CN113991739A - 一种并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，包括以下步骤：步骤S1:根据系统当前状态参数计算电流预测值，并计算预测电流差值；步骤S2:通过判断预测电流差值所在扇区，确定需要遍历的两组电压矢量组合；步骤S3:计算步骤S2中各电压矢量的作用时间，代入代价函数中进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；步骤S4:将最优电压矢量组合及作用时间输入DPWM1调制器获得脉冲信号控制逆变器，得到脉冲信号。本发明有效的降低了谐波。通过计算并补偿预测电流误差，在每个控制周期采用三个电压矢量作用于并网逆变器，使电流纹波减小明显，电流控制精度提高。

Description

一种并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法
技术领域
本发明涉及新能源并网领域，具体涉及一种基于不连续调制的并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法。
背景技术
三相并网逆变器作为光伏发电系统与电网的连接装置，控制方法的好坏对并网效果有很大影响，因此其控制方法越来越受到研究关注。模型预测控制(Model PredictiveControl，MPC)作为近几年新兴的控制策略，因其具有鲁棒性强，动态响应好，且无需复杂的参数设计而广泛地应用于电力电子与电机控制中。传统的模型预测控制方法均为单矢量控制，每个控制周期仅有一个电压矢量参与，无法准确合成控制矢量，稳态性能差。且电压矢量作用整个周期使得电流跟踪不准确，电流谐波含量高。而双矢量模型预测电流控制方法，在单矢量控制的基础上，每个控制周期加上零矢量并分配零矢量控制时间，引入占空比控制的概念，可以准确合成电压矢量的幅值大小，但由于第二矢量总是零矢量，逆变器输出电压矢量方向依然固定，且占空比的确定是在第一矢量选择之后，不能保证全局最优，将基本电压矢量进行就近组合，共计12组代入遍历计算，为控制器带来了巨大的负担，不利于实际应用。大量研究表明，双矢量的控制效果优于单矢量，但双矢量控制缺乏调制环节，每个控制周期开关的状态切换依然存在不规律的问题，导致电流谐波分散，为后期滤波带来了很大不便，并且谐波含量依然较高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于不连续调制的并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，解决了并网逆变器输出电流谐波分散，谐波含量高以及简化了并网逆变器控制计算，有效提高控制效率。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，包括以下步骤：
步骤S1:根据系统当前状态参数计算电流预测值，并计算预测电流差值；
步骤S2:通过判断预测电流差值所在扇区，确定需要遍历的两组电压矢量组合；
步骤S3:计算步骤S2中各电压矢量的作用时间，代入代价函数中进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；
步骤S4:将最优电压矢量组合及作用时间输入DPWM1调制器获得脉冲信号控制逆变器，得到脉冲信号。
进一步的，所述步骤S1具体为：
步骤S11：获取系统当前状态参数，包括实际三相电流(αβ坐标系下)Im,参考三相电流(αβ坐标系下)Iref,角速度ω；
步骤S12:采用矢量补偿法计算下一时刻电流预测值；
步骤S13:根据得到的电流预测值，计算预测电流差值。
进一步的，所述步骤S12具体为:
稳态时参考电流的矢量表示形式为
iref(k)＝|iref|ejθ(k) (2)
式中，θ(k)为当前时刻参考电流的相角，设该矢量以角速度ω旋转且幅值保持不变，则下一时刻参考电流相角值表示为
θ(k+1)＝θ(k)+ωTs (3)
结合式(2)和(3)得到下一时刻电流预测值
Figure BDA0003340797520000021
进一步的，所述预测电流差值计算，具体为：
Figure BDA0003340797520000031
进一步的，所述两组电压矢量组合，如表1所示。
进一步的，所述步骤S3，具体如下：
通过电压定律和Clarke变换，得到三相并网逆变器在αβ坐标系下的动态电流方程为
Figure BDA0003340797520000032
uα、uβ分别为α轴与β轴逆变器输出电压矢量，eα、eβ分别为α轴与β轴电压矢量。
将式(5)改写得到αβ坐标系下瞬时电流变化率为
Figure BDA0003340797520000033
根据式(6)，忽略电阻R的影响，电流瞬时变化率与逆变器输出电压矢量和电网电压矢量有关；
在每个周期，选择与预测电流误差所在扇区相邻的2个矢量为有效矢量，零矢量根据不连续调制DPWM1的规则选取
当零矢量作用时，由式(5)可知电流变化率为
Figure BDA0003340797520000034
