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

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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)。

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

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

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明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。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：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。

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

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：

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。

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。

优选的，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

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，

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

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

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

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：

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：

J＝[P

根据前向欧拉法所获的P(k+1)、Q(k+1)将上式改写为：

J＝[P

其中，P

当控制系统控制效果最佳时，即通过前向欧拉法预测得到的有功功率和无功功率与参考有功功率和无功功率之间的差值最小，此时，使得误差最小的逆变器电压矢量即为最佳电压矢量，据此选定最佳的开关动作；

利用数学中求极值的思想，使J对v

优选的，步骤S3中对于不平衡电网，消除负序电流分量，计算出功率补偿量，具体过程为：

由于采用的并网逆变器为三相三桥臂无中线的拓扑结构，没有零序分量通道，因此可忽视掉零序分量的影响，则将空间矢量F表示为正序分量F

其中，P

为了获得不失真，具有高度正弦性的平衡电网电流，就要消除掉负序电流分量，即P

其中，P

则消除负序电流分量，有功功率以及无功功率补偿分量可表示为：

优选的，步骤S4中采用七段式的SVPWM对参考电压调制，得到各桥臂输出的开关信号，具体过程为：

步骤S41、对逆变器合成电压矢量进行扇区判断：通过定义判断扇区的公式获得相应的N值，每个N值分别与矢量所在的扇区号相对应，再通过查表，判断合成矢量所在的扇区；

步骤S42、判断所在扇区基本矢量的作用时间：通过定义中间变量X、Y、Z，建立与每个扇区基本矢量作用时间TA和TB的关系，并通过查表确认作用时间；

步骤S43、确定每个扇区的切换时间：通过公式直接计算出三组电压矢量的切换时间分别为T

本发明在步骤一中对功率预测控制模型进行设计，来预测下一时刻功率值，具有建模简单的优点；步骤二中，通过引入和求解多目标代价函数，能预测到功率误差最小的逆变器电压矢量，来提高功率的控制精度；步骤三中，对于不平衡电网，进行功率补偿，使电网电流不失真畸变，保持较好的正弦性；步骤四中，通过SVPWM调制，获得固定的开关频率。因此，本发明结合直接功率控制与模型预测控制，提出一种基于模型预测的直接功率控制方法，改进的控制策略结合了直接功率控制和模型预测控制的优点，实现了固定的开关频率和更高的功率控制精度，同时针对不平衡电网条件，也能更加方便地进行功率补偿，灵活地改变功率基准，保证输出电流的正弦性。

本发明的控制方法包括功率预测、解多目标代价函数、功率补偿以及SVPWM调制，功率预测是通过当前功率瞬时值及其变化率，来预测下一时刻功率值；解多目标代价函数为了求得预测功率值P(k+1)、Q(k+1)与给定功率值P

附图说明

图1是本发明实施例的流程图。

图2是本发明实施例的三相并网逆变器拓扑结构图。

图3是本发明实施例的三相并网逆变器在静止坐标系中的等效模型图。

图4是本发明实施例的三相并网逆变器功率预测模型控制框图。

图5本发明实施例的直接功率控制策略的三相输出电压仿真效果图。

图6本发明实施例的直接功率控制策略的三相输出电流仿真效果图。

图7本发明实施例的直接功率控制策略的输出有功功率仿真效果图。

图8本发明实施例的直接功率控制策略的输出无功功率仿真效果图。

图9本发明实施例的模型预测控制策略的三相输出电压仿真效果图。

图10本发明实施例的模型预测控制策略的三相输出电流仿真效果图。

图11本发明实施例的模型预测控制策略的输出有功功率仿真效果图。

图12本发明实施例的模型预测控制策略的输出无功功率仿真效果图。

图13本发明实施例的直接功率控制策略的三相输出电流THD。

图14本发明实施例的模型预测控制策略的三相输出电流THD。

图15本发明实施例的没有功率补偿下的仿真效果图。

图16本发明实施例的进行功率补偿下的仿真效果图。

图17本发明实施例的没有功率补偿下的电流THD。

图18本发明实施例的进行功率补偿下的电流THD。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

【实施例】

如图1所示，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：

步骤S1：建立三相并网逆变器等效电路模型(在两相静止坐标系中，建立电压型并网逆变器等效电路，通过基尔霍夫电压定律列出电路等式)，根据逆变器在静止坐标系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；

