基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统，通过将控制周期T

【技术实现步骤摘要】
基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及微电网逆变控制领域，尤其涉及基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统。

技术介绍

[0002]为了解决由化石能源大规模使用带来的环境污染和能源短缺等问题，太阳能、风能、潮汐能和地热能等新型能源的开发与应用是当前的研究热点。新能源的利用需要借助发电设备将其转换为电能，与储能设备和当地负载构成微电网系统，并可通过并网技术对大电网进行能量支撑。在微电网的发电侧，为保证电能质量，首先需要通过交流
‑
直流或直流
‑
直流变换技术将发电设备的输出电压转换为恒定母线电压，然后利用电力电子逆变器将直流电变为交流形式，与负载和大电网的需求实现匹配，在此过程中，逆变控制算法是保证电能质量的关键因素。
[0003]传统的微电网逆变控制方法包括下垂控制、虚拟同步电机控制和恒压频控制。下垂控制以有功功率和无功功率为调节目标，是一种开环控制算法，响应速度快，控制性能易受负载波动影响，无法为微电网提供频率支撑；虚拟同步电机是一种双环控制结构，外环采用频率
‑
功率下垂控制器对频率进行调节，内环模拟同步发电机转子运动方程，引入阻尼和惯量两个虚拟控制参数，对有功功率进行调节，能够有效降低系统的响应速度，提高频率稳定性，但无法消除稳态误差；传统恒压频控制以额定电压、额定频率和电流为控制目标，采用四个比例积分(PI)控制器实现闭环控制，能够消除电压和频率稳态误差，同时由于PI控制器具有延时效应，能够降低逆变器的频率响应速度，但PI控制器参数设计复杂，难以满足最优控制需求。
[0004]为了克服PI控制器的缺陷，不需要复杂参数校正的模型预测控制器在微电网逆变控制中得到广泛应用。刘志坚等在文献《光储微电网逆变器有限集模型预测控制》中提出了采用一个单步模型预测控制器代替传统恒压频控制方法中两个电流PI控制器的方案，通过减少PI控制器的数目，降低参数校正复杂度。该模型预测控制器以整数倍控制周期作为预测步长，是目前模型预测控制策略在微电网乃至整个电力系统领域的典型应用方法。然而，在实际应用中，受微电网功率等级和逆变器电力电子器件特性的影响，模型预测控制频率通常设计的比较低，而控制周期却因此变长，考虑到模型预测控制算法在执行过程中需要进行局部线性化，控制周期过长会降低单步模型预测控制方法的预测精度，进而影响微电网系统的稳态和动态控制性能。目前，如何改进模型预测控制算法，使其满足微电网高性能控制需求是该领域的重要研究内容。
[0005]因此，传统单步模型预测控制器在微电网逆变控制应用中预测精度低、控制性能差已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统，用于解
决传统单步模型预测控制器在微电网逆变控制应用中存在预测精度低、控制性能差的技术问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提出的技术方案为：
[0008]一种基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，包括以下步骤：
[0009]将控制周期T
s
平均分为n段，以T
s
/n为预测步长，构建：以微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，以微电网逆变器的输出电压矢量作为输入量，以微电网下一预测步长的预测状态为输出量的分段预测电流模型；
[0010]获取微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流，并将所述dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，将逆变器可输出的多个待选电压矢量依次作为逆变器的输出电压输入到所述分段预测电流模型中，预测得到多个待选电压矢量对应的预测状态；
[0011]确定微电网交流侧的参考dq轴电流，并基于所述参考dq轴电流构建代价函数，将多个待选电压矢量对应的预测状态依次输入到所述代价函数中，得到多个待选电压矢量对应的代价函数值，比较并选择使得代价函数值最小的待选电压矢量作为最优控制电压，将与该电压矢量对应的开关状态作为控制信号驱动逆变器中的电力电子器件。
[0012]优选的，所述分段预测电流模型为：
[0013][0014]其中，i
d
，i
q
分别为微电网交流侧的d轴电流、q轴电流；u
d
，u
q
分别为微电网交流侧的d轴电压、q轴电压；L
