基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法技术

本发明专利技术涉及电力电子变换控制技术领域，尤其涉及一种基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，通过VSG给定电流值及电压值计算出k+1时刻电流参考值；通过电压给定值筛选出三电平变换器输出的27个电压矢量中合适的电压向量；根据并网电流采样值和电压矢量计算k+1时刻电流预测值；根据k+1时刻电流预测值计算k时刻参考电压值，通过中点电压变化量、电压向量和参考电压值通过价值函数计算出差值最小的价值函数对应的序列，并输出开关状态。本发明专利技术输出稳定，产生的更低的总谐波失真。真。真。

【技术实现步骤摘要】
基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法


[0001]本专利技术涉及电力电子变换控制
，尤其涉及一种基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法。

技术介绍

[0002]虚拟同步机(VSG)的一般控制方法采用PI电流内环、PQ功率外环的控制方案或者简单地PR控制方法等，对于更优的控制方案没有更多的研究。近年来，由于数字信号处理器(Digital Signal Processors，DSP)和现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)的快速发展，一批新型的控制算法不断涌现，其中模型预测控制算法(Model Predictive Control，MPC)拥有实现方便，稳态性能好，动态响应快，无超调的优点受到青睐。MPC包括有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control，FCS
‑
MPC)和连续控制集模型预测控制(Continuous Control Set Model Predictive Control，CCS
‑
MPC)，其中FCS
‑
MPC因为其动态快、无需调制环节，一直是国内外的热点。通过MPC控制和VSG的结合，可以进一步提升VSG提供电网支撑的能力。
[0003]为了进一步优化光伏并网的输出容量以及电流的谐波，逆变器拓扑方面可以选择使用中点箝位型(Neutral Point Clamped,NPC)三电平逆变器它的优点是功率管电压应力为直流母线电压的一半；相对于其他三电平逆变器拓扑，其等效电容少；理论分析统一性强，可直接扩展到更多电平逆变器拓扑等。它主要缺点是箝位二极管是快恢复二极管且需要承受全功率电流和反向恢复电压；存在直流母线电容电压不平衡问题，需要进行中点电压平衡控制。因此VSG下的MPC控制中点电压平衡将是研究的重点之一。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了提供一种响应较快且输出更稳定的虚拟同步机(VSG)的模型预测控制(MPC)的控制方法。
[0005]为解决以上技术问题，本专利技术的技术方案为：基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，包括：
[0006]步骤1：虚拟同步机根据下垂控制原理输出k时刻的电压给定值v(k)，并通过定子电压方程得出电流给定值i
*
(k)，同时采集得出并网电流采样值i(k)和并网电压采样值e(k)；
[0007]步骤2：通过k时刻的电流给定值i
*
(k)预测出k+1时刻电流参考值i
*
(k+1)；
[0008]步骤3：获取三电平变换器的输出电压并分为P组不同状态的电压矢量u(k)，每个电压矢量都有不同的开关序列；
[0009]步骤4：根据电压给定值v(k)和P个电压矢量u(k)作差值比较，筛选出P组电压矢量u(k)中离电压给定值v(k)最接近的Q组，并将这Q组作为新的逆变器输出电压向量u
i
(k)，作为双环模型预测的电压环，实现分步骤控制中的电压控制；
[0010]步骤5：根据k时刻的并网电流采样值i(k)、并网采样电压值e(k)和电压矢量u(k)，
计算k+1时刻采样电流预测值i(k+1)，作为模型预测控制下的电流环，实现分步骤控制中的电流控制；步骤6：根据k+1时刻电流参考值i
*
(k+1)、电压矢量u(k)和并网电流采样值i(k)，计算k时刻参考电压值u
*
(k)；
[0011]步骤7：根据逆变器的中点电流计算k+1时刻的中点电压变化量ΔV
NP
(k+1)；
[0012]步骤8：根据k+1时刻中点电压变化量ΔV
NP
(k+1)、逆变器输出电压向量u
i
(k)及k时刻参考电压值u
*
(k)，通过价值函数g
min
计算出参考电压值和电压向量差值最小时的价值函数，选取最小价值函数时的逆变器输出电压向量u
i
(k)，并输出u
i
(k)的开关序列；
[0013]步骤9：依据步骤8的开关序列给予逆变器选通脉冲。
[0014]本专利技术具有如下有益效果：
[0015]与现有技术相比，本专利技术的显著优点在于：(1)采用MPC控制代替一般的PI控制，改进虚拟同步机并提高VSG的输出质量；(2)在保持原有MPC控制方法的基础上，不增加控制方法复杂度，通过电压电流分步控制的方法达到电压电流双环控制的效果；(3)能够减少输出电压、电流谐波，提高输出波形质量。
附图说明
[0016]图1为本专利技术流程示意图；
[0017]图2为本专利技术实施例中NPC型三电平的拓扑结构图；
[0018]图3为本专利技术实施例中三电平空间矢量分布图；
[0019]图4为基于VSG的MPC控制框图；
[0020]图5为图4中VSG控制部分框图；
