CN114665512B - 一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置及方法 - Google Patents

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CN114665512B CN202210587080.XA CN202210587080A CN114665512B CN 114665512 B CN114665512 B CN 114665512B CN 202210587080 A CN202210587080 A CN 202210587080A CN 114665512 B CN114665512 B CN 114665512B
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Abstract

本申请公开了一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置及方法。该装置包括：坐标转换模块、坐标变换模块、电压重构模块、重复扩张状态观测器、锁相模块、预测控制模块及PWM调制模块，其中电压重构模块在电压重构时考虑电压误差，重复扩张状态观测器中对于电流的估计通道和对于干扰的估计通道相比于传统结构进行了改进。本发明中扩张状态观测器在低频段对扰动的观测效果更好，可以实现更精准地进行电网电压观测，对于高频扰动抑制能力增强，提升了电流指令跟踪性能。

Description

一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置及方法
技术领域
本申请涉及并网逆变器技术领域，更具体地，涉及一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置及方法。
背景技术
并网逆变器用于将直流电能转换为交流电能，是分布式发电系统并网的最后一级电力变换设备，对并网电能的控制起着关键作用。
传统控制器控制并网电流时需要配备直流电压传感器、交流电压传感器和交流电流传感器，众多传感器增加了系统的成本也影响了系统的可靠性。同时需要采用多种控制策略分别解决网压扰动、变量耦合、模型参数偏差等问题，不仅增加了设计的难度、复杂程度，并且在动态响应速度方面难以获得理想的效果。
专利CN112039123A中提出了一种并网逆变器无交流电压传感器控制方法，通过采用误差比例系数和扩张状态观测器输出的状态估计值计算d轴、q轴的控制量，能够简化电流控制器设计、降低调参难度。但是，其仍然存在以下缺陷：
因为由观测器观测的扰动主要是低频扰动，因此准确度直接影响并网的准确性，但其传统结构对于低频扰动估计能力仍存在一定误差，且其电流控制策略未考虑PWM引起的6k（k为正整数）次谐波，因此其控制效果受谐波影响较大。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置及方法，可以实现更精准的电网电压观测，提升了电流指令跟踪性能。
为实现上述目的，按照本发明的第一个方面，提供了一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，包括：
坐标转换模块，用于获取逆变器输出的三相电流并进行坐标变换得到dq坐标系下的电流采样值；
电压重构模块，用于根据逆变器输入端的直流母线电压计算逆变器输出电压，并在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为dq坐标系下的逆变器输出电压重构值；
重复扩张状态观测器，用于根据当前周期的dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的逆变器输出电压重构值输出下一周期的总扰动观测值、电流观测值和直流扰动观测值，其中直流扰动观测值用于计算电网电压，所述重复扩张状态观测器包括增益为β 1的第一增益模块、增益为β 2的第二增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块，将当前周期的dq坐标系下的电流观测值与当前周期的电流采样值相减得到电流观测误差e 1 (k)，将e 1 (k)送入第一增益模块得到β 1 e 1 (k)，将e 1 (k)送入第二增益模块得到β 2 e 1 (k)，将β 2 e 1 (k)经过第一离散积分模块进行积分后减去β 1 e 1 (k)，得到下一周期的直流扰动观测值z 2 (k+1)，将上一周期的直流扰动的观测值z 2 (k)和电压指令值相加经过第二离散积分模块得到下一周期的电流观测值z 1 (k+1)，将e 1 (k)送入重复控制模块，将z 2 (k+1)减去重复控制模块的输出得到下一周期的总扰动观测值z 3 (k+1)；