f
，L
l
，R
f
，R
l
分别为微电网的滤波电感，传输线缆电感，滤波电阻和传输线缆电阻，e
d
和e
q
为逆变器的输出电压；k为采样步长。
[0015]优选的，所述分段预测电流模型通过对微电网动态特性模型离散化得到，其中，所述微电网动态特性模型为：
[0016][0017]优选的，逆变器可输出的待选电压矢量根据以下公式求得：
[0018][0019]其中，U
dc
为微电网直流母线电压，[s
a
,s
b
,s
c
]T
是待选电压矢量对应的开关状态，s
a
,s
b
,s
c
分别为三相的开关状态，为微电网的实时电压相位，U
dc
为直流母线电压。
[0020]优选的，所述参考dq轴电流包括d轴电流参考值i
d_ref
以及q轴电流参考值i
q_ref
；确定微电网交流侧的参考dq轴电流，具体包括以下步骤：
[0021]获取微电网交流侧的实时工作频率f、电压相位并根据所述dq轴电压计算电压幅值U；
[0022]将标定的电压参考值U
ref
和电压幅值U的差值输入电压PI控制器，并将PI控制器的输出作为d轴电流参考值i
d_ref
；将标定的频率参考值f
ref
和微电网实时频率f的差值输入频率PI控制器，并将PI控制器的输出作为q轴电流参考值i
q_ref
。
[0023]优选的，所述代价函数为：
[0024]J＝|i
d_ref
‑
i
d
(k+1)|+|i
q_ref
‑
i
q
(k+1)|
[0025]其中，J为代价函数值，i
d
(k+1),i
q
(k+1)分别为下一预测步长的预测状态中的d轴电流值和q轴电流。
[0026]优选的，根据所述dq轴电压计算电压幅值U通过以下公式实现：
[0027][0028]优选的，获取微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流，包括以下步骤：
[0029]采集微电网交流侧的三相电压U
a
,U
b
,U
c
和三相电流I
a
,本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，其特征在于，包括以下步骤：将控制周期T
s
平均分为n段，以T
s
/n为预测步长，构建：以微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，以微电网逆变器的输出电压矢量作为输入量，以微电网下一预测步长的预测状态为输出量的分段预测电流模型；获取微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流，并将所述dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，将逆变器可输出的多个待选电压矢量依次作为逆变器的输出电压输入到所述分段预测电流模型中，预测得到多个待选电压矢量对应的预测状态；确定微电网交流侧的参考dq轴电流，并基于所述参考dq轴电流构建代价函数，将多个待选电压矢量对应的预测状态依次输入到所述代价函数中，得到多个待选电压矢量对应的代价函数值，比较并选择使得代价函数值最小的待选电压矢量作为最优控制电压，将与该电压矢量对应的开关状态作为控制信号驱动逆变器中的电力电子器件。2.根据权利要求1所述的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，其特征在于，所述分段预测电流模型为：其中，i
d
，i
q
分别为微电网交流侧的d轴电流、q轴电流；u
d
，u
q
分别为微电网交流侧的d轴电压、q轴电压；L
f
，L
l
，R
f
，R
l
分别为微电网的滤波电感，传输线缆电感，滤波电阻和传输线缆电阻，e
d
和e
q
为逆变器的输出电压；k为采样步长。3.根据权利要求2所述的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，其特征在于，所述分段预测电流模型通过对微电网动态特性模型离散化得到，其中，所述微电网动态特性模型为：4.根据权利要求2所述的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，其特征在于，逆变器可输出的待选电压矢量根据以下公式求得：其中，U
dc
为微电网直流母线电压，[s
a
，s
b
，s
c
]
T
是待选电压矢量对应的开关状态，s
a
，s
b
...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐海国，周可慧，朱吉然，张帝，周恒逸，赵邈，齐飞，段绪金，莫文慧，彭思敏，贺思林，韩耀飞，公超，
申请(专利权)人：国网湖南省电力有限公司电力科学研究院国家电网有限公司，
类型：发明
国别省市：