一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法技术

本发明专利技术属于新能源控制与应用技术领域，尤其涉及一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法。建立光伏并网逆变器的数学模型。基于预测控制方法分步骤设计光伏并网逆变控制器，构建目标函数，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪电流参考。加入共模电压抑制项，用以对并网逆变器产生的共模电压进行抑制，保证光伏并网逆变系统的可靠运行。通过优化目标函数，得到并网逆变器的开关信号，直接控制并网逆变器的开关状态，从而将光伏系统的输出直流电转化为与电网电压同频同相的交流电。

A Predictive Control Based Inverter Control Method for Photovoltaic Grid-connected

The invention belongs to the field of new energy control and application technology, in particular to a photovoltaic grid-connected inverter control method based on predictive control. The mathematical model of grid-connected photovoltaic inverters is established. Based on the predictive control method, the photovoltaic grid-connected inverter controller is designed step by step, and the objective function is constructed to make the predicted output current of the inverter track the current reference as far as possible. Common-mode voltage suppressor is added to suppress common-mode voltage generated by grid-connected inverters to ensure the reliable operation of photovoltaic grid-connected inverters. By optimizing the objective function, the switching signal of grid-connected inverters can be obtained, and the switching state of grid-connected inverters can be directly controlled. Thus, the output DC of photovoltaic system can be converted into AC with the same frequency and phase as the grid voltage.

【技术实现步骤摘要】
一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法
本专利技术属于新能源控制与应用
，尤其涉及一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法。
技术介绍
随着科学技术的日新月异，新能源发展越来越迅速。未来很长一段时期内，各类新能源发电将迎来大规模发展时期。近年来，由于资源的短缺和环境的恶化，光能作为主要的清洁的可再生能源之一，越来越受到关注和青睐。国外光伏行业的发展和国内优势政策的出台，使我国光伏发电得到飞速发展。到目前为止，已经出现了一大批生产光伏并网发电设备的公司。光伏并网逆变系统主要由光伏阵列单元、并网逆变单元、配电网络组成。其中，逆变器通过功率开关的不断动作，将稳定的直流电逆变成交流电，经滤波处理后再输入到大电网。所得到的交流电流必须满足一定的并网条件，因此，并网逆变器的电能质量控制非常重要，也是光伏并网控制系统中的关键点。光伏并网逆变的控制目标主要是：对逆变器的输出电流进行控制，将光伏系统输出直流电转化为与电网电压同频同相的交流电，以实现电流并网。本专利技术用于光伏发电的并网逆变系统，主要解决光伏并网逆变器输出电流的控制问题。光伏三相并网逆变系统的主要任务是对逆变器的输出电流矢量进行控制，以此实现电流并网，调节有功和无功功率输出。按照三相并网逆变器的控制对象的不同，人们提出了不同的控制方法，可以分为输出电流控制、输出电压控制以及直接功率控制。输出电压控制简单且易于实现，不需要对逆变器的输出电流进行实时检测。但是动态响应较慢，不适于参数多变的逆变系统，而且由于忽略了电流反馈环节，使得并网逆变器的输出电流质量并不能得到有效保证。针对输出电压控制的缺点，提出了输出电流控制方法。该控制方法基于系统动态的模型，因此提高了并网逆变系统的动态响应效果，改善了输出电流的质量，同时减少了系统参数变化对控制效果的影响，在实际应用中比较广泛。直接功率控制的控制算法和结构都比较简单，鲁棒性强，具有高PFC，低THD的特点，但是在电网电压出现谐波、畸变或三相不平衡的时候，其控制品质将会降低，严重时导致系统振荡。近年来，先进控制理论在风机的控制与实际应用中得到快速发展，除了上述控制方法，还包括H∞鲁棒控制、滑模控制、自适应控制、神经网络控制等，且各有自己独特的优势和自身存在的弊端。
技术实现思路
为了解决光伏并网逆变器输出电流控制问题，本专利技术提出了一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法，包括如下步骤：步骤1：根据光伏并网逆变器的工作原理建立光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型；步骤2：根据坐标变换原理建立光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型；步骤3：基于预测控制分步骤设计光伏并网逆变控制器。通过控制光伏并网逆变器的开关状态，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪参考电流，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电。所述光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型进行简化整理表达式为：为了后续推导书写简便，将上式进行简化为：其中，T，vabd，iabc，eabc，Sabc的表达式为：其中，ia、ib、ic分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电流，va、vb、vc分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电压，Sa、Sb、Sc分别为三个桥臂的开关信号，ea、eb、ec分别为每一相的电网电压，Vdc为光伏并网逆变器直流侧的输入电压，L为逆变器每一相上的滤波电感，R为逆变器每一相上的电感电阻和功率损耗的等效电阻之和，T为系数矩阵。为减少变量个数且方便控制，根据坐标变换的原理，将三相静止坐标系转化为两相静止坐标系。所述光伏并网逆变器在αβ旋转坐标系下的数学模型进行简化整理表达式为：其中，vαβ＝[vαvβ]T＝TCvabc，iαβ＝[iαiβ]T＝TCiabc，eαβ＝[eαeβ]T＝TCeabc其中，vα、vβ分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电压，iα、iβ分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电流，eα、eβ分别为两相静止坐标系上的电网电压，TC为转换矩阵，其表达式为：所述基于预测控制的光伏并网逆变控制首先是对逆变器模型进行离散化处理，进而得出光伏并网逆变系统输出电流的预测模型表达式。根据欧拉公式进行前向差分，可得离散化的表达式为：其中，TS为开关周期。所述预测控制器的第一步是得到系统的共模电压VON，对并网逆变器产生的共模电压进行抑制，以保证光伏并网逆变系统的可靠运行，减少负面影响。光伏并网逆变器的共模电压表达式如下：所述预测控制器的第二步是构建目标函数。光伏并网逆变电流预测控制的控制目标为输出电流的预测值iαβ(k+1)尽可能的跟踪电流参考并加入共模电压抑制项。光伏并网逆变电流预测控制的目标函数可以写成：其中，iαβ(k+1)为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的输出电流预测值，为并网逆变器当前k时刻对k+1时刻的参考电流预测值，VON(k)为当前k时刻的共模电压值，λ为权重系数。所述预测控制器的第三步是优化目标函数。预测控制器通过选择合适的开关状态，对目标函数进行最小化，其控制律的表达式为：同时，满足共模电压模型和光伏并网逆变器预测模型。其中，{Si|i＝0,1,…7}＝{(0,0,0),(1,0,0),(1,1,0),(0,1,0),(0,1,1),(0,0,1),(1,0,1),(1,1,1)}，为开关信号的集合，对应8种不同的开关状态。详细实现环节将在下文中说明。本专利技术的有益效果在于：本专利技术针对光伏并网逆变器的工作特性提出了一种基于预测控制的并网逆变器电流控制方案。该方案主要用于光伏系统的输出电流并网调节控制问题。设计思路来源于电力电子系统中常采用的有限集模型预测控制(FiniteControlSetModelPredictiveControl，FCS-MPC)思维。该方法利用功率变换器的有限数量的开关状态特性解决光伏发电系统中的最优控制问题。首先，FCS-MPC通过系统全部的动作得到有限控制集，基于系统离散化的数学模型找出控制输入与控制目标之间的关系，并对控制集合所对应的系统状态进行预测。然后选择合适的目标优化函数，遍历所有的预测值，选择使优化问题有最优解的控制动作，将其在下一采样时刻输出。FCS-MPC方法简单灵活、容易处理约束问题，可直接控制功率变换器的开关动作，不需要正弦信号脉宽调制。同时取代了耗时的连续优化算法，能直接对开关状态完成评估，大大简化预测控制的应用，尤其适用于电路的离散性、开关状态的有限量和微处理器的数字实现。本专利技术根据以上思想，设计了基于预测控制的光伏并网逆变控制器。通过对下一时刻光伏并网逆变器的输出电流进行预测，选择合适的开关状态，使逆变器的输出电流尽可能的接近下一时刻的参考值。控制器的输出信号(1或0)不经正弦脉宽调制模块，可以直接确定功率开关管的开关状态，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电，实现对光伏系统的并网电流控制。基于预测控制的光伏并网逆变控制器对未来输出电流进行预测，提高了控制速度和精度。并在目标函数中加入共模电压抑制项，可减少共模电压带来的负面影响。同时，控制器仅需优化一个目标函数，整个系统的设计简单，控制律的结构一目了然，设计目的清楚，参数调节简单，可较好的实现并网逆变控制。附图说明图1为光伏并网逆变器拓扑结构图；图2为光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据光伏并网逆变器的工作原理建立光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型；步骤2：根据坐标变换原理建立光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型；步骤3：基于预测控制分步骤设计光伏并网逆变控制器，通过控制光伏并网逆变器的开关状态，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪参考电流，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电。

