基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，解决现有逆变器不平衡电压补偿方法存在的结构复杂、调整过程繁琐耗时等的技术问题。所述方法包括：构建逆变器的连续时间状态空间模型；对所述连续时间状态空间模型离散化，获得离散时间状态空间模型；在所述离散时间状态空间模型中嵌入负序虚拟阻抗，构建虚拟状态空间模型；利用所述虚拟状态空间模型预测在所有逆变器电压矢量作用下的逆变器的虚拟三相输出电压；采用评价函数对所述虚拟三相输出电压进行评价，确定满足预设条件的逆变器电压矢量以及与所述满足预设条件的逆变器电压矢量对应的开关序列；利用所述与所述满足预设条件的逆变器电压矢量对应的开关序列控制逆变器。的开关序列控制逆变器。的开关序列控制逆变器。

Unbalanced voltage compensation control method of inverter based on model predictive control

【技术实现步骤摘要】
基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体地说，是涉及逆变器不平衡电压补偿控制方法，更具体地说，是涉及基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法。

技术介绍

[0002]随着分布式电源和多样化负载的迅速增加，如今的电网变得越来越复杂，所面临的威胁更加多元化，出现的问题也表现出多维化的发展趋势。其中，电压不平衡作为一个基本问题，往往与其他问题同时出现，严重影响电网的稳定运行。例如，在电压不平衡工况下，静止设备容易出现功率波动和过载问题，而旋转设备则可能会出现扭矩脉动和角度震荡等问题。电压不平衡主要由线路和负载的参数不对称、电网故障等原因引起。更严重的情况出现在海岛、农村、山区等偏远地区，这些地方大多处于电网末端，称为末端电网。大部分末端电网采用单线远距离输电方式接入电网。线路阻抗较大，电压波动受负载变化影响较大。因此，末端电网的电压不平衡问题更加严重且频繁。而恰恰是偏远地区，在可再生能源发电方面又具有得天独厚的优势。但由于电压不平衡问题，可再生能源发电系统的稳定性经受着十分严峻的考验。
[0003]在配备可再生能源发电的电网中，使用可再生能源发电装置解决不平衡问题是一个不错的方案。由于可再生能源发电装置多以逆变器为接口，因此不平衡电压的补偿策略多通过对逆变器的控制实现。此时，除了对电压、电流的基础控制外，还需对逆变器应用不平衡电压补偿控制。目前常用的不平衡电压补偿方案大体可以分为电压型补偿和电流型补偿两种。
[0004]其中，电流型补偿方案是一种间接方案，通过控制逆变器向电网注入补偿电流来实现对不平衡电压的补偿。该方法基于电压
‑
电流双环控制，通过在电流内环叠加补偿电流参考实现补偿电流的注入。该方案的关键之处在于补偿电流参考的生成，即如何根据不平衡电压生成合适的补偿电流参考。目前常用的方法是利用虚拟导纳技术，根据电网的不平衡电压生成补偿电流参考。
[0005]和电流型补偿方案不同，电压型补偿则是一种更直接的方案，一般通过直接在逆变器输出端叠加补偿电压来实现。在该方案中，补偿电压和基础电压需要同时进行控制，也常采用电压
‑
电流双环控制器实现。如果采用基于Park变换的比例积分(PI)控制方法，基础电压(一般为正序电压)和补偿电压(一般为负序电压)需要通过四套并行的双环控制器进行控制。复杂的结构将会增加处理器的负担，且PI控制固有的参数调整过程十分繁琐、耗时。而如果采用基于Clarke变换的比例谐振(PR)控制方法，基础电压和补偿电压可以叠加后进行控制，但仍需要两套双环控制器实现。而且PR控制方法对频率较为敏感，对参数设计具有较高的要求。
[0006]无论是电流型不平衡补偿方案还是电压型不平衡补偿方案，均基于电压
‑ꢀ
电流双环控制实现，级联结构较为复杂，且参数调整过程繁琐耗时。在实际实现中，复杂的结构将会大大加重处理器的负担，尤其是当正序电压、电流分量和负序电压、电流分量需要并行处
理的时候。而逆变器运行条件的多变性对控制器参数调整提出了更高的要求，一旦参数不合适，则容易致使现有不平衡电压补偿方法性能不稳定，补偿效果不够理想。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的在于提供一种基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，解决现有逆变器不平衡电压补偿方法存在的结构复杂、控制参数调整过程繁琐耗时等的技术问题。
[0008]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案予以实现：
[0009]一种基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，所述方法包括：
[0010]构建逆变器的连续时间状态空间模型；
[0011]对所述连续时间状态空间模型离散化，获得离散时间状态空间模型；
[0012]在所述离散时间状态空间模型中嵌入负序虚拟阻抗，构建虚拟状态空间模型；
[0013]利用所述虚拟状态空间模型预测在所有逆变器电压矢量作用下的逆变器的虚拟三相输出电压；
[0014]采用评价函数对所述虚拟三相输出电压进行评价，确定满足预设条件的逆变器电压矢量以及与所述满足预设条件的逆变器电压矢量对应的开关序列；
[0015]利用所述与所述满足预设条件的逆变器电压矢量对应的开关序列控制逆变器。
[0016]本申请的一些实施例中，构建逆变器的所述连续时间状态空间模型，包括：
