基于单边界圆预测功率的控制方法、系统、介质和处理器

技术领域

本发明涉及功率控制技术领域，特别涉及基于单边界圆预测功率的控制方法、系统、介质和处理器。

背景技术

环境与能源危机共同促进了新能源发电的发展，永磁同步风力发电机组具有功率密度高、结构可靠等优点成为风力发电的主要机型之一，但随着机组单机容量的提升，要求风电并网逆变器具有低开关频率、功率快速跟踪的特点。经过长期发展已经形成多种相应的控制理论，如矢量控制(Vector Control，VC)、直接功率控制(Direct Power Control，DPC)、模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)等。其中VC控制结构简单易懂，应用最为广泛，但其需要复杂的坐标变换、参数整定和脉宽调制，当发电机组功率较大时，为了降低开关器件损耗，往往要求开关频率较低，甚至小于1kHz，这种情况下VC的控制性能较差。DPC需要设置滞环宽度，开关频率不固定，功率纹波较大。随着处理器的发展，MPC算法逐渐应用于工业生产，其采用离散数学模型对状态变量进行预测控制原理较为直观，目标函数可以同时对多个目标进行约束。MPC应用于大功率新能源发电机组中时，逆变器开关频率较低，且能获得较好的控制效果。

MPC应用于风电并网逆变器，根据控制目标的不同，可以分为模型预测电流控制(Model Predictive Current control，MPCC)、模型预测功率控制(Model PredictivePower control，MPPC)等，前者直接对电流进行预测控制，系统电流总谐波失真(TotalHarmonic Distortion，THD)小，后者直接对功率进行预测控制，功率响应速度快，风电并网逆变器控制系统一般需要功率快速响应，因此MPPC更适用于此场景。MPC又可以划分为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)，对于两电平逆变器拓扑结构，传统FCS-MPC(Traditional FCS-MPC，T-MPC)可选矢量集中仅有8个电压矢量，每个控制周期仅作用一个电压矢量，而CCS-MPC可以根据需求利用8个电压矢量调制为无限多个电压矢量，因此控制效果优于T-MPC，但其调制相对较为复杂，开关频率高，因此在大功率风力发电机组中选用T-MPC作为并网逆变器控制策略为宜。

T-MPC应用于风电并网逆变器功率控制，即传统模型预测直接功率控制(Traditional Model Predictive Power control，TMPDPC)，若同时考虑有功功率、无功功率和开关频率三个控制目标，由于其量纲不同，需要配置权重因子，而控制目标之间具有耦合关系，权重因子选取困难。此外TMPDPC的原理是在8个电压矢量中选择使目标函数最小的电压矢量作为最优矢量，因此不能根据控制系统允许误差进行灵活调整。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了基于单边界圆预测功率的控制方法、系统、介质和处理器，可以综合优化有功功率、无功功率和开关频率三个控制目标，不需要配置权重因子，且能根据系统允许功率误差灵活调整限定边界，从而进一步降低开关频率。具体技术方案如下：

一种基于单边界圆预测功率的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，实时采集电网电压和电流；

步骤S2，根据采样得到的电压和电流预测出t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

步骤S3，根据t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

步骤S4，构建单边界圆限定模型，单边界圆限定模型以参考视在功率S

步骤S5，判断t时刻第m个电压矢量u

优选地，所述步骤S2中t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和瞬时参考视在功率S

其中，S

优选地，t

其中，T

交流侧瞬时功率方程为：

对瞬时功率方程进行微分计算，得到：

其中，P为电网瞬时有功功率，Q为电网瞬时无功功率，

E

当第m个电压矢量u

其中，u

分别为τ时刻第m个电压矢量作用下的有功功率变化率、无功功率变化率；

则实际视在功率变化率为：

优选地，所述步骤S3中视在功率误差的计算方式如下：

优选地，所述步骤S5具体包括以下步骤：

步骤S51，将t时刻第m个电压矢量u

|ΔS(t,m)|

式中，a

步骤S52，判断t时刻第m个电压矢量u

步骤S53，当

步骤S54，判断一元二次方程与限定单边界圆转换的直线

若一元二次方程与限定单边界圆转换的直线

其中，x

一种基于单边界圆预测功率的控制系统，用于实现所述的方法，具体包括：

数据采集模块，用于实时采集电网电压和电流；

功率预测模块，用于根据采样得到的电压和电流预测出t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

视在功率误差计算模块，用于根据t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

单边界圆限定模型构建模块，用于以参考视在功率S

最优矢量选择模块，用于判断t时刻第m个电压矢量u

所述数据采集模块、功率预测模块、视在功率误差计算模块依次连接，所述单边界圆限定模型构建模块、视在功率误差计算模块分别与最优矢量选择模块连接；

所述数据采集模块与电网连接；所述最优矢量选择模块与风电并网逆变器开关连接。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行所述的一种基于单边界圆预测功率的控制方法。

