基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统及方法，基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统，该系统包括功率补偿模块、一阶APF正负序分离模块、瞬时功率计算模块、模型预测模块和SVPWM调制模块。基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制方法，包括以下步骤：功率预测；解多目标代价函数；功率补偿；SVPWM调制。相较于传统查表型直接功率控制，该预测模型可以固定开关频率和保证瞬时功率能有效跟踪参考功率，且对于不平衡电网条件，能灵活地改变功率基准，满足不同的控制目标。的控制目标。的控制目标。

【技术实现步骤摘要】
基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及一种控制系统及方法，尤其涉及一种基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统及方法，属于储能逆变器控制


技术介绍

[0002]并网逆变器的性能和控制策略是直接影响整个并网系统安全性、稳定性和高效性的一个重要因素。因此，在上世纪九十年代，日本学者提出了一种将瞬时功率直接进行闭环反馈的控制策略，及直接功率控制(Diret Power Control,DPC)。
[0003]传统的直接功率控制是基于开关表和滞环比较器的电压定向DPC(V
‑
DPC
‑
LUT),利用当逆变器输出不同的电压矢量，其输出有功及无功的变化量也会发生变化的特点进行控制。其控制方法为：根据计算得到系统的瞬时有功功率P以及无功功率Q，将系统实时的有功功率以及无功功率与给定的参考功率P
ref
和Q
ref
进行比较后的差值送入功率滞环比较器环节得到开关信号S
p
和S
q
，然后结合不同的扇区在开关表中选择所需要的驱动信号来驱动主电路开关管，完成逆变器控制。
[0004]在现有技术中，无论是基于电压定向的DPC还是基于虚拟磁链定向的DPC都是基于开关表的直接功率控制均需要引入滞环比较器。那么，开关信号S
p
和S
q
就会受有功和无功功率的滞环宽度H
p
和H
q
影响。当H
pr/>和H
q
取值越小，控制器对输出功率的变化也愈加敏感，开关信号频率也更高，所以该方法难以实现恒定的开关频率，并会造成频率不固定的电流谐波，给滤波器的设计带来困难。因此，有研究者提出了固定开关频率的DPC策略，即用PI控制器来代替原来的滞回比较器，该方法却造成系统对参数变化比较敏感，且控制的快速性有所降低。如何实现固定的开关频率和更高的功率控制精度，是本领域的重要技术课题之一。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术所存在的不足之处，本专利技术提供了一种基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统及方法，解决传统查表式直接功率控制方式带来的开关频率不固定和输出电流谐波问题，进一步提高功率的控制精度；且逆变器在不平衡电网下仍能使输出电流保持高度的正弦性。
[0006]为了解决以上技术问题，本专利技术采用的技术方案是：基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统，该系统包括功率补偿模块、一阶APF正负序分离模块、瞬时功率计算模块、模型预测模块和SVPWM调制模块。
[0007]优选的，一阶APF正负序分离模块是当输入不平衡电压、电流信号，三相电压/电流经过abc/αβ变换得到αβ静止坐标系下的电压/电流分量X
α
，X
β
，X
α
，X
β
经过全通滤波器实现移相90
°
的操作来实现正负序分离。
[0008]基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制方法，包括以下步骤：
[0009]步骤S1、功率预测；
[0010]步骤S2、解多目标代价函数；
[0011]步骤S3、功率补偿；
[0012]步骤S4、SVPWM调制。
[0013]优选的，步骤S1为：建立三相并网逆变器等效电路模型，根据逆变器在静止坐标系下瞬时有功功率和无功功率的表达式，结合等效电路模型和当前功率值来预测下一时刻有功功率和无功功率的值。
[0014]优选的，步骤S1的具体过程为：
[0015]在两相静止坐标系中，建立并网电压型逆变器等效电路，通过基尔霍夫电路定律直接列出等式：
[0016][0017]其中，U
s
＝[e
α
e
β
]T
为电网电压矢量，U＝[v
α
v
β
]T
为逆变器电压矢量，I
S
＝[i
α
i
β
]T
为逆变器输出电流矢量，L和R分别为滤波电感及其寄生电阻；
[0018]且在两相静止坐标系中，电压矢量和电流矢量经过等功率变换后，则瞬时有功功率和无功功率表示为：
[0019][0020]其中，j为虚数单位，为电流矢量I
S
的共轭复数；
[0021]在静止坐标系中进一步计算可得：
[0022][0023]为了预测下一时刻功率变化情况，对上式进行求导运算：
[0024][0025]由公式(1)，得电感电流在静止坐标系中的微分表达式：