预测控制模块，用于根据电流控制指令值以及所述重复扩张状态观测器的输出生成控制信号。
进一步地，并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置还包括锁相模块，用于根据逆变器输出的三相合成电压重构值与根据所述重复扩张状态观测器输出的直流扰动观测值计算得到的电网电压的角度偏差送入比例积分调节器完成锁相，并输出电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值
Figure 334770DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 388920DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式为：
Figure 751769DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 381333DEST_PATH_IMAGE005
为下一周期的电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值，
Figure 40110DEST_PATH_IMAGE006
为当前周期的电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值，T s 为电机PWM驱动开关周期，K i 、K p 分别为比例积分调节器的比例、积分系数，e(k+1)为下一周期的电网电压观测值。
进一步地，所述重复扩张状态观测器模块为：
Figure 958387DEST_PATH_IMAGE007
其中，x 1 (k)为当前周期的电流矢量；
z 1 (k)为当前周期的x 1 (k)的观测值，z 1 (k+1)为x 1 (k)下一周期的观测值；
e 1 (k-1)为上一周期电流观测误差；
z 2 (k)为当前周期的直流扰动的观测值；
b 0 为控制增益；
G rc (z)为重复控制模块；
u * (k-1)为根据逆变器输入端的直流母线电压计算得到的dq坐标系下逆变器的输出电压，T s 为电机PWM驱动开关周期。
进一步地，
Figure 187243DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 140156DEST_PATH_IMAGE009
为延迟算子，K rc 为用于调整输出大小的控制增益，K为用于调整输出相位的延迟调节系数，Q(z)为稳定系数。
进一步地，所述预测控制模块输出的控制信号表达式为：
Figure 406052DEST_PATH_IMAGE010
式中，u qref 为控制信号，i * (k)为当前周期的电流参考值，K close 为控制器闭环带宽。
进一步地，所述电压误差的表达式为：
Figure 575740DEST_PATH_IMAGE011
Figure 545970DEST_PATH_IMAGE012
式中，△U d 为d轴电压误差，△U q 为q轴电压误差，U e 为每周期的平均误差电压，
Figure 618968DEST_PATH_IMAGE013
为电流矢量与A相的夹角，ω e 为电网电频率，t为时间，n为正整数。
进一步地，并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置还包括：
PWM调制模块，用于根据所述预测控制模块生成的控制信号控制下一时刻逆变器中开关管的开通及关断周期。
按照本发明的第二个方面，还提供了一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制方法，包括：
获取逆变器输出的三相电流并进行坐标变换得到dq坐标系下的电流采样值；
根据逆变器输入端的直流母线电压计算逆变器输出电压，并在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为dq坐标系下的逆变器输出电压重构值；
