一种三相并网逆变器的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三相并网逆变器的输出电流两步预测控制方法，属于电力技术领 域。
【背景技术】
[0002] 对于三相电压型并网逆变器，常用的控制方式主要有滞环控制、线性PI控制等。滞 环控制有很好的动态响应，但需要很高的采样频率，会给逆变器带来较大的开关损耗。传统 的PI控制方法存在的问题是，模型的互相耦合对系统性能不利，同时比例积分控制器的参 数设计与选择比较繁琐。
[0003] 近年来，随着数字信号处理器运算速度的提高，出现了一些新型的智能控制方法， 如模糊控制、自适应控制，滑模变结构控制、模型预测控制等。其中，模型预测控制是一种新 型的预测控制策略，该策略需要建立一个能预测将来行为的系统模型，为预测将来行为，通 常构造一个价值函数，选择使这个价值函数达到最小值的最佳开关函数组合，就可以使预 测值接近目标值。运用于逆变器控制方面的模型预测控制通常含有限个状态变量，所有变 量的状态可以在线评估。这类方法具有建模直观、易于理解、控制直接、易于处理系统约束 且无需使用PWM脉宽调制及相关参数调节等优点，已成为当前逆变器预测控制领域的主要 研究方向。
[0004]目前应用于逆变器控制中的模型预测控制策略已经很多，但现有的控制策略一般 都是基于模型预测控制算法的基本原理实施一步预测，其算法具有保守性，且仅能确保所 选择的开关函数组合在一个控制周期内是最优的，严重影响了控制性能。
[0005] 有的文献提出在一个控制周期内同时考虑最优开关函数组合及次优开关函数组 合，并确保在多个控制周期内所选开关函数组合最优的多步预测FCS-MPC算法（finite control set model predictive control with multi-step prediction，FCS_MPCMSP)〇 但其算法运算量大，实用性不强，且只对输出电压进行了预测研究。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种三相并网逆变器的控制方法， 在保证控制性能的同时，能够减小算法的运算量，节约大量控制预判时间。
[0007] 本发明所述问题是以下述技术方案解决的：
[0008] 一种三相并网逆变器的控制方法，所述方法首先在αβ坐标系下建立三相并网逆变 器的输出电流预测模型，然后利用建立的预测模型，采用两步预测算法求得控制三相并网 逆变器的最优开关函数组合，最后利用三相并网逆变器的最优开关函数组合对逆变器的各 个开关器件进行控制，所述方法包括以下步骤：
[0009] a.建立三相并网逆变器的输出电流预测模型：
[0010]
[0011] 其中，L为连接在并网逆变器与电网之间的滤波电感，R为与滤波电感L串接的电 阻，ia(k)和ifs(k)为tk时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电流分量，i a(k+l)和ifs(k+l)为tk+i 时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电流分量，Ua (k)和ue (k)为tk时刻αβ坐标系下的并网逆 变器输出电压分量，ea(k)和ep(k)为tk时刻αβ坐标系下的电网电压分量，Ts为米样周期；
[0012] b.在时刻利用预测模型计算并网逆变器输出电流在tk时刻的预测值ia(k)和ie (k)：
[001；
[0014] 式中，ia(k-l)和ifs(k-l)为tk-1时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电流分量，u a(k-1)和up(k-l)为tk-1时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电压分量，ea(k_l)和ep(k-l)为tk-1时 刻αβ坐标系下的电网电压分量。
[0015] c.利用预测模型计算出在逆变器所有有效开关函数组合分别作用下的并网逆变 器输出电流在tk+1时刻的预测值i ai(k+l)和iei(k+l)，i = l，…，η，η为逆变器有效开关函数 组合的个数；