[0017]获取逆变器所在主电路中的逆变器三相输出电压u
oabc
、逆变器三相输出电流i
oabc
及三相滤波电感电流i
fabc
；
[0018]对所述u
oabc
、所述i
oabc
和所述i
fabc
分别执行Clarke变换，分别获得αβ坐标系下逆变器三相输出电压的量u
o
、αβ坐标系下逆变器三相输出电流的量i
o
和αβ坐标系下逆变器三相滤波电感电流的量i
f
；
[0019]基于所述u
o
、所述i
o
和所述i
f
构建所述连续时间状态空间模型。
[0020]本申请的一些实施例中，基于所述u
o
、所述i
o
和所述i
f
构建的所述连续时间状态空间模型为：
[0021][0022]其中，分别为所述连续时间状态空间模型中的系统状态、系统输入、系统矩阵、输入矩阵； t为微分时间，L
f
为逆变器所在主电路中的滤波电感；C
f
为逆变器所在主电路中的滤波电容；V
m
为第m个逆变器电压矢量，m＝0,1,L,M
‑
1，M根据逆变器的输出电平数确定。
[0023]本申请的一些实施例中，所述离散时间状态空间模型为：
[0024][0025]其中，均为二阶矩阵；T
S
为采样步长，k为采样时刻。
[0026]本申请的一些实施例中，在所述离散时间状态空间模型中嵌入所述负序虚拟阻抗，获得如下的所述虚拟状态空间模型：
[0027][0028]其中，为所述虚拟状态空间模型中的虚拟系统状态；i
fv
为虚拟三相滤波电感电流，u
ov
为逆变器虚拟三相输出电压，Z
vir_nn
为负序虚拟阻抗，为已知值，i
o_n
为所述i
o
的负序分量；表示由所述负序虚拟阻抗产生的负序补偿电压。
[0029]本申请的一些实施例中，利用所述虚拟状态空间模型预测在所有逆变器电压矢量作用下的逆变器的虚拟三相输出电压，包括：
[0030]基于第k时刻的αβ坐标系下逆变器三相滤波电感电流的量i
f
(k)、第k时刻的αβ坐标系下逆变器三相输出电压的量u
o
(k)、第k时刻的αβ坐标系下逆变器三本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，其特征在于，所述方法包括：构建逆变器的连续时间状态空间模型；对所述连续时间状态空间模型离散化，获得离散时间状态空间模型；在所述离散时间状态空间模型中嵌入负序虚拟阻抗，构建虚拟状态空间模型；利用所述虚拟状态空间模型预测在所有逆变器电压矢量作用下的逆变器的虚拟三相输出电压；采用评价函数对所述虚拟三相输出电压进行评价，确定满足预设条件的逆变器电压矢量以及与所述满足预设条件的逆变器电压矢量对应的开关序列；利用所述与所述满足预设条件的逆变器电压矢量对应的开关序列控制逆变器。2.根据权利要求1所述的基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，其特征在于，构建逆变器的所述连续时间状态空间模型，包括：获取逆变器所在主电路中的逆变器三相输出电压u
oabc
、逆变器三相输出电流i
oabc
及三相滤波电感电流i
fabc
；对所述u
oabc
、所述i
oabc
和所述i
fabc
分别执行Clarke变换，分别获得αβ坐标系下逆变器三相输出电压的量u
o
、αβ坐标系下逆变器三相输出电流的量i
o
和αβ坐标系下逆变器三相滤波电感电流的量i
f
；基于所述u
o
、所述i
o
和所述i
f
构建所述连续时间状态空间模型。3.根据权利要求2所述的基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，其特征在于，基于所述u
o
、所述i
o
和所述i
f
构建的所述连续时间状态空间模型为：其中，分别为所述连续时间状态空间模型中的系统状态、系统输入、系统矩阵、输入矩阵；t为微分时间，L
f
为逆变器所在主电路中的滤波电感；C
f
为逆变器所在主电路中的滤波电容；V
m
为第m个逆变器电压矢量，m＝0,1,
…
,M
‑
1，M根据逆变器的输出电平数确定。4.根据权利要求3所述的基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，其特征在于，所述离散时间状态空间模型为：其中，均为二阶矩阵；T
S
为采样步长，k为采样时刻。5.根据权利要求4所述的基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，其特征在于，在所述离散时间状态空间模型中嵌入所述负序虚拟阻抗，获得如下的所述虚拟状态空间模型：
其中，为所述虚拟状态空间模型中的虚拟系统状态；i
fv
为虚拟三相滤波电感电流，u
ov
为逆变器虚拟三相输出电压，Z
vir_nn
为负序虚拟阻抗，为已知值，i
o_n
为所述i
o
的负序分量；表示由所述负序虚拟阻抗产生的负序补偿电压。6.根据权利要求5所述的基于模型预测控制的逆变器不平衡电压补偿控制方法，其特征在于，利用所述虚拟状态空间模型预测在所有逆变器电压矢量作用下的逆变器的虚拟三相输出电压，包括：基于第k时刻的αβ坐标系下逆变器三相滤波电感电流的量i
f
(k)、第k时刻的αβ坐标系下逆变器三相输出电压的量u
o
(k)、第k时刻的αβ坐标系下逆变器三相输出电流的量i
o
(k)、第k
‑
1时刻计算出的逆变器电压矢量V
m
(k
‑
1)和所述离散时间状态空间模型，预测第k+1时刻的系统状态变量i
f
(k+1)、u
o
(k...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振伟，刘桂正，孙晓，高孟友，
申请(专利权)人：青岛科技大学，
类型：发明
国别省市：