CN212277945U - 基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器 - Google Patents

基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器，涉及分布式发电微电网技术领域。该控制器包括光伏发电电压电流采集装置、光伏并网逆变器、电压平衡开关、PI控制器、目标函数滚动优化与扇区选择模块等元件。光伏阵列输出端光伏并网逆变器输入端相连，光伏阵列发出的电压和电流与采集装置相连接，采集装置的输出端与FCS‑MPC电流预测模块的输入端相连、其输出端与目标函数优化模块相连，逆变器输出端与负载相连，负载侧电压电流采集装置通过PI控制器与αβ/dq坐标转换模块的输入端相连，坐标转换模块输出端连入目标函数优化模块，该模块经过电压平衡开关与逆变器相连。该电流控制器应用范围广、准确性高、满足快速性、效果好，极具实用性。

Description

基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器
技术领域
本实用新型涉及分布式发电微电网技术领域，具体为基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器。
背景技术
随着分布式电源的发展，微电网应用而生，主要是为了解决分布式能源（比如光伏电源）受环境影响较大，控制困难、影响配电网的潮流分布，从而改变电网耗损、DG的接入或停运会影响系统的供电质量。由此，电网一般采纳限制、孤立的措施来降低分布式电源对电网的冲击等问题，并取得了一定的成绩，但是仍然存在着当微网孤岛运行时，外在扰动以及内部参数变化，影响输出电压稳定性、在微网并网时如果快速性不满足要求，对微网和电网都会造成较大的冲击，影响系统动态运行的问题。当分布式电源为光伏电源时，受环境影响较大，所以需要对于光伏并网情况下的预测电流进行控制。
发明内容
本实用新型为了解决光伏并网情况下的预测电流的控制问题，提供了一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器。
本实用新型是通过如下技术方案来实现的：一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器，包括光伏发电电压电流采集装置、光伏并网逆变器、电压平衡开关、PI控制器、目标函数滚动优化与扇区选择模块、αβ/dq坐标转换模块及FCS-MPC电流预测模块，光伏并网系统中光伏阵列输出端与光伏并网逆变器的输入端连接，所述光伏发电电压电流采集装置采集光伏阵列发出的电压和电流，所述光伏发电电压电流采集装置的输出端与FCS-MPC电流预测模块的输入端相连，所述FCS-MPC电流预测模块的输出端与目标函数滚动优化与扇区选择模块连接；所述光伏并网逆变器的输出端与负载相连，负载侧的电压电流采集装置通过PI控制器与αβ/dq坐标转换模块的输入端连接，所述αβ/dq坐标转换模块的输出端与目标函数滚动优化与扇区选择模块连接，所述目标函数滚动优化与扇区选择模块经过电压平衡开关与光伏并网逆变器连接。
本实用新型主要是针对光伏并网情况下的电流预测问题而设计的，主要是光伏阵列产生的电源Us，经过滤波电感L N 接入光伏并网电流变换器，电流i N 经过变换分别流过电容供给负载R k 。光伏阵列发出的电流和电压经采集装置和延迟90°的电流和电压一起经过FCS-MPC电流预测模块（已是成熟技术，可以代入使用），经过电流预测模块得到预测电流，被预测的电流值需要经过目标函数滚动优化与扇区选择；这样进一步精确电流值的选择，给系统更好的反馈，负载端收集到的负载电压和外环控制器给的电压之差经过PI控制器得到αβ坐标下的状态量，该状态量经过αβ/dq转换器将该状态量转化为dq坐标系下的量，并进入目标函数滚动优化与扇区选择，与预测得到的电流状态量经过优化得后进入电压平衡开关模块，将光伏阵列发出的电压和电流的优化量同负载的电压电流量一起优化，减小了电能在传输和变换过程中电能损失带来的偏差，最后反馈到光伏并网换流器模块。该系统最后大大扩大了电流转换器的应用范围，提高了准确性和计算速度。
所述光伏并网逆变器包括上部桥臂abc、下部桥臂ABC、三相变压器T 1、T 2、滤波电感L l 和电容C l ，所述上部桥臂a、b、c和下部桥臂A、B、C对称，所述三相变压器T 1、T 2后接有三相负载；所述光伏并网逆变器的总电源为V dc ；所述上部桥臂abc包括六个上桥臂S a1、S a2、S a3、S a4、S a5、S a6，所述下部桥臂ABC包括六个下桥臂S A1、S A2、S A3、S A4、S A5、S A6，所述光伏并网逆变器内还设有替补桥臂VT1、VT2、VT3和VT4，所有的上桥臂、下桥臂和替补桥臂均由IGBT并联一个续流二极管构成，其中S a1的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a4的集电极相连，S a3的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a6的集电极相连，S a5的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a2的集电极相连接，S a1、S a3、S a5的集电极连接在一起，使用Y型接法， S a2、S a4、S a6的栅极连接在一起并与S A1、S A3、S