一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法，属于电力电子变换器模型预测控制技术领域。提出了一种无电流传感器的改进预测模型，将目标函数进行分离，并对目标函数的每个部分进行顺序评估，避免使用权重因子，最终得到最优开关管状态。本发明专利技术提出的控制方法减小了系统尺寸和成本，该方法通过简单、经济的方式，可以有效地镇定直流微电网，同时满足交流侧电压小过冲、快速、平稳响应的动态性能；解决了传统直流微电网稳定方案系统体积大、硬件成本高、系统控制精度和可控性不高、权重因子计算量大的问题。权重因子计算量大的问题。权重因子计算量大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子变换器模型预测控制
，具体为一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着“能源转型，绿色发展”理念兴起，由分布式发电设备和功耗设备组成的微电网应运而生，其具有结构简单、效率高、可靠性强等优点，广泛应用于电动汽车、高铁、绿色建筑、未来舰载机电力系统、数据中心等现代并网自主配电系统。
[0003]直流微电网的终端用户以电子负载为主，当这些电子负载被严格调节时，可能会产生负阻抗效应，表现为恒定功率负载（constant power load，CPL），对系统的稳定性产生一定的影响。同时，微电网中多变流器之间的相互作用也会引起电力振荡，甚至使系统失稳。
[0004]为了克服这种不稳定性，近年来人们对稳定策略进行了讨论。传统的方法为无源阻尼的方法，通过连接额外的RC或RL滤波器来增加系统阻尼，其优点是方法简单，但同时也增大了系统的成本和体积。另一种方法是向负载或变换器中加入各种控制技术，称为有源阻尼法，这种方法较为复杂但成本较低。有源阻尼法又分为线性和非线性两种。线性方法采用线性反馈闭环控制传递函数，更容易稳定小信号，而非线性方法在大的范围内具有鲁棒性和更快的动态性能，主要适用于大信号模型。随着非线性控制的变换器日益普及，采用非线性镇定微电网的方法受到了越来越多的重视。
[0005]在非线性方法中，模型预测控制（model predictive control，MPC)因具有直观的概念，能够实现快速跟踪响应，得到了广泛应用。MPC的一个重要分支是有限控制集模型预测控制（finite control set MPC，FCS
‑
MPC），直接采用FCS
‑
MPC算法改善直流微电网稳定性存在两个问题：1)为了稳定直流微电网，典型的稳定方案需要采样直流侧电压、电容三相交流电压（四个电压传感器），直流电流、电感电流、负载三相交流电流（七个电流传感器），增加了系统的体积和硬件成本。此外，物理传感器还存在噪声、相位滞后和寿命有限等问题，降低了系统的控制精度和可靠性。2）同时包含交流项和直流项的多目标函数会导致多个权重因子设计困难，这一直是模型预测控制策略的重要挑战。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是提供一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法，以解决传统直流微电网稳定方案系统体积大、硬件成本高、系统控制精度和可控性不高、权重因子计算量大的问题，具有更好的性能。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法，包括以下步骤：步骤1：采样k时刻逆变器交流侧的三相电容电压v
Ca
，v
Cb
，v
Cc
和直流电压v
dc
，对交流侧三相电容电压v
Ca
，v
Cb
和v
Cc
进行Clark坐标变换，得到αβ坐标系下的三相电容电压；
同时，设置k时刻的直流电压参考值和αβ坐标系下的三相电容电压参考值；步骤2：通过交流侧电容电流观察器估计电容电流，完成电容电流预测；步骤3：通过交流侧电容电压预测模块完成电容电压的预测；步骤4：通过直流电压预测模块完成直流电压的预测；步骤5：避免使用权重因子，将目标函数进行分离，并对分离后目标函数的每个部分进行顺序评估，评估得到最优电压矢量；步骤6：将最优电压矢量通过脉冲生成模块转化为相应的脉冲信号，驱动开关管。
[0007]进一步的，所述步骤2的具体步骤如下：引入全阶观测器估算电容电流值，观测器的离散时间方程式为：（1）式中，和分别为k+1时刻和k时刻的电容器电压估计值；和分别为k+1时刻和k时刻的电容电流估计值；为逆变器k时刻的输出电压；为k时刻的三相电容电压采样值；为k时刻的三相电容电流值；，，其中，N为观察器的增益矩阵，Φ为状态空间方程的状态转移矩阵；T
s
为采样周期，C为交流侧电容值；L为交流侧电感值；Γ为中间量；k+1时刻的电容电流估计值为：（2）采用两步预测策略，补偿下一个采样瞬间的一步控制延迟，得到k+2时刻的电容电流估计值为：（3）
其中，为k+1时刻逆变器的输出电压，为k+1时刻的三相电容电压预测值。
