一种并网变流系统及其模型预测控制方法

技术领域

本发明属于交流-直流变换技术领域，具体涉及一种并网变流系统及其模型预测控制方法。

背景技术

近年来，诸如光伏等可再生能源分布式发电受到越来越多得关注，分布式发电系统中每个发电单元通过变流器在公共耦合点(PCC)处并入电网。由于多台变流器并联至PCC处的线路距离不同，且各变流器工作情况不同，输出电流中包含的谐波含量也不尽相同，因此PCC处的线路阻抗往往出现波动，呈现出弱电网特性，使得分布式发电系统的工作环境复杂多变。作为可再生能源分布式发电系统与电网的接口，并网变流器的性能是分布式发电系统安全可靠并网运行的关键因素之一，因此，选择合适的控制器保证变流器在较复杂环境下仍能保持较好工作性能具有重要意义。

现有技术中，一般采用模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)实现变流器的控制，其优点是，模型预测控制具有控制器设计简单，多目标优化等优点，在弱电网环境下，能够体现出较好的控制效果。但是，仍存在以下问题：

一，入网电流中的特定高频谐波还会在使线路电抗L

二，公共耦合点处的线路阻抗L

发明内容

本发明的目的是提供一种并网变流系统及其模型预测控制方法，用于解决现有控制方法会使变流器输出的电网电压产生畸变的问题。

基于上述目的，一种并网变流系统的模型预测控制方法的技术方案如下：

该并网变流系统包括变流器与LCL滤波器，变流器通过LCL滤波器用于连接电网，该方法包括以下步骤：

1)获取变流器侧滤波电感的电流i

2)将步骤1)中采集的电压值u

所述的控制器预测模型包括交流侧电流预测模型，表达式如下：

x

式中，x

所述进行电流补偿的过程为：确定公共耦合点电压u

3)设定变流器的开关状态组合的控制集合，将控制集合中每一开关状态组合下得到的电感电流预测值i

一种并网变流系统的技术方案如下：

该并网变流系统包括变流器与LCL滤波器，变流器通过LCL滤波器用于连接电网，还包括控制器，该控制器用于根据所述的模型预测控制方法，优选出开关状态信号，控制变流器的开关状态。

上述两个技术方案的有益效果是：

本发明的模型预测控制方法，利用二阶广义积分(SOGI)传递函数，构建虚拟矢量建立控制器预测模型，即交流侧电流预测模型，然后利用预设的代价函数，实现变流器入网功率控制(即电流控制)，并且在交流侧电流预测模型中，通过对入网电流进行电流补偿，抑制了电网电压畸变，保证了系统工作的稳定性，可靠性较高。

进一步的，为了实现滤波器的谐振抑制，步骤2)中所述变流器的输出电压u

进一步的，为了实现变流器的直流母线中点电压平衡，步骤2)中，所述的控制器预测模型还包括直流母线中点电压预测模型，表达式如下：

u

式中，u

步骤3)中，还包括将直流母线中点电压预测值u

i

u

式中，g为预设的代价函数值，y(k+1)为控制集合中每一开关状态组合下得到的电感电流预测值i

当不考虑变流器的直流母线中点电压平衡问题时，所述的代价函数为：

i

式中，g

进一步的，为了确定电感电流给定值和入网电流给定值，所述电感电流给定值

根据所述的电容电压预测值u

具体的，电感电流给定值

式中，u

所述变流器的输出有功、无功功率给定值的计算式如下：

式中，

式中，ω为角频率，C

附图说明

图1是本发明方法实施例中的光伏并网变流系统示意图；

图2是本发明方法实施例中的模型预测控制方法逻辑框图；

图3是本发明方法实施例中的网电压畸变抑制和滤波器谐波抑制的逻辑框图；

上面图1中的符号表示如下：

光伏发电系统(1)，光伏阵列(101)，Buck-Boost变换模块(102)，第一控制器(103)；变流器模块(2)，正极母线电容C

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

方法实施例：

如图1所示的光伏并网变流系统，其拓扑结构包括：光伏发电系统(1)，变流器模块(2)，LCL滤波器(3)，公共耦合点(PCC)(4)，直流侧电压采样电路(5)，交流侧电压电流采样电路(6)，变流器控制模块(7)，能量管理系统(8)。