A5的集电极相连， VT1的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与VT2的集电极相连接，VT2的栅极与VT3的集电极相连，VT3的栅极与VT4的集电极相连，VT4的栅极与电源负极相连并接地，也与S A2、S A4、S A6的栅极相连，VT1的栅极与电容C的一端相连，电容C的另一端与VT3的栅极相连接；S a1的栅极连接滤波电感L l1一端，滤波电感L l1的另一端连接电容C l1的一端，电容C l1的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端，S a3的栅极连接滤波电感L l2一端，滤波电感L l2的另一端连接电容C l2的一端，电容C l2的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端， S a5的栅极连接滤波电感L l3一端，滤波电感L l3的另一端连接电容C l3的一端，电容C l3的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端，三个电容以Y法连接，中点接入三相变压器T 1输入端的负极接口；所述下部桥臂ABC与上部三臂abc的接法相同，包括六个下桥臂S A1、S A2、S A3、S A4、S A5、S A6，其中S A4的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A1的栅极相连，S A6的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A3的栅极相连，S A2的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A5的栅极相连接，S A2、S A4、S A6的栅极连接在一起，使用Y型接法， S A1、S A3、S A5的集电极连接在一起，S A1的栅极连接滤波电感L L1一端，滤波电感L L1的另一端连接电容C L1的一端，电容C L1的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端，S A3的栅极连接滤波电感L L2一端，滤波电感L L2的另一端连接电容C L2的一端，电容C L2的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端， S A5的栅极连接滤波电感L L3一端，滤波电感L L3的另一端连接电容C L3的一端，电容C L3的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端，三个电容以Y法连接，中点接入三相变压器T 2输入端的负极接口；所述三相变压器T 1的输出端负极分别与三相变压器T 2的输出端负极接口相连接，所述三相变压器T 1的第一输出端正极端子与L 1相负载的一端相连，L 1相负载的另一端接入三相变压器T 2的第一输出端正极端子上，所述三相变压器T 1的第二输出端正极端子与L 2相负载的一端相连，L 2相负载的另一端接入三相变压器T 2的第二输出端正极端子上，所述三相变压器T 1的第三输出端正极端子与L 3相负载的一端相连，L 3相负载的另一端接入三相变压器T 2的第三输出端正极端子上。
与现有技术相比本实用新型具有以下有益效果：本实用新型所提供的一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器，采用了光伏发电电压电流采集装置、光伏并网逆变器、电压平衡开关、PI控制器、目标函数滚动优化与扇区选择模块、αβ/dq坐标转换模块、FCS-MPC电流预测模块，本系统将这些结构组合在一起，它通过在线优化，避免了对模型精度的依赖，提高了被控系统的综合性能指标。它具有在线计算方便、能够进行实时控制、抗干扰性和鲁棒性，改善被控系统的综合性能质量。使该电流控制器应用范围广、准确性高、满足快速性、效果好，极具实用性。
附图说明
图1为本实用新型的控制框图。
图2为本实用新型中的光伏并网逆变器拓扑结构图。
图中标记如下：1-光伏发电电压电流采集装置，2-光伏并网逆变器，3-电压平衡开关，4-PI控制器，5-目标函数滚动优化与扇区选择模块，6-αβ/dq坐标转换模块，7-FCS-MPC电流预测模块。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行说明。
一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器，如图1所示：包括光伏发电电压电流采集装置1、光伏并网逆变器2、电压平衡开关3、PI控制器4、目标函数滚动优化与扇区选择模块5、αβ/dq坐标转换模块6及FCS-MPC电流预测模块7，光伏并网系统中光伏阵列输出端与光伏并网逆变器2的输入端连接，所述光伏发电电压电流采集装置1采集光伏阵列发出的电压和电流，所述光伏发电电压电流采集装置1的输出端与FCS-MPC电流预测模块7的输入端相连，所述FCS-MPC电流预测模块7的输出端与目标函数滚动优化与扇区选择模块5连接；所述光伏并网逆变器2的输出端与负载相连，负载侧的电压电流采集装置通过PI控制器4与αβ/dq坐标转换模块6的输入端连接，所述αβ/dq坐标转换模块6的输出端与目标函数滚动优化与扇区选择模块5连接，所述目标函数滚动优化与扇区选择模块5经过电压平衡开关3与光伏并网逆变器2连接。