其中Sα0为零矢量作用下α轴电流变化率，Sβ0为零矢量作用下β轴电流变化率。
结合式(6)、式(7)得两个非零矢量作用时的电流变化率为
Figure BDA0003340797520000041
式中uopt1α、uopt1β、uopt2α、uopt2β分别为两个非零矢量在αβ坐标系的分量；
其中i表示逆变器输出第i个电压矢量。
根据补偿预测电流差值的控制目标，考虑当电流误差为零时，有
Figure BDA0003340797520000042
Ts＝t0+t1+t2 (10)
结合以上式(7)-(10)解出各矢量作用时间为
Figure BDA0003340797520000051
将计算得到的各矢量作用时间代入式(12)进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；
Figure BDA0003340797520000052
其中
Figure BDA0003340797520000053
分别k时刻α轴与β轴预测电流，sai、sβi分别为k 时刻α轴与β轴第i个作用的电压矢量对应的电流变化率，ti为k时刻第i个作用的电压矢量的作用时间。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明通过结合DPWM1调制，在每个控制周期保持一相开关状态固定，减小了开关动作次数，起到固定开关频率的作用，有效的降低了谐波；
2、本发明通过计算并补偿预测电流误差，在每个控制周期采用三个电压矢量作用于并网逆变器，使电流纹波减小明显，电流控制精度提高。
附图说明
图1是本发明一实施例控制流程图；
图2是本发明一实施例中三相并网逆变器；
图3是本发明一实施例中重新划分扇区图；
图4是本发明一实施例中第Ⅰ扇区DPWM1调制时序；
图5是本发明一实施例中并网逆变器简化矢量选择定频预测电流控制结构框图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
本实施例中，三相并网逆变器电路拓扑结构如图2所示，图中 Udc为直流侧电压，R为线路电阻，L为滤波电感，e为电网电压， Si(i＝1,2,…,6)为逆变器六个开关管；
本实施例中，提供一种并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，包括以下步骤：
步骤S1:根据系统当前状态参数计算电流预测值，并计算预测电流差值；
步骤S2:通过判断预测电流差值所在扇区，确定需要遍历的两组电压矢量组合；
步骤S3:计算步骤S2中各电压矢量的作用时间，代入代价函数中进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；
步骤S4:将最优电压矢量组合及作用时间输入DPWM1调制器获得脉冲信号控制逆变器，得到脉冲信号。
在本实施例中，电流误差在αβ轴的分量计算公式：
Figure BDA0003340797520000071
采用矢量补偿法计算下一时刻电流参考值，稳态时参考电流的矢量表示形式为
iref(k)＝|iref|ejθ(k) (3)
式中，θ(k)为当前时刻参考电流的相角，假定该矢量以角速度ω旋转且幅值保持不变，则下一时刻参考电流相角值可表示为
θ(k+1)＝θ(k)+ωTs (4)
结合式(2)和(3)可得
Figure BDA0003340797520000072
实际应用中，选择与电流误差角度最小的电压矢量进行控制。因此重新划分扇区如图3所示。重新划分的每个扇区包含一个电压矢量，根据SVPWM扇区判断的思想可得出预测电流误差所在的扇区。假设预测电压误差落于扇区I，由于电流纹波、控制误差等因素的影响，实际的预测电流误差可能位于电压矢量v1上方或下方，因而电压矢量组合有(v1,v2,v0)和(v1,v6,v7)两种情况。其他扇区类似，可得简化矢量选择所确定的电压矢量组合如下表1所示。
表1
Figure BDA0003340797520000073
Figure BDA0003340797520000081
在本实施例中，计算出各矢量的作用时间，具体如下：
对图2电路通过电压定律和Clarke变换，得到三相并网逆变器在αβ坐标系下的动态电流方程为
Figure BDA0003340797520000082
将式(5)改写得到αβ坐标系下瞬时电流变化率为
Figure BDA0003340797520000083
根据式(6)，忽略电阻R的影响，电流瞬时变化率与逆变器输出电压矢量和电网电压矢量有关。在每个周期，选择与预测电流误差所在扇区相邻的2个矢量为有效矢量，零矢量根据不连续调制DPWM1 的规则选取。
当零矢量作用时，由式(5)可知电流变化率为
Figure BDA0003340797520000091
结合式(6)、式(7)可得两个非零矢量作用时的电流变化率为
Figure BDA0003340797520000092
式中uopt1α、uopt1β、uopt2α、uopt2β分别为两个非零矢量在αβ坐标系的分量。
根据补偿预测电流差值的控制目标，考虑当电流误差为零时，有
Figure BDA0003340797520000093