其中，光伏发电系统(1)包括：光伏阵列(101)，Buck-Boost变换器(102)，第一控制器(103)，第一驱动模块(104)组成，第一控制器(103)获得直流母线电压U

直流侧电压采样电路(5)由电压霍尔元件和调理电路组成，电压霍尔元件分别采集第一母线电容(201)和第二母线电容(202)上的电压u

NPC三电平全桥逆变器(203)两个桥臂中点连接LCL滤波器(3)输入侧，LCL滤波器(3)包括：桥臂侧滤波电感L(301)，滤波电容C

变流器控制模块(7)包括：第二控制器(701)，第二驱动模块(702)。其中，第二控制器(701)获得从直流侧电压采样电路(5)和交流侧电压电流采样电路(6)采集的电压电流信号，通过本实施例即将提出的模型预测控制方法，求得最优开关状态信号，并加载到第二驱动模块(702)上，第二驱动模块(702)生成驱动信号控制IGBT工作在最优状态。

图1中，能量管理系统(8)与第二控制器(701)，第一控制器(103)相互通信，协调系统工作在最佳模式。例如，能量管理系统(8)获得当前光照等光伏系统工作信息，通过最大功率点跟踪(MPPT)算法得到直流母线电容给定值U

基于上述光伏并网变流系统，本实施例提出一种模型预测控制方法，适用于光伏分布式发电场合，实现单相NPC变流器模块(2)的控制，抑制电网畸变，提供系统工作稳定性。如图2所示，该控制方法的具体实现步骤如下：

步骤1)，获取流过桥臂侧滤波电感L(301)的电流i

步骤2)将步骤1)中采集的当前时刻电压和电流值，代入设定的控制器预测模型，能够得到在变流器的不同开关状态信号下的下一时刻i

具体的，设定的控制器预测模型包括交流侧电流预测模型和直流母线中点电压预测模型，下面分别阐述各模型的具体构成：

(一)交流侧电流预测模型(AC-MP)

首先，构建虚拟矢量，需要构建虚拟矢量的对象包括：变流器侧滤波电感的电流i

设定一个二阶广义积分(SOGI)传递函数，SOGI传递函数(也称二阶广义积分器)为：

其中，k

根据步骤1)中获取的电压电流值，设变流器的当前时刻状态变量为x

定义单相NPC三电平变流器模型的开关状态S

根据上面定义的开关状态以及单相NPC逆变器工作要求，可用的开关状态组合有9个。设变流器中逆变器的两个桥臂中点电压为u

表1：开关状态组合的控制集

设上面虚拟电压矢量u

本步骤中，为了抑制LCL滤波器谐振，需要加入有源阻尼策略，将u

式中，u

之所以作出上述调整，原因在于：由图1可得，在s域中入网电流i

其中，L、L

由于式(4)中的分母缺少阻尼项，因此系统存在一个谐振频率。当LCL滤波器谐振时，变流器不能稳定跟踪给定值，严重时甚至会造成系统崩溃，因此需要加入有源阻尼策略抑制LCL滤波器谐振。如图3所示，该方法具体为：

首先令i

i

最后，令电流高频分量i

本步骤中，为了抑制电网电压畸变，需要加入电网电压畸变抑制策略，将i

式中，i

之所以作出上述调整，其原因在于：如图1所示，根据电感L

其中，e为电网电压，式(7)显示出了u

与得到电流高频分量i

上面i

建立如下的变流器状态空间模型：

其中

将式(3)通过欧拉前向公式离散化，可得如下的交流预测模型(AC-MP)：

其中，x

上面输出给定值y

第二控制器(701)从能量管理系统(8)处获得入网有功功率和无功功率给定值P

式中，Q

根据上面得到的Q

式中，P

则输出给定值y

其中，公式左边即为输出给定值y

(二)直流母线中点电压预测模型(DC-MP)