[0026][0027]且理想电网条件下，电网瞬时电压在两项静止坐标系中进一步表示为：
[0028][0029]其中，ω
s
为电网额定角频率，|U
s
|为电网电压的幅值；
[0030]根据式(6)得电网电压的导数：
[0031][0032]将式(5)和式(7)代入式(4)中，则有功功率以及无功功率的导数被进一步表示为：
[0033][0034]其中，e
α
、e
β
、i
α
、i
β
在每一时刻均由采样得到，为已知量；
[0035]设采样时刻t＝k时，对有功功率以及无功功率求导，即将t＝k带入式(8)，获得的当前采样时刻有功功率和无功功率的变化率，分别记作为A、B：
[0036][0037]由线性代数知识可知，功率的导数方程表达式由前向欧拉法近似获得，化简之后，得到下一周期的有功功率P(k+1)、以及无功功率Q(k+1)的值：
[0038][0039]式中，T
s
为控制系统的采样周期，P(k)、Q(k)分别为当前采样时刻的瞬时功率值，A、B分别为t＝k时有功功率及无功功率的变化率，P(k+1)和Q(k+1)为预测到的下一采样周期的瞬时功率值。
[0040]优选的，步骤S2中采用多目标代价函数形式，找到使多目标代价函数为最小的自变量，即逆变器交流侧的参考输出电压，具体过程为：
[0041]考虑到所采用的控制策略为直接控制三相并网逆变器输出的功率，且要反映给定功率与预测功率的误差，因此将代价函数设为：
[0042]J＝[P
ref
(k+1)
‑
P(k+1)]2+[Q
ref
(k+1)
‑
Q(k+1)]2 (11)
[0043]根据前向欧拉法所获的P(k+1)、Q(k+1)将上式改写为：
[0044]J＝[P
ref (k)
‑
P(k)
‑
AT
S
]2+[Q
ref (k)
‑
Q(k)
‑
BT
S
]2 (12)...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统，其特征在于，该系统包括功率补偿模块、一阶APF正负序分离模块、瞬时功率计算模块、模型预测模块和SVPWM调制模块。2.根据权利要求1所述的基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统，其特征在于，一阶APF正负序分离模块是当输入不平衡电压、电流信号，三相电压/电流经过abc/αβ变换得到αβ静止坐标系下的电压/电流分量X
α
，X
β
，X
α
，X
β
经过全通滤波器实现移相90
°
的操作来实现正负序分离。3.基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1、功率预测；步骤S2、解多目标代价函数；步骤S3、功率补偿；步骤S4、SVPWM调制。4.根据权利要求3所述的基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S1为：建立三相并网逆变器等效电路模型，根据逆变器在静止坐标系下瞬时有功功率和无功功率的表达式，结合等效电路模型和当前功率值来预测下一时刻有功功率和无功功率的值。5.根据权利要求4所述的基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S1的具体过程为：在两相静止坐标系中，建立并网电压型逆变器等效电路，通过基尔霍夫电路定律直接列出等式：其中，U
s
＝[e
α
e
β
]
T
为电网电压矢量，U＝[v
α
v
β
]
T
为逆变器电压矢量，I
S
＝[i
α
i
β
]
T
为逆变器输出电流矢量，L和R分别为滤波电感及其寄生电阻；且在两相静止坐标系中，电压矢量和电流矢量经过等功率变换后，则瞬时有功功率和无功功率表示为：其中，j为虚数单位，为电流矢量I
S
的共轭复数；在静止坐标系中进一步计算可得：为了预测下一时刻功率变化情况，对上式进行求导运算：由公式(1)，得电感电流在静止坐标系中的微分表达式：
且理想电网条件下，电网瞬时电压在两项静止坐标系中进一步表示为：其中，ω
s
为电网角频率，|U
s
|为电网电压的幅值；根据式(6)得电网电压的导数：将式(5)和式(7)代入式(4)中，则有功功率以及无功功率的导数被进一步表示为：其中，e
α
、e
β
、i
α
、i
β
在每一时刻均由采样得到，为已知量；设采样时刻t＝k时，对有功功率以及无功功率求导，即将t＝k带入式(8)，获得的当前采样时刻有功功率和无功功率的变化率，分别记作为A、B：由线性代数知识可知，功率的导数方程表达式由前向欧拉法近似获得，化简之后，得到下一周期的有功功率P(k+1)、以及无功功率Q(k+1)的值：式中，T
s
为控制系统的采样周期，P(k)、Q(k)分别为当前采样时刻的瞬时功率值，A、B分别为t＝k时有功功率及无功功率的变化率，P(k+1)和Q(k+1)为预测到的下一采样周期的瞬时功率值。6.根据权利要求3所述的基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制方法，其特征在于：所述步骤S2中采用多目标代价函数形式，找到使多目标代价函数为最小的自变量，即逆变器交流侧的参考输...

【专利技术属性】
技术研发人员：林伟，刘钊，顾研，凌铃，
申请(专利权)人：南通国轩新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：