步骤S2：采用多目标代价函数形式，并找到使多目标代价函数为最小的自变量v

步骤S3：对于不平衡电网，消除负序电流分量，计算出功率补偿量；

步骤S4：采用七段式的SVPWM(空间矢量脉宽调制的简称)对参考电压调制，得到各桥臂输出的开关信号。

图2为三相LCL并网逆变器的拓扑结构，考虑到滤波电容上流过的电流以及所消耗的无功功率很小，为了便于进行建模分析，在接下来的分析过程中对这一部分忽略不计，仅考虑滤波电感的作用效果。并假设IGBT开关管工作在理想工作状态，三相滤波电感及寄生电阻参数相同，则其等效电路如图3所示。

根据图3，逆变器在两相静止坐标系模型的公式为：

其中U

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P和无功功率Q可以定义为：

其中，j为虚数单位，

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(3)式功率进行求导运算：

由(1)式可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e

其中ω

根据式(6)可得电网电压的导数：

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可被表示为：

其中e

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和无功的变化率，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可由前向欧拉法近似获得，化简之后可以得到下一采样周期的有功功率以及无功功率的值，可用下式预测得到：

式中T

由公式(10)可知，下一周期预测的有功(无功)功率值主要取决于A(B)的值，而e

J＝[P

根据功率预测式写为：

J＝[P

其中，P

当控制系统控制效果最佳时，即通过预测模型得到的有功功率和无功功率与参考有功功率和无功功率间的差值最小，此时能使误差最小的逆变器电压矢量即为最佳电压矢量，据此可以选定最佳的开关动作。

利用数学中求极值的思想，使J对v

分别令其偏导等于0，并简化方程式得到：

其中，e

本次并网逆变器为三相三桥臂无中线的拓扑结构，没有零序分量通道，因此可以忽视掉零序分量的影响，则可以将一个空间矢量分解为正序分量和负序分量之和；

则在静止坐标系下，电压和电流可以表示为：

且有：

其中

则根据式(3)可得，在不平衡电网条件下有功功率以及无功功率可被表示为：

在不平衡电网条件下，式(17)可以表示为三个分量之和：

其中P

电网电流的失真畸变的主要原因便是负序电流的存在；因此为了获得不失真、具有高度正弦度的平衡电网电流，就要消除掉负序电流分量，即P

其中P

因此有功功率以及无功功率补偿分量P

如上述所言，在经过功率预测、电压矢量选择和功率补偿后，需要对得到得逆变器交流侧的参考输出电压进行SVPWM调制，调制的方法为：

1)对逆变器合成电压矢量进行扇区判断：通过定义判断扇区的公式获得相应的N值(这里N值仅用来判断扇区)，每个N值分别与矢量所在的扇区号(共六个扇区)相对应，再通过查表，可得到合成矢量所在的扇区。

因此首先需要对其所处的扇区进行判断，则可以规定：

定义变量A、B、C，其取值为：

则可以求得变量N为：

N＝4A+2B+C (27)

据此可以判断合成电压矢量所处于的扇区，其对应关系如表1。

表1N值与扇区号的对应关系表

2)判断所在扇区基本矢量的作用时间：通过定义中间变量X、Y、Z，建立与每个扇区(逆时针方向)基本矢量作用时间TA和TB的关系，并通过查表确认作用时间；

通过表1的扇区号查找出其对应的值，其对应关系如表2。

表2各扇区矢量作用时间

其中，T

3)确定每个扇区的切换时间：通过公式可以直接计算出三组电压矢量的切换时间分别为T

设合成所需的三组电压矢量的切换时间分别为T

其中，T

则可以得到切换时间点T

表3各扇区与矢量切换时间对应表

然后，将三个矢量的切换时间点T

如图4所示，完成以上设计后，本发明所提出的一种基于并网逆变器功率预测模型的直接功率控制系统，该系统是针对所提出的功率预测模型所建立的系统，包括：三相并网逆变器1、Clark变换模块2、瞬时功率计算模块3、功率补偿模块4、功率预测模块5、SVPWM调制模块6；功率补偿模块4包括：一阶APF正负序分离模块41。