构建重复扩张状态观测器，所述重复扩张状态观测器用于根据当前周期的dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的逆变器输出电压重构值输出下一周期的总扰动观测值、电流观测值和直流扰动观测值，其中直流扰动观测值用于计算电网电压，所述扩张状态观测器包括β 1增益模块、β 2增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块，将当前周期的dq坐标系下的电流观测值与当前周期的电流采样值相减得到电流观测误差e 1 (k)，将e 1 (k)送入β 2增益模块得到β 2 e 1 (k)，将e 1 (k)送入β 1增益模块得到β 1 e 1 (k)，将β 2 e 1 (k)经过第一离散积分模块进行积分后减去β 1 e 1 (k)，得到下一周期的直流扰动观测值z 2 (k+1)，将上一周期的直流扰动的观测值z 2 (k)和电压指令值相加经过第二离散积分模块得到下一周期的电流观测值z 1 (k+1)，将e 1 (k)送入重复控制模块，将z 2 (k+1)减去重复控制模块的输出得到下一周期的总扰动观测值z 3 (k+1)；
构建预测控制模块，所述预测控制模块用于根据电流控制指令值以及所述重复扩张状态观测器的输出生成控制信号。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：通过对扩张状态观测器模块的改进，提升了电流指令跟踪性能、并网准确性及电流指令跟踪的抗干扰性能。具体表现在使得扩张状态观测器在低频段对扰动的观测效果更好，可以更准确的观测电网电压相位，利用对下一周期的估计值，可以实现更快速的电网电流预测控制；在电流环路控制误差的伯德图显示特定频率处会有较大的凹陷，表明提高了控制律抗特定频率干扰的强度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置的示意图；
图2是本发明实施例提供的电流预测控制器的结构框图；
图3是本发明实施例提供的改进扩张状态观测器的结构框图；
图4是本发明实施例提供的传统扩张状态观测器与改进扩张状态观测器干扰估计误差的对比伯德图；
图5是本发明实施例提供的传统控制器与改进控制器电流指令跟踪仿真对比图；
图6是本发明实施例提供的并网逆变器无交流电压传感器预测控制方法的原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，包括坐标转换模块、电压重构模块、扩张状态观测器模块和预测控制模块。进一步地，并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置还包括锁相模块及PWM调制模块。
并网逆变器可采用L型三相并网逆变模块。
坐标转换模块，用于获取逆变器输出的三相电流并进行坐标变换得到dq坐标系下的电流采样值。
电压重构模块，用于根据逆变器输入端的直流母线电压计算逆变器输出电压，并在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为dq坐标系下的逆变器输出电压重构值。
重复扩张状态观测器，用于根据当前周期的dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的逆变器输出电压重构值输出下一周期的总扰动观测值、电流观测值和直流扰动观测值，其中直流扰动观测值用于计算电网电压，重复扩张状态观测器包括增益为β 1的第一增益模块、增益为β 2的第二增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块，将当前周期的dq坐标系下的电流观测值与当前周期的电流采样值相减得到电流观测误差e 1 (k)，将e 1 (k)送入第一增益模块得到β 1 e 1 (k)，将e 1 (k)送入第二增益模块得到β 2 e 1 (k)，将β 2 e 1 (k)经过第一离散积分模块进行积分后减去β 1 e 1 (k)，得到下一周期的直流扰动观测值z 2 (k+1)，将上一周期的直流扰动的观测值z 2 (k)和电压指令值相加经过第二离散积分模块得到下一周期的电流观测值z 1 (k+1)，将e 1 (k)送入重复控制模块，将z 2 (k+1)减去重复控制模块的输出得到下一周期的总扰动观测值z 3 (k+1)。
锁相模块，用于根据逆变器输出的三相合成电压重构值与根据重复扩张状态观测器输出的直流扰动观测值计算得到的电网电压电压观测值的角度偏差送入比例积分调节器完成锁相，并输出电网电压合成矢量角度的估计值
Figure 445979DEST_PATH_IMAGE014
。
预测控制模块，用于根据电流控制指令值以及所述重复扩张状态观测器的输出生成控制信号。
PWM调制模块，用于根据预测控制模块生成的控制信号控制下一时刻逆变器中开关管的开通及关断周期。
下面具体说明每个模块的优选实现方式。
1.坐标转换模块
（1）建立L型三相并网逆变器模块在自然坐标系下的电流状态方程，具体的：
基于L型三相并网逆变器的电路拓扑，结合电路的电压电流基本关系，建立L型三相并网逆变器在自然坐标系中的电流状态方程为：
Figure 105892DEST_PATH_IMAGE015