一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的一种基于单边界圆预测功率的控制方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明提供的方法基于模型预测功率控制，利用当前时刻功率误差与预设边界圆的位置关系决定的下一时刻最优矢量选择原则，实现了有功功率、无功功率和开关频率三个控制目标的综合优化，解决了传统方法需要配置权重因子的问题，根据系统允许功率误差灵活调整限定边界，进一步降低了开关频率，可减小开关器件功率损耗，提升大功率发电下的开关器件工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的控制方法流程示意图；

图2为瞬时功率、电压、电流与边界圆位置示意图；

图3为三相风电并网逆变器结构框图；

图4为不同电压矢量作用下视在功率误差与时间关系图；

图5为风电并网逆变器的TMPDPC算法原理框图；

图6基于TMPDPC算法和本发明的控制方法的功率波形图，其中，图6(a)为基于TMPDPC算法的功率稳态波形图，图6(b)为基于TMPDPC算法的功率动态波形图；图6(c)为基于本发明的控制方法的功率稳态波形图，图6(d)为基于本发明的控制方法的功率动态波形图；

图7为基于TMPDPC算法和本发明的控制方法的平均开关频率波形图，其中图7(a)为基于TMPDPC算法的平均开关频率波形图，图7(b)为基于本发明的控制方法的平均开关频率波形图；

图8为基于TMPDPC算法和本发明的控制方法的电压和电流波形图，其中，其中图8(a)为基于TMPDPC算法的电压和电流波形图，图8(b)为基于本发明的控制方法的电压和电流波形图；

图9为开关频率、功率波动和电流THD随功率允许误差变化规律曲线图；

图10为本发明的控制系统原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供了一种基于单边界圆预测功率的控制方法，包括以下步骤：

步骤S1，实时采集电网电压和电流。

步骤S2，根据采样得到的电压和电流预测出t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

当计算周期足够小时，二者可由计算过程的初始时刻t

其中，S

t

其中，T

交流侧(即风机并网点)瞬时功率方程为：

对瞬时功率方程进行微分计算，得到：

其中，P为电网瞬时有功功率，Q为电网瞬时无功功率，

E

当第m个电压矢量u

其中，u

分别为τ时刻第m个电压矢量作用下的有功功率变化率、无功功率变化率；

则实际视在功率变化率为：

步骤S3，根据t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

步骤S4，构建单边界圆限定模型，边界圆半径的选取原则是在满足系统控制性能要求的前提下，允许的最大功率误差值。例如，某个控制系统要求功率误差不超过视在功率额定值S

若实际视在功率在边界圆内，认为视在功率误差小于s

步骤S5，判断t时刻第m个电压矢量u

为了保证风力发电机组实现最大功率点跟踪控制，机侧整流器采用转速外环、电流内环的控制结构；为了维持直流母线电压稳定和功率快速跟踪，网侧逆变器采用电压外环、功率内环的控制结构。机侧控制系统和网侧电压外环均采用传统PI控制，认为母线电压稳定，此时母线电容及整流侧可采用直流恒压源代替，风电并网逆变器的系统结构图如图3所示。

具体步骤如下：

步骤S51，将t时刻第m个电压矢量u

|ΔS(t,m)|

式中，a

步骤S52，判断t时刻第m个电压矢量u

步骤S53，当

步骤S54，判断一元二次方程与限定单边界圆转换的直线

若一元二次方程与限定单边界圆转换的直线

其中，x

图4为u

风电并网逆变器TMPDPC策略如下:

风电并网逆变器在两相静止坐标系下数学模型为:

TMPDPC算法主要分为三部分，即功率预测模型推导、功率误差价值函数构建和开关矢量遍历寻优，其控制框图如图5所示。

(1)推导功率预测模型

在两相静止αβ坐标系上进行预测模型推导，由式(10)可得电流变化率为

采用欧拉法对上式进行离散化，即可得电流预测方程。一般采样周期T

e

由瞬时功率方程，结合式(11)和式(12)可得功率预测模型为

(2)构建价值函数

TMPDPC控制目标为实际瞬时功率跟踪功率给定值，价值函数为

J＝(P

若控制过程考虑降低逆变器开关频率，则需要在价值函数中加入开关频率项并配置权重系数，即

J＝(P

式中，|f

(3)遍历寻优

两电平变流器可输出的基本电压矢量共有八个，即u

为了证明本发明提出的方法的正确性及有效性，通过ADPSS对TMPDPC和本发明提出的方法进行对比研究。控制系统具体参数如表1所示。控制频率为10kHz，仿真步长2μs。仿真时，无功功率Q

表1控制系统参数

图6分别为应用TMPDPC和本发明提出的控制方法后电网的有功、无功功率响应波形。可以看出稳态时两种算法均可稳定跟踪功率给定值，给定值变化前后采用TMPDPC后功率波动分别为5.57％和2.50％；采用本发明的控制方法后功率波动分别为9.78％和7.26％，略高于TMPDPC的功率波动，因为仿真时设置功率允许误差为给定功率的10％，从功率波形可以看出实际功率在允许功率误差上下波动。两种算法的动态过程较快，TMPDPC的动态响应约1ms，本发明的控制方法的动态响应不到0.5ms。

虽然本发明的控制方法的功率波动大，但从计算出的平均开关频率波形图7可以得到，参考值变化前后采用TMPDPC的开关频率约为2600Hz和2250Hz，相比之下采用本发明的控制方法的开关频率较低，功率较小时降低约500Hz，在功率较大时，开关频率降低幅度也较大，降低约1000Hz。

图8为风电并网逆变器的电网电压和电流响应波形图，仿真采用单位功率因数控制，电压和电流同相。电流响应与功率响应规律近似，在功率给定值变化前后采用TMPDPC后的电流THD分别为7.29％和3.70％；采用本发明的控制方法后的电流THD分别为13.51％和7.84％，高于采用TMPDPC后的电流THD。

为了探究功率允许误差s

表2不同s

本发明针对风电并网逆变器主要是摒弃了TMPDPC常用的欧拉离散方法预测功率的形式，采用功率变化率进行建模，引入了满意优化和数学规划的思想，将功率边界圆限定问题转化为一元二次方程求解问题，并制定了SBCL-MPPC策略最优矢量选择原则。该策略同时考虑了有功、无功功率跟踪和平均开关频率三个控制目标，不需要额外引入权重因子。在保证功率跟踪性能的同时降低逆变器平均开关频率，并且可以根据不同应用场合的要求，灵活配置边界圆半径，从而进一步降低开关频率或者提高功率跟踪精度。

实施例2：

如图10所示，本发明的具体实施方式提供了一种基于单边界圆预测功率的控制系统，用于实现所述的方法，具体包括：

数据采集模块，用于实时采集电网电压和电流；具体可采用电压互感器、电流互感器进行采集；

功率预测模块，用于根据采样得到的电压和电流预测出t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

视在功率误差计算模块，用于根据t时刻的瞬时实际视在功率S(t)和t时刻的瞬时参考视在功率S

单边界圆限定模型构建模块，用于以参考视在功率S

最优矢量选择模块，用于判断t时刻第m个电压矢量u

所述数据采集模块、功率预测模块、视在功率误差计算模块依次连接，所述单边界圆限定模型构建模块、视在功率误差计算模块分别与最优矢量选择模块连接；

所述数据采集模块与电网连接；所述最优矢量选择模块与风电并网逆变器开关连接。

实施例3：

本发明的具体实施方式提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的程序，其中，在所述程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行所述的一种基于单边界圆预测功率的控制方法。

实施例4：

本发明的具体实施方式提供了一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行所述的一种基于单边界圆预测功率的控制方法。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，模块的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块可结合为一个模块，一个模块可拆分为多个模块，或一些特征可以忽略等。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM,Read-0nlyMemory)、随机存取存储器(RAM,RandomAccessMemory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。