所述光伏并网逆变器2包括上部桥臂abc、下部桥臂ABC、三相变压器T 1、T 2、滤波电感L l 和电容C l ，所述上部桥臂a、b、c和下部桥臂A、B、C对称，所述三相变压器T 1、T 2后接有三相负载；所述光伏并网逆变器2的总电源为V dc ；所述上部桥臂abc包括六个上桥臂S a1、S a2、S a3、S a4、S a5、S a6，所述下部桥臂ABC包括六个下桥臂S A1、S A2、S A3、S A4、S A5、S A6，所述光伏并网逆变器2内还设有替补桥臂VT1、VT2、VT3和VT4，所有的上桥臂、下桥臂和替补桥臂均由IGBT并联一个续流二极管构成，其中S a1的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a4的集电极相连，S a3的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a6的集电极相连，S a5的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a2的集电极相连接，S a1、S a3、S a5的集电极连接在一起，使用Y型接法， S a2、S a4、S a6的栅极连接在一起并与S A1、S A3、S A5的集电极相连， VT1的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与VT2的集电极相连接，VT2的栅极与VT3的集电极相连，VT3的栅极与VT4的集电极相连，VT4的栅极与电源负极相连并接地，也与S A2、S A4、S A6的栅极相连，VT1的栅极与电容C的一端相连，电容C的另一端与VT3的栅极相连接；S a1的栅极连接滤波电感L l1一端，滤波电感L l1的另一端连接电容C l1的一端，电容C l1的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端，S a3的栅极连接滤波电感L l2一端，滤波电感L l2的另一端连接电容C l2的一端，电容C l2的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端， S a5的栅极连接滤波电感L l3一端，滤波电感L l3的另一端连接电容C l3的一端，电容C l3的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端，三个电容以Y法连接，中点接入三相变压器T 1输入端的负极接口；所述下部桥臂ABC与上部三臂abc的接法相同，包括六个下桥臂S A1、S A2、S A3、S A4、S A5、S A6，其中S A4的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A1的栅极相连，S A6的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A3的栅极相连，S A2的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A5的栅极相连接，S A2、S A4、S A6的栅极连接在一起，使用Y型接法， S A1、S A3、S A5的集电极连接在一起，S A1的栅极连接滤波电感L L1一端，滤波电感L L1的另一端连接电容C L1的一端，电容C L1的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端，S A3的栅极连接滤波电感L L2一端，滤波电感L L2的另一端连接电容C L2的一端，电容C L2的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端， S A5的栅极连接滤波电感L L3一端，滤波电感L L3的另一端连接电容C L3的一端，电容C L3的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端，三个电容以Y法连接，中点接入三相变压器T 2输入端的负极接口；所述三相变压器T 1的输出端负极分别与三相变压器T 2的输出端负极接口相连接，所述三相变压器T 1的第一输出端正极端子与L 1相负载的一端相连，L 1相负载的另一端接入三相变压器T 2的第一输出端正极端子上，所述三相变压器T 1的第二输出端正极端子与L 2相负载的一端相连，L 2相负载的另一端接入三相变压器T 2的第二输出端正极端子上，所述三相变压器T 1的第三输出端正极端子与L 3相负载的一端相连，L 3相负载的另一端接入三相变压器T 2的第三输出端正极端子上。
本实施例具体操作为：光伏阵列产生的电源Us，经过滤波电感L N 接入光伏并网电流变换器，电流i N 经过变换分别流过电容供给负载R k 。光伏阵列发出的电流和电压经光伏发电电压电流采集装置1和延迟90°的电流和电压一起经过FCS-MPC电流预测模块2（已是成熟技术，可以代入使用），经过电流预测模块得到预测电流，被预测的电流值需要经过目标函数滚动优化与扇区选择模块5；这样进一步精确电流值的选择，给系统更好的反馈，负载端收集到的负载电压和外环控制器给的电压之差经过PI控制器4得到αβ坐标下的状态量，该状态量经过αβ/dq坐标转换模块6将该状态量转化为dq坐标系下的量，并进入目标函数滚动优化与扇区选择模块5，与预测得到的电流状态量经过优化得后进入电压平衡开关模块，将光伏阵列发出的电压和电流的优化量同负载的电压电流量一起优化，减小了电能在传输和变换过程中电能损失带来的偏差，最后反馈到光伏并网换流器模块。