Ts＝t0+t1+t2 (10)
结合以上式(7)-(10)解出各矢量作用时间为
Figure BDA0003340797520000094
在本实施例中洪，进行不连续调制DPWM1输出PWM波，具体为：
实现SVPWM时，当两个零矢量仅使用其中一个，就产生了不连续的DPWM。在整个开关周期期间，逆变器其中一个桥臂状态保持不变，维持与正的或负的直流母线连接。不连续调制DPWM1中，零矢量的使用规律为v0(0,0,0)在偶数扇区被消除，v7(1,1,1)在奇数区被消除。基于此规律，在I中，其中一个矢量组的作用时序如图4所示。同理得其他矢量的作用顺序为表2。
表2
Figure BDA0003340797520000101
将计算得到的各矢量作用时间代入式(12)进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；
Figure BDA0003340797520000102
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1:根据系统当前状态参数计算电流预测值，并计算预测电流差值；
步骤S2:通过判断预测电流差值所在扇区，确定需要遍历的两组电压矢量组合；
步骤S3:计算步骤S2中各电压矢量的作用时间，代入代价函数中进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；
步骤S4:将最优电压矢量组合及作用时间输入DPWM1调制器获得脉冲信号控制逆变器，得到脉冲信号。
2.根据要求1所述的并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
步骤S11：获取系统当前状态参数，包括实际三相电流Im,参考三相电流Iref,角速度ω；
步骤S12:采用矢量补偿法计算下一时刻电流预测值；
步骤S13:根据得到的电流预测值，计算预测电流差值。
3.根据要求2所述的并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤S12具体为:
稳态时参考电流的矢量表示形式为
iref(k)＝|iref|ejθ(k) (2)
式中，θ(k)为当前时刻参考电流的相角，设该矢量以角速度ω旋转且幅值保持不变，则下一时刻参考电流相角值表示为
θ(k+1)＝θ(k)+ωTs (3)
结合式(2)和(3)得到下一时刻电流预测值
Figure FDA0003340797510000011
4.根据要求2所述的并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，其特征在于，所述预测电流差值计算，具体为：
Figure FDA0003340797510000021
Δα、Δβ分别为α轴与β轴预测电流差值，irefα(k+1)、irefβ(k+1)分别为α轴与β轴k+1时刻的电流参考值，iα(k+1)、iβ(k+1)分别为α轴与β轴k+1时刻的电流预测值。
5.根据要求4所述的并网逆变器简化矢量定频预测电流控制方法，其特征在于，所述步骤S3，具体如下：
通过电压定律和Clarke变换，得到三相并网逆变器在αβ坐标系下的动态电流方程为
Figure FDA0003340797510000022
uα、uβ分别为α轴与β轴逆变器输出电压矢量，eα、eβ分别为α轴与β轴电压矢量；
将式(5)改写得到αβ坐标系下瞬时电流变化率为
Figure FDA0003340797510000023
根据式(6)，忽略电阻R的影响，电流瞬时变化率与逆变器输出电压矢量和电网电压矢量有关；
在每个周期，选择与预测电流误差所在扇区相邻的2个矢量为有效矢量，零矢量根据不连续调制DPWM1的规则选取
当零矢量作用时，由式(5)可知电流变化率为
Figure FDA0003340797510000024
其中Sα0为零矢量作用下α轴电流变化率，Sβ0为零矢量作用下β轴电流变化率；
结合式(6)、式(7)得两个非零矢量作用时的电流变化率为
Figure FDA0003340797510000031
式中uopt1α、uopt1β、uopt2α、uopt2β分别为两个非零矢量在αβ坐标系的分量；其中i表示逆变器输出第i个电压矢量；
根据补偿预测电流差值的控制目标，考虑当电流误差为零时，有
Figure FDA0003340797510000032
Ts＝t0+t1+t2 (10)
结合以上式(7)-(10)解出各矢量作用时间为
Figure FDA0003340797510000033
将计算得到的各矢量作用时间代入式(12)进行遍历寻优，获得最优电压矢量组合；
Figure FDA0003340797510000034
其中
Figure FDA0003340797510000041
分别k时刻α轴与β轴预测电流，sai、sβi分别为k时刻α轴与β轴第i个作用的电压矢量对应的电流变化率，ti为k时刻第i个作用的电压矢量的作用时间。
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