式中，L、R分别是逆变器交流侧线路电阻值和电感值；i a 、i b 、i c 分别是并、入电网的三相电流；e a 、e b 、e c 分别是电网三相电压；u a 、u b 、u c 分别是逆变器输出的三相电压。
（2）以电网电压合成矢量为d轴正方向，建立以电流为状态变量的d、q轴电流状态方程：
Figure 614234DEST_PATH_IMAGE016
式中，i d 、i q 分别是并入电网的三相合成电流的d轴和q轴分量；e d 、e q 分别是电网三相合成电压的d轴和q轴分量；u d 、u q 分别是逆变器输出的三相合成电压的d轴和q轴分量；ω为坐标系旋转角速度。
注意，i d 、i q 由采集的三相电流经过帕克（Park）变换得到：
Figure 213843DEST_PATH_IMAGE017
其中，i a 、i b 、i c 分别为逆变器A相、B相、C相电流；
θ e为电网电压合成矢量与电网A相夹角。
2.电压重构模块
使用直流电压传感器检测逆变器模块输入端直流母线电压，根据存储的上一周期开关周期计算结果，计算本周期的逆变输出电压，其计算方式如下：
Figure 946175DEST_PATH_IMAGE018
式中，U dc表示直流母线电压；T s 表示开关周期；t a 、t b 、t c 分别表示上一个开关周期中A、B、C三相桥臂的上开关管导通时间，u d * 为根据逆变器输入端的直流母线电压计算得到的dq坐标系下逆变器输出的d轴电压，也即为逆变器理想情况输出的d轴电压，u q * 为根据逆变器输入端的直流母线电压计算得到的dq坐标系下逆变器输出的q轴电压，也即为dq坐标系下逆变器理想情况输出的q轴电压。
但考虑逆变器死区影响时，本发明实施例对电压重构模块进行了改进，具体是在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为逆变器输出的三相合成电压重构值的d轴分量u d 和q轴分量u d 。
电压误差如下：
Figure 998445DEST_PATH_IMAGE019
Figure 576057DEST_PATH_IMAGE020
式中，△U d 为d轴电压误差，△U q 为q轴电压误差，U e 为每周期的平均误差电压，
Figure 30172DEST_PATH_IMAGE013
为电流矢量与A相的夹角，ω e 为电网电频率，t为时间，n为正整数。
电压误差在dq坐标系中的电流状态方程中表现为引入6k次谐波（k=0,1,2…）。
实际逆变器输出电压应为：
Figure 455379DEST_PATH_IMAGE021
式中，u d 为dq坐标系下逆变器实际输出的d轴电压，u q 为dq坐标系下逆变器实际输出的q轴电压。
dq坐标系中的电流状态方程则改写为：
Figure 791682DEST_PATH_IMAGE022
3.重复扩张状态观测器
根据电流状态方程，设计改进状态观测器模块，获取包含网侧电压在内的低频干扰分量，提取网侧电压。其输入为dq轴电流与电压重构模块输出的逆变器输出的三相合成电压重构值，输出观测电网电压与下一拍预测电流。
现有技术中，重复扩张状态观测器的结构主要是：包括β 1增益模块、β 2增益模块和离散积分模块。将电流采样值与前一拍的电流观测值相减送入增益β 2模块，经过积分后得到下一周期的直流扰动估计值z 2 (k+1)。电流采样值与上一周期的电流观测值相减送入增益β 1模块后，与上一周期的直流扰动的估计值和电压指令值相加再积分得到下一周期电流观测值。该传统结构对于干扰估计的能力局限于低频段，对于中高频段干扰无法估计，并且对于低频段干扰依然存在误差。
为了克服上述缺陷，因此本申请对扩张状态观测器进行了改进。如图3所示，本发明实施例的扩张状态观测器包括增益为β 1的第一增益模块、增益为β 2的第二增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块。重复控制模块是一种基于内模原理生成指定频率波形的模块。与现有技术结构上的不同，本发明实施例的扩张状态观测器中对于电流的估计通道相比传统结构减少了β 1 e 1(k)部分，且对于干扰的估计通道相比于传统结构新增了β 1 e 1(k)部分与重复控制模块G rc (z)，以增强其高频干扰估计能力。
由于dq坐标系中的电流状态方程中，d、q轴方程对称，因此重复扩张状态观测器模块包括结构相同的d轴扩张状态观测器和q轴扩张状态观测器。以q轴为例，d轴采用与q轴相同的方法即可。
首先，定义x 1 =i q 。将
Figure 313930DEST_PATH_IMAGE023