【技术特征摘要】
1.一种基于预测控制的光伏并网逆变控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据光伏并网逆变器的工作原理建立光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型；步骤2：根据坐标变换原理建立光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型；步骤3：基于预测控制分步骤设计光伏并网逆变控制器，通过控制光伏并网逆变器的开关状态，使逆变器输出电流的预测值尽可能的跟踪参考电流，从而将光伏系统的直流输出转化为与电网电压同频同相的交流电。2.根据权利要求1所述方法，其特征在于所述光伏并网逆变器在三相abc静止坐标系下的数学模型进行简化整理表达式为：并且光伏并网逆变器在两相αβ静止坐标系下的数学模型为：其中，T，TC，vabd，iabc，eabc，Sabc的表达式为：其中，ia、ib、ic分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电流，va、vb、vc分别为光伏并网逆变器每一相上的输出电压，Sa、Sb、Sc分别为三个桥臂的开关信号，ea、eb、ec分别为每一相的电网电压，Vdc为光伏并网逆变器直流侧的输入电压，L为逆变器每一相上的滤波电感，R为逆变器每一相上的电感电阻和功率损耗的等效电阻之和，T为系数矩阵，iα、iβ分别为光伏并网逆变器两相静止坐标系上的输出电流，eα、eβ分别为两相静止坐标系上的电网电压，TC为转换矩阵。3.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述预测控制器是将当前时刻的光伏并网逆变器的输出电流Iαβ(k)和电网电压eαβ(k)作为控制器的输入，由预测控制器优化得出开关信号Sabc(k)，最后给出并网逆变器实...

【专利技术属性】
技术研发人员：马苗苗，任石佳，
申请(专利权)人：华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京,11