根据变流器的交流侧桥臂电流i

则母线电容电流为：

式中，i

正极母线电容电压u

其中m

设直流母线中点电压u

u

式中，u

本步骤中，交流侧电流预测模型、直流母线中点电压预测模型均是第二控制器提前预设的，第二控制器只需在步骤1)中获取到当前时刻的电压电流采集值，代入预设好的交流侧电流预测模型中，能够确定下一时刻变流器输出电流和入网电流的预测值，进而求得该预测值与给定值的偏差i

步骤3)将步骤2)中得到的i

具体的，本发明的模型预测控制方法中，主要控制目标为入网功率，同时也要控制桥臂侧输出功率，令其对LCL滤波器发出的无功功率进行补偿；还需要控制直流母线重点电压平衡。因此本步骤中，设定的代价函数分为两部分，分别功率控制代价函数和直流母线中点电压控制代价函数。

根据系统工作特性，设计功率控制代价函数为：

其中，g

直流母线中点电压控制代价函数设计为：

其中，g

因此，总代价函数为：

g＝g

第二控制器首先遍历表1中控制集D的每个开关状态，分别利用步骤2)中的预测模型，计算出相对应的电流预测值和直流母线中点电压预测值(称为一组预测值)，随后进行代价函数寻优，每组预测值均可求得一个代价函数值g，最后，控制器选择令g最小的预测值所对应的开关状态作为下一个时刻控制量输出，即：

式中，S(k+1)表示下一时刻的控制量，即优选出表1中的某一组开关状态。

本发明的模型预测控制方法，具有以下优点：

(1)利用二阶广义积分(SOGI)传递函数，构建虚拟矢量建立控制器预测模型，设计合适的代价函数，实现变流器入网功率控制(即电流控制)以及直流母线中点电压平衡控制。

(2)建立虚拟矢量过程中考虑到滤波电容电流i

(3)建立虚拟矢量过程中考虑到公共耦合点电压u

以上是实现模型预测控制的优选实施例，作为其他实施方式，若不考虑滤波器谐振抑制问题，则在公式(3)中，无需对变流器中逆变器的两个桥臂中点电压u

将上式代替公式(3)，再进行本发明的模型预测控制即可。

需要说明的是，本发明的模型预测控制方法不仅适用于与光伏并网变流系统，还适用于其他新能源并网变流系统，如风力发电并网系统。

本实施例中，若不考虑直流母线中点电压平衡问题，则可以对控制器预测模型进行化简，即只包括交流侧电流预测模型，无需直流母线中点电压预测模型，预设的代价函数则相应改变，将总代价函数g改为功率控制代价函数g

系统实施例：

本实施例提出一种并网变流系统，以光伏并网变流系统为例，如图1所示，该系统包括光伏发电系统(1)，变流器模块(2)，LCL滤波器(3)，公共耦合点(PCC)(4)，直流侧电压采样电路(5)，交流侧电压电流采样电路(6)，控制模块(7)，能量管理系统(8)。其中控制模块(7)用于实现方法实施例中的模型预测控制方法，实现变流器跟随给定值输出功率，并且平衡直流母线中点电压，具体内容请参考方法实施例中的记载，本实施不再赘述。

光伏发电系统(1)中，光伏阵列(101)后接Buck-Boost变换模块(102)，实现升降压控制，不论光伏阵列电压高于还是低于直流母线电压，均能保证直流母线电压稳定在给定值。

能量管理系统(8)用于进行最大功率点(PCC)跟踪，生成直流母线给定值U

该并网变流系统中，将LCL滤波器(3)和线路阻抗L

本实施例中，第二控制器(701)，第一控制器(103)以及能量管理系统(8)的硬件构成装置主要包括：AD转换模块，TMS320F28335控制板，PWM输出模块等。

作为其他实施方式，本实施例中的并网变流系统还可以为其他新能源并网变流系统，将上述光伏发电系统改变为其他新能源发电系统即可。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。