[0008]更进一步的，所述步骤3的具体步骤如下：通过零阶保持离散化方法，得到交流侧的离散时间模型：（4）式中，为k+1时刻交流侧电感电流预测值，为k时刻的交流侧电感电流值；为k时刻的交流侧输出电流值；，，，；其中，A、B、A1、B1、a
11
、a
12
、a
21
、a
22
、b
11
、b
12
、b
21
、b
22
为中间变量，无特殊意义，将A1和B1代入公式能够计算得到A和B，A和B的公式取自状态空间方程的解；τ为表示时间的积分变量；k+1时刻的电容器电压预测值为：（5）采用两步预测策略，补偿下一个采样瞬间的一步控制延迟，得到k+2时刻的电容电压预测值为：
（6）。
[0009]进一步的，所述步骤4的具体步骤如下：考虑到电感器电流的微分方程，推导出：（7）式中，C
dc
为直流侧电容值；v
dc
为直流电压；S
a
、S
b
和S
c
分别为三个桥臂的开关状态；v
s
为整流模块输出电压值；L
dc
为直流侧电感值；为交流侧电感电流；t为表示时间的微分变量；为Clark变换矩阵的逆矩阵；根据上式和测量结果，并采用离散化方法得到k+2时刻直流电压的预测值为：（8）式中，和分别为k+2时刻和k+1时刻直流电压的预测值；为k时刻的直流电压值。
[0010]进一步的，所述步骤5的具体步骤如下：根据预测估计得到k+2时刻的直流电压、交流侧侧电容电压和电容电流；知每个目标函数的表达式为：（9）式中，G
v
、G
i
和G
dc
分别为交流侧电压目标函数、交流侧电流目标函数、直流侧电压目标函数；和分别为k+2时刻的电容电压参考值的α分量和β分量；和分别为k+2时刻的电容电压预测值α分量和β分量；w
ref
为参考角频率；和分别为k+2时刻的电容电流估计值α分量和β分量；和v
dc
(k+2)分别为k+2时刻的直流电压参考值和预测值；通过第一评估模块评估每个电压矢量的G
dc
或G
v
，选择K个目标函数G
dc
或G
v
较小的
电压矢量；通过第二评估模块评估K个所选电压矢量的G
v
或G
dc
，在K个电压矢量中选择得到M个目标函数G
v
或G
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：采样k时刻逆变器交流侧的三相电容电压v
Ca
，v
Cb
，v
Cc
和直流电压v
dc
，对交流侧三相电容电压v
Ca
，v
Cb
和v
Cc
进行Clark坐标变换，得到αβ坐标系下的三相电容电压；同时，设置k时刻的直流电压参考值和αβ坐标系下的三相电容电压参考值；步骤2：通过交流侧电容电流观察器估计电容电流，完成电容电流预测；步骤3：通过交流侧电容电压预测模块完成电容电压的预测；步骤4：通过直流电压预测模块完成直流电压的预测；步骤5：避免使用权重因子，将目标函数进行分离，并对分离后目标函数的每个部分进行顺序评估，评估得到最优电压矢量；步骤6：将最优电压矢量通过脉冲生成模块转化为相应的脉冲信号，驱动开关管。2.根据权利要求1所述的一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：引入全阶观测器估算电容电流值，观测器的离散时间方程式为：（1）式中，和分别为k+1时刻和k时刻的电容器电压估计值；和分别为k+1时刻和k时刻的电容电流估计值；为逆变器k时刻的输出电压；为k时刻的三相电容电压采样值；为k时刻的三相电容电流值；，，其中，N为观察器的增益矩阵，Φ为状态空间方程的状态转移矩阵；T
s
为采样周期，C为交流侧电容值；L为交流侧电感值；Γ为中间量；k+1时刻的电容电流估计值为：（2）采用两步预测策略，补偿下一个采样瞬间的一步控制延迟，得到k+2时刻的电容电流估计值为：
（3）其中，为k+1时刻逆变器的输出电压，为k+1时刻的三相电容电压预测值。3.根据权利要求2所述的一种提高直流微电网稳定性的逆变器模型预测控制方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤如下：通过零阶保持离散化方法，得到交流侧的离散时间模型：（4）式中，为k+1时刻交流侧电感电流预测值，为k时刻的交流侧电感电流值；为k时刻的交流侧输出电流值；，，，；其中，A、B、A1、B1、a
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、a
12
、a
21
、a
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、b
11
、b
12
、b
21
、b
22
为中间变量，无特殊意义，将A1和B1代入公式能够计算得到A和B，A...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷敏瑞，赵忠涛，周群，印月，刘雪山，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：