视为扰动f q 并定义为新的状态变量，即x 2 =f q 。改进扩张状态观测器模块以离散形式设计以便部署到控制器中。采用前向欧拉法，扩张状态观测器离散形式如下：
Figure 481606DEST_PATH_IMAGE024
其中，k为周期，即离散化表示当前时刻的符号，x 1 (k)为电流矢量；
z 1 (k)为当前周期的x 1 (k)的观测值，z 1 (k+1)为x 1 (k)下一周期的观测值；
e 1 (k)为当前周期的电流观测误差，e 1 (k-1)为上一周期电流观测误差；
z 2 (k)为当前周期的直流扰动的观测值，z 2 (k+1)为下一周期的直流扰动观测值；
z 3 (k+1)为下一周期的总扰动观测值；
β 1 、β 2 为观测器增益参数；
b 0 为控制增益，等于1/L；
G rc (z)为重复控制器；
u * (k-1)为上一周期逆变器输出电压重构值，即根据逆变器输入端的直流母线电压计算得到的dq坐标系下逆变器的输出电压再叠加上由谐波扰动导致的电压误差后的逆变器输出电压重构值，T s 为电机PWM驱动开关周期。
G rc (z)的表达式为：
Figure 227846DEST_PATH_IMAGE025
其中，
Figure 989128DEST_PATH_IMAGE026
为延迟算子，z为单位延迟算子，N=f pwm /300，f pwm 为逆变器的开关频率，K rc 为用于调整输出大小的控制增益，K为用于调整输出相位的延迟调节系数，Q(z)为稳定系数，可取0.95。
观测器增益参数β 1、β 2采用带宽法进行整定，定义观测器带宽为ω 0 ，β 1、β 2整定为：
Figure 174122DEST_PATH_IMAGE027
估计电网电压（电网电压观测值）可以表示为：
Figure 133988DEST_PATH_IMAGE028
其中，e(k+1)为下一周期的电网电压观测值，
Figure 254390DEST_PATH_IMAGE029
为下一周期电流观测值。
4.锁相模块
输入逆变器电压重构后的入网电压与观测电网电压，若观测电压与重构电压出现角度偏差则将误差送入比例积分调节器，直至消除误差完成锁相。
具体是，将电网电压的估计值e(k+1)与目标值进行比较，两者误差送入比例积分调节器（PI调节器），将比例积分调节器的输出叠加偏置频率（100Π）上以获取电网频率的估值，对电网频率的估计值进行积分，即可得到电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值
Figure 893182DEST_PATH_IMAGE030
。
Figure 491654DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 306026DEST_PATH_IMAGE031
为下一周期的电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值，
Figure 489008DEST_PATH_IMAGE032
为当前周期的电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值。K i 、K p 分别为比例积分调节器的比例、积分系数。
5.预测控制模块
如图3所示，预测控制模块用于采样当前时刻的电流指令与下一时刻的电流预估值相减送入比例控制器，减去估计总干扰项后乘以控制增益得到参考输出电压送入PWM调制模块。
具体是，将改进扩张状态观测器估计出的干扰项前馈至控制环路上，使系统等效为一个纯积分环节，则可以只使用比例控制达到无静差的效果，在误差获取方式上，采用当前时刻的采样值减去下一时刻的预估值，实现更好的电流环动态响应。其q轴控制表达式如下：
Figure 959303DEST_PATH_IMAGE033
式中，u qref 为输入至PWM调制模块的控制信号，i * (k)为当前周期的电流参考值，K close 为控制器闭环带宽。
将dq轴的控制信号进行坐标变换至两相静止坐标系后送入PWM调制模块。
6.PWM调制模块
根据预测控制模块生成的参考电压信号，计算得出下一拍时刻六个开关管的开通及关断周期，并进行信号输出。
综上，本专利所提系统能够有效观测电网电压，在不使用交流电压传感器的情况下进行锁相，且控制系统消除了一拍延时，并且提高了抗高频干扰能力，使其对于电流指令跟踪性能提升。由此，本专利所提系统的优越性得到了体现。
为研究改进扩张状态观测器对于低次扰动观测提升及特定谐波扰动抑制的能力，设置ω 0 =200，β 1 =2ω 0 =400，β 2 =ω 0 2 =40000，通过仿真，干扰估计误差的伯德图如图4所示。可以发现，在低频段改进扩张状态观测器对于总扰动的观测效果更好，误差更小，可以实现更精准的电网电压提取。在电压重构误差的特定频率处会有较大的凹陷，表明提高了控制律抗特定频率干扰的强度。