本实用新型要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有多种变形和更改，凡在本实用新型的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器，其特征在于：包括光伏发电电压电流采集装置（1）、光伏并网逆变器（2）、电压平衡开关（3）、PI控制器（4）、目标函数滚动优化与扇区选择模块（5）、αβ/dq坐标转换模块（6）及FCS-MPC电流预测模块（7），光伏并网系统中光伏阵列输出端与光伏并网逆变器（2）的输入端连接，所述光伏发电电压电流采集装置（1）采集光伏阵列发出的电压和电流，所述光伏发电电压电流采集装置（1）的输出端与FCS-MPC电流预测模块（7）的输入端相连，所述FCS-MPC电流预测模块（7）的输出端与目标函数滚动优化与扇区选择模块（5）连接；所述光伏并网逆变器（2）的输出端与负载相连，负载侧的电压电流采集装置通过PI控制器（4）与αβ/dq坐标转换模块（6）的输入端连接，所述αβ/dq坐标转换模块（6）的输出端与目标函数滚动优化与扇区选择模块（5）连接，所述目标函数滚动优化与扇区选择模块（5）经过电压平衡开关（3）与光伏并网逆变器（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限集模型的光伏并网预测电流控制器，其特征在于：所述光伏并网逆变器（2）包括上部桥臂abc、下部桥臂ABC、三相变压器T 1、T 2、滤波电感L l 和电容C l ，所述上部桥臂a、b、c和下部桥臂A、B、C对称，所述三相变压器T 1、T 2后接有三相负载；所述光伏并网逆变器（2）的总电源为V dc ；
所述上部桥臂abc包括六个上桥臂S a1、S a2、S a3、S a4、S a5、S a6，所述下部桥臂ABC包括六个下桥臂S A1、S A2、S A3、S A4、S A5、S A6，所述光伏并网逆变器（2）内还设有替补桥臂VT1、VT2、VT3和VT4，所有的上桥臂、下桥臂和替补桥臂均由IGBT并联一个续流二极管构成，其中S a1的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a4的集电极相连，S a3的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a6的集电极相连，S a5的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与S a2的集电极相连接，S a1、S a3、S a5的集电极连接在一起，使用Y型接法， S a2、S a4、S a6的栅极连接在一起并与S A1、S A3、S A5的集电极相连， VT1的集电极与电源V dc 的正极相连、栅极与VT2的集电极相连接，VT2的栅极与VT3的集电极相连，VT3的栅极与VT4的集电极相连，VT4的栅极与电源负极相连并接地，也与S A2、S A4、S A6的栅极相连，VT1的栅极与电容C的一端相连，电容C的另一端与VT3的栅极相连接；S a1的栅极连接滤波电感L l1一端，滤波电感L l1的另一端连接电容C l1的一端，电容C l1的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端，S a3的栅极连接滤波电感L l2一端，滤波电感L l2的另一端连接电容C l2的一端，电容C l2的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端， S a5的栅极连接滤波电感L l3一端，滤波电感L l3的另一端连接电容C l3的一端，电容C l3的另一端接入三相变压器T 1的正极的一端，三个电容以Y法连接，中点接入三相变压器T 1输入端的负极接口；
所述下部桥臂ABC与上部三臂abc的接法相同，包括六个下桥臂S A1、S A2、S A3、S A4、S A5、S A6，其中S A4的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A1的栅极相连，S A6的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A3的栅极相连，S A2的栅极与电源V dc 的负极相连、集电极与S A5的栅极相连接，S A2、S A4、S A6的栅极连接在一起，使用Y型接法， S A1、S A3、S A5的集电极连接在一起，S A1的栅极连接滤波电感L L1一端，滤波电感L L1的另一端连接电容C L1的一端，电容C L1的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端，S A3的栅极连接滤波电感L L2一端，滤波电感L L2的另一端连接电容C L2的一端，电容C L2的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端， S A5的栅极连接滤波电感L L3一端，滤波电感L L3的另一端连接电容C L3的一端，电容C L3的另一端接入三相变压器T 2的正极的一端，三个电容以Y法连接，中点接入三相变压器T 2输入端的负极接口；
所述三相变压器T 1的输出端负极分别与三相变压器T 2的输出端负极接口相连接，所述三相变压器T 1的第一输出端正极端子与L 1相负载的一端相连，L 1相负载的另一端接入三相变压器T 2的第一输出端正极端子上，所述三相变压器T 1的第二输出端正极端子与L 2相负载的一端相连，L 2相负载的另一端接入三相变压器T 2的第二输出端正极端子上，所述三相变压器T 1的第三输出端正极端子与L 3相负载的一端相连，L 3相负载的另一端接入三相变压器T 2的第三输出端正极端子上。
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