将采集到的三相并网逆变器1的电网电压e

为验证所提方法的有效性，在Matlab/Simulink仿真平台中搭建了仿真模型，对平衡电网工况下的直接功率控制与模型预测直接功率控制进行了仿真分析对比，验证模型预测直接功率控制的有效性与优越性。接着在不平衡电网工况下，针对消除负序电流分量，保证电流的正弦性，采用所提出的模型预测和功率补偿策略进行控制，并通过仿真验证所提方法的有效性。控制系统的主要仿真参数如表4所示。

表4控制系统仿真参数

在三相平衡电网条件下搭建了传统的直接功率控制以及模型预测直接功率控制模型，设定仿真时间为2s，其参考有功功率设定为10kW，参考无功功率为5kVar。采用直接功率控制策略的三相输出电压及电流如图5、图6所示，其输出功率如图7、图8所示。作为对比，采用本发明所提出的模型预测直接功率控制所得到的输出电压、电流以及功率仿真结果如图9-图12所示，两种控制策略之下的输出电流的总谐波失真率(THD)对比如图13、图14所示。

观察图5-6和图9-10可知，在相同的功率给定值和工作在平衡电网的条件下，两种策略的控制，其输出电压均为标准的正弦量。再对比两种策略下输出的三相电流，可从图中直接看出，在预测模型控制下输出的三相电流，在每相电流的波峰和波谷处，其轮廓更加清晰，有更好的正弦性及较低的谐波含量。

从图13-14可以直接得到，采用改进的模型预测直接功率控制时其总谐波失真率为0.61％明显低于采用直接功率控制时的4.13％，输出结果更优。

通过对比图7-8、图11-12能得到，采用改进的模型预测直接功率控制时其有功以及无功功率对指令的追踪更加准确，输出功率波动范围更小，电流失真程度更小，控制效果明显更佳。因此，通过以上仿真分析，可以验证本发明所提的基于模型预测直接功率控制相较于传统的直接功率控制其控制效果更佳，后续针对不平衡电网工况仍然采用改进的模型预测直接功率控制。

在仿真时长、有功功率指令值和无功有功指令值与平衡电网下仿真一致的情况下。采用定义电网的不平衡度σ等于负序电压的幅值除以正序电压的幅值的方式，即σ＝|e

图15为没有进行功率补偿的工况下控制系统的仿真结果图，可以发现，输出的有功和无功功率保持平滑稳定，但由于电网电压不平衡，会引入了负序分量，造成输出电流畸变明显，正弦度较低。

图16为进行功率补偿，消除负序电流下的仿真结果图，可以看出在这种控制目标下其输出电流能够保持对称以及很好的正弦性，满足控制目标的要求，但其输出有功以及无功功率均保持二倍频波动。

图17-18为不平衡电网电压工况下无功率补偿以输出电流总谐波失真率，图17显示在不平衡电网电压工况下其输出电流有明显畸变，在150Hz左右的谐波较大，且总谐波失真率(THD)达到10％，明显超出5％的合格要求。当采用功率补偿时，如图18所示，通过消除负序电流，达到降低谐波的目的，可看到谐波幅值所占百分比(纵坐标)明显降低，将总谐波失真率(THD)明显地降低到了0.71％，使得输出电流具有很好的正弦性。

通过以上实验对比，可以看出本发明提出的一种基于并网逆变器功率预测模型的控制方法，具有良好的稳定性与控制性能，采用SVPWM调制方式实现了固定的开关频率和更高的功率控制精度，同时针对不平衡电网条件，也能更加方便地进行功率补偿，灵活地改变功率基准，保证输出电流的正弦性。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。