综上，本专利所提系统能够有效观测电网电压，在不使用交流电压传感器的情况下进行锁相，且控制系统消除了一拍延时，并且提高了抗高频干扰能力，使其对于电流指令跟踪性能提升。使其对于电流指令跟踪性能提升如图5所示。由此，本专利所提系统的优越性得到了体现。
如图6所示，本发明实施例的一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制方法，包括：
获取逆变器输出的三相电流并进行坐标变换得到dq坐标系下的电流采样值；
根据逆变器输入端的直流母线电压计算逆变器输出电压，并在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为dq坐标系下的逆变器输出电压重构值；
构建重复扩张状态观测器，所述重复扩张状态观测器用于根据当前周期的dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的逆变器输出电压重构值输出下一周期的总扰动观测值、电流观测值和直流扰动观测值，其中直流扰动观测值用于计算电网电压，所述重复扩张状态观测器包括增益为β 1的第一增益模块、增益为β 2的第二增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块，将当前周期的dq坐标系下的电流采样值与前一周期的电流观测值相减得到电流观测误差e 1 (k)，将e 1 (k)送入第一增益模块得到β 1 e 1 (k)，将e 1 (k)送入第二增益模块得到β 2 e 1 (k)，将β 2 e 1 (k)经过第一离散积分模块进行积分后加上β 1 e 1 (k)，得到下一周期的直流扰动观测值z 2 (k+1)，将上一周期的直流扰动的观测值z 2 (k)和电压指令值相加经过第二离散积分模块得到下一周期的电流观测值z 1 (k+1)，将e 1 (k)送入重复控制模块，将z 2 (k+1)减去重复控制模块的输出得到下一周期的总扰动观测值z 3 (k+1)；
构建预测控制模块，所述预测控制模块用于根据电流控制指令值以及所述重复扩张状态观测器的输出生成控制信号。
方法的具体实现、技术效果与装置相同，此处不再赘述。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，包括：
坐标转换模块，用于获取逆变器输出的三相电流并进行坐标变换得到dq坐标系下的电流采样值；
电压重构模块，用于根据逆变器输入端的直流母线电压计算逆变器输出电压，并在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为dq坐标系下的逆变器输出电压重构值；
重复扩张状态观测器，用于根据当前周期的dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的逆变器输出电压重构值输出下一周期的总扰动观测值、电流观测值和直流扰动观测值，其中直流扰动观测值用于计算电网电压，所述重复扩张状态观测器包括增益为β 1的第一增益模块、增益为β 2的第二增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块，将当前周期的dq坐标系下的电流观测值与当前周期的电流采样值相减得到电流观测误差e 1 (k)，将e 1 (k)送入第一增益模块得到β 1 e 1 (k)，将e 1 (k)送入第二增益模块得到β 2 e 1 (k)，将β 2 e 1 (k)经过第一离散积分模块进行积分后减去β 1 e 1 (k)，得到下一周期的直流扰动观测值z 2 (k+1)，将上一周期的直流扰动的观测值z 2 (k)和电压指令值相加经过第二离散积分模块得到下一周期的电流观测值z 1 (k+1)，将e 1 (k)送入重复控制模块，将z 2 (k+1)减去重复控制模块的输出得到下一周期的总扰动观测值z 3 (k+1)；
预测控制模块，用于根据电流控制指令值以及所述重复扩张状态观测器的输出生成控制信号。
2.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，还包括锁相模块，用于根据逆变器输出的三相合成电压重构值与根据所述重复扩张状态观测器输出的直流扰动观测值计算得到的电网电压的角度偏差送入比例积分调节器完成锁相，并输出电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值
Figure 187283DEST_PATH_IMAGE002
，
Figure 698905DEST_PATH_IMAGE003