[0021]图6为图4中MPC部分框图；
[0022]图7为实施例1中采用电压筛选前后THD值对比图；其中，
[0023]图7(a)为采用一般的模型预测控制方法的THD值示意图；
[0024]图7(b)为采用改进的双环模型预测方法的THD值示意图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。
[0026]请参考图1至图7，本专利技术采用改进虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，通过模型预测控制代替PI控制改进了对VSG的控制策略，并实现了对电压电流两个变量的控制与调节。
[0027]结合图4，实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种改进虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，通过模型预测控制代替传统PI控制改进了VSG的控制策略，体现了模型预测控制在VSG上的优越性。双环模型预测策略的具体实现是电压电流的分步骤控制；首先检测多电平逆变器直流母线的中点与正极之间的电容瞬时电压、并网采样电压值与并网采样电流值，并确定该两个电容瞬时电压的偏差。之后传感器采样的有关数据经过VSG生成当前时刻的参考电压及电流；通过电压给定值筛选电压向量作为双环模型预测的电压环，基于电压筛选后的电流模型预测控制作为电流环。以上的电压电流环可以认为是分别通过电压控制步骤和电流控制步骤实现。
[0028]本专利技术同时考虑了电压和电流对MPC的影响，提出的FSF
‑
MPC方法通过分步骤控制电压电流的方法，达到了模型预测双环控制的功能，通过使用优化的电压向量筛选方法，从而获得了与传统VSG的PI电压电流双环控制相比更高的响应能力。同时，与经典的MPC方法相比，使用所提出的基于虚拟同步电机电压电流双闭环MPC(FSF
‑
MPC)方法分步控制电压电流两个变量，首先对电压进行本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，其特征在于：步骤包括：步骤1：虚拟同步机根据下垂控制原理输出k时刻的电压给定值v(k)，并通过定子电压方程得出电流给定值i
*
(k)，同时采集得出并网电流采样值i(k)和并网电压采样值e(k)；步骤2：通过k时刻的电流给定值i
*
(k)预测出k+1时刻电流参考值i
*
(k+1)；步骤3：获取三电平变换器的输出电压并分为P组不同状态的电压矢量u(k)，每个电压矢量都有不同的开关序列；步骤4：根据电压给定值v(k)和P个电压矢量u(k)作差值比较，筛选出P组电压矢量u(k)中离电压给定值v(k)最接近的Q组，并将这Q组作为新的逆变器输出电压向量u
i
(k)，作为双环模型预测的电压环，实现分步骤控制中的电压控制；步骤5：根据k时刻的并网电流采样值i(k)、并网采样电压值e(k)和电压矢量u(k)，计算k+1时刻采样电流预测值i(k+1)，作为模型预测控制下的电流环，实现分步骤控制中的电流控制；步骤6：根据k+1时刻电流参考值i
*
(k+1)、电压矢量u(k)和并网电流采样值i(k)，计算k时刻参考电压值u
*
(k)；步骤7：根据逆变器的中点电流计算k+1时刻的中点电压变化量ΔV
NP
(k+1)；步骤8：根据k+1时刻中点电压变化量ΔV
NP
(k+1)、逆变器输出电压向量u
i
(k)及k时刻参考电压值u
*
(k)，通过价值函数g
min
计算出参考电压值和电压向量差值最小时的价值函数，选取最小价值函数时的逆变器输出电压向量u
i
(k)，并输出u
i
(k)的开关序列；步骤9：依据步骤8的开关序列给予逆变器选通脉冲。2.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，其特征在于：步骤1中测出电流给定值i
*
(k)，具体步骤如下：步骤101：通过电压型虚拟同步机的有功功率控制部分计算出输出的电压给定值v(k)的相角θ，通过电压型虚拟同步机的无功功率控制部分计算出输出的电压给定值v(k)的电压幅值E，得出v(k)在αβ轴坐标系下的数学表达式；步骤102：将输出的电压给定值v(k)通过定子电压方程转换为线电流即电流给定值i
*
(k)。3.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，其特征在于：步骤2的预测计算方法为：假定电流给定值和电压给定值是恒定的正弦波，根据正弦波在k时刻的值预测出k+1时刻的值。4.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，其特征在于：步骤3中的电压矢量u(k)的P组为27组，27个输出的电压矢量u(k)总共有3种不同的值，分别为
‑
0.5vdc、0、0.5vdc。5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的三电平并网逆变器的双环模型预测方法，其特征在于：步骤4中，Q组为12组；输出电压向量u
i
(k)的步骤如下：步骤401：计算27组电压矢量u(k)与电压给定值v(k)的27个不同的差值Δu
i
，其中i∈{1，2，3
…
27}：Δu
i
＝|v(k)
‑
u(k)|步骤402：取最小的12组Δu
i
，并将取得这12组差值Δu
i
的12个u(k)归为新的逆变器输出电压向量u
i
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴馥云，黄宇轩，陆朱卫，陈海霞，吕建国，
申请(专利权)人：三江学院，
类型：发明
国别省市：