如,本发明第二实施例中所述的装置。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等,所述处理器是所述一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法的控制中心,利用各种接口和线路连接整个所述实现对一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块,所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块,以及调用存储在存储器内的数据,实现一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、文字转换功能等)等;存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、文字消息数据等)等。此外,存储器可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(Smart Media Card,SMC)、安全数字(Secure Digital,SD) 卡、闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中,所述实现的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程,也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中,该计算机程序在被处理器执行时,可实现上述各个方法实施例的步骤。其中,所述计算机程序包括计算机程序代码,所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是,所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减,例如在某些司法管辖区,根据立法和专利实践,计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是,以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的,其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元,即可以位于一个地方,或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外,本发明提供的装置实施例附图中,模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接,具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下,即可以理解并实施。
以上所述,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 (10)
1.一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法,其特征在于,包括:
建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;
建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型,根据所述预测模型获取预测输出值;
根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成所述预测模型的控制增量,并对所述控制增量进行修正,以获得并网逆变器的控制输入量。
4.根据权利要求1所述的一种三相并网逆变器动态矩阵的控制方法,其特征在于,所述根据所述预测输出值及并网逆变器输出电流空间矢量的幅值生成所述预测模型的控制增量,具体为:
生成所述预测模型的控制增量,对所述控制增量进行滚动优化,以获得优化增量;
获取实际输出电流空间矢量幅值,并根据所述实际输出电流空间矢量幅值修正所述优化增量,以获得并网逆变器的控制输入量。
7.一种三相并网逆变器动态矩阵的控制装置,其特征在于,包括:
αβ轴数学模型建立单元,用于建立柔性三相并网逆变器的αβ轴数学模型,根据所述αβ轴数学模型获取并网逆变器输出电流空间矢量的幅值;
预测模型建立单元,用于建立基于所述并网逆变器输出电流空间矢量的幅值的预测模型,根据所述预测模型获取预测输出值;
控制输入量获取单元,生成所述预测模型的控制增量,并对所述控制增量进行修正,以获得并网逆变器的控制输入量。
10.一种三相并网逆变器动态矩阵的控制设备,其特征在于,包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置由所述处理器执行的计算机程序,所述处理器执行所述计算机程序实现如权利要求1至6任意一项所述的一种柔性三相并网逆变器动态矩阵的控制方法。
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