的计算公式为：
Figure 426689DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 649860DEST_PATH_IMAGE005
为下一周期的电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值，
Figure 245927DEST_PATH_IMAGE006
为当前周期的电网电压合成矢量与A相的夹角的估计值，T s 为电机PWM驱动开关周期，K i 、K p 分别为比例积分调节器的比例、积分系数，e(k+1)为下一周期的电网电压。
3.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，所述重复扩张状态观测器模块为：
Figure 503733DEST_PATH_IMAGE007
其中，x 1 (k)为当前周期的电流矢量；
z 1 (k)为当前周期的x 1 (k)的观测值，z 1 (k+1)为下一周期电流矢量的观测值；
e 1 (k-1)为上一周期电流观测误差；
z 2 (k)为当前周期的直流扰动的观测值；
b 0 为控制增益；
G rc (z)为重复控制模块；
u * (k-1)为上一周期逆变器输出电压重构值，T s 为电机PWM驱动开关周期。
4.如权利要求3所述的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，
Figure 402418DEST_PATH_IMAGE008
其中，
Figure 253831DEST_PATH_IMAGE009
为延迟算子，K rc 为用于调整输出大小的控制增益，K为用于调整输出相位的延迟调节系数，Q(z)为稳定系数。
5.如权利要求3所述的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，所述预测控制模块输出的控制信号表达式为：
Figure 263375DEST_PATH_IMAGE010
式中，u qref 为控制信号，i * (k)为当前周期的电流参考值，K close 为控制器闭环带宽。
6.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，所述电压误差的表达式为：
Figure 641267DEST_PATH_IMAGE011
Figure 569909DEST_PATH_IMAGE012
式中，△U d 为d轴电压误差，△U q 为q轴电压误差，U e 为每周期的平均误差电压，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为电流矢量与A相的夹角，ω e 为电网电频率，t为时间，n为正整数。
7.如权利要求1所述的并网逆变器无交流电压传感器预测控制装置，其特征在于，还包括：
PWM调制模块，用于根据所述预测控制模块生成的控制信号控制下一时刻逆变器中开关管的开通及关断周期。
8.一种并网逆变器无交流电压传感器预测控制方法，其特征在于，包括：
获取逆变器输出的三相电流并进行坐标变换得到dq坐标系下的电流采样值；
根据逆变器输入端的直流母线电压计算逆变器输出电压，并在逆变器输出电压的计算值上叠加由谐波扰动导致的电压误差作为dq坐标系下的逆变器输出电压重构值；
构建重复扩张状态观测器，所述重复扩张状态观测器用于根据当前周期的dq坐标系下的电流采样值和dq坐标系下的逆变器输出电压重构值输出下一周期的总扰动观测值、电流观测值和直流扰动观测值，其中直流扰动观测值用于计算电网电压，所述重复扩张状态观测器包括增益为β 1的第一增益模块、增益为β 2的第二增益模块、重复控制模块、第一离散积分模块和第二离散积分模块，将当前周期的dq坐标系下的电流观测值与当前周期的电流采样值相减得到电流观测误差e 1 (k)，将e 1 (k)送入第一增益模块减去β 1 e 1 (k)，将e 1 (k)送入第二增益模块得到β 2 e 1 (k)，将β 2 e 1 (k)经过第一离散积分模块进行积分后加上β 1 e 1 (k)，得到下一周期的直流扰动观测值z 2 (k+1)，将上一周期的直流扰动的观测值z 2 (k)和电压指令值相加经过第二离散积分模块得到下一周期的电流观测值z 1 (k+1)，将e 1 (k)送入重复控制模块，将z 2 (k+1)减去重复控制模块的输出得到下一周期的总扰动观测值z 3 (k+1)；
构建预测控制模块，所述预测控制模块用于根据电流控制指令值以及所述重复扩张状态观测器的输出生成控制信号。
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