[0016] d.在η组iai(k+l)和iei(k+l)的基础上，利用预测模型计算出在逆变器所有有效开 关函数组合分别作用下的并网逆变器输出电流在t k+2时刻的预测值iaij(k+2)和im(k+2)，j = 1，···，η;
[0017] e.对并网逆变器输出电流在tk+2时刻的每组预测值iaij(k+2)和??^(1?+2)，计算其 选择性能指标优化的函数值：
[0018]
[0019] 式中，ζ(Α + .2)和4(? + 2)为tk+2时刻的参考电流分量；
[0020] f.从上述计算结果中找出最小的选择性能指标优化的函数值，则该函数值所对应 的tk+1时刻所实施的开关函数组合S(t k)即为控制三相并网逆变器的最优开关函数组合；
[0021] g.利用tk+1时刻三相并网逆变器的最优开关函数组合对逆变器进行控制。
[0022] 上述三相并网逆变器的控制方法，为了减少计算量，在预测了 tk+1时刻并网逆变器 输出电流的预测值iai (k+Ι)和ifii (k+1)，i = 1，…，η之后，对并网逆变器输出电流在tk+1时刻 的每组预测值iai(k+l)和i ei(k+l)，计算其选择性能指标优化函数值：
[0023]
[0024] 式中，以* + 1)和40 + 1)为tk+1时刻的参考电流分量，在预测tk+2时刻并网逆变器的 输出电流时，仅在f gu最小和次小的两组电流预测值的基础上进行计算。
[0025] 上述三相并网逆变器的控制方法，tk+2时刻的参考电流分量ζ (? + 2)和+ 2)由二 阶线性插值预测得到：
[0026]
[0027] 式中，ξ:⑷和心⑷为tk时刻的参考电流分量，和为tk-1时刻的参 考电流分量。
[0028] 本发明在建立三相并网逆变器输出电流预测模型的基础上，采用两步预测控制算 法对并网逆变器进行控制，同现有的逆变器控制方法相比，本方法不仅运算量小，而且具有 理想的控制性能。
【附图说明】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0030] 图1是三相并网逆变器电路图；
[0031] 图2是模型两步预测控制原理，其中(a)为完全两步预测，（b)为部分两步预测；
[0032] 图3是一步预测A相电压与A相电流波形;优化性能的函数f g最小值曲线f gmin ;
[0033] 图4是完全两步预测A相电压与A相电流波形，优化性能的函数fg最小值曲线fgmin;
[0034] 图5是部分两步预测A相电压与A相电流波形，优化性能的函数fg最小值曲线fgmin;
[0035] 图6是参考电流突变下的一步预测仿真波形，THD为2.09% ;
[0036]图7是参考电流突变下的完全两步预测仿真波形，THD为2.06% ;
[0037]图8是参考电流突变下的部分两步预测仿真波形，THD为2.01%;
[0038] 图9是两种坐标系不意图。
[0039]图中和文中各符号为:L为连接在并网逆变器与电网之间的滤波电感，R为与滤波 电感L串接的电阻，ia(k-l)和ifi(k-l)为时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电流分量，ia (k)和ifi(k)为tk时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电流分量，ia(k+l)和if!(k+l)为tk+1时刻 αβ坐标系下的并网逆变器输出电流分量，Ua (k-1)和Uf! (k-1)为tk-1时刻αβ坐标系下的并网逆 变器输出电压分量，Ua(k)和up(k)为tk时刻αβ坐标系下的并网逆变器输出电压分量，ea(k-1)和ep(k_l)为tk-i时刻αβ坐标系下的电网电压分量，ea(k)和ep(k)为tk时刻αβ坐标系下的 电网电压分量，Ts为采样周期，i ai(k+l)和iei(k+l)为在第i种有效开关函数组合作用下并 网逆变器输出电流在tk+时刻的预测值，iaij(k+2)和为在iai(k+l)和ieKk+l)的基 础上利用预测模型计算出的在第j种有效开关函数组合作用下的并网逆变器输出电流在 tk+2时刻的预测值，fgil为iai(k+l)和if!i(k+l)的选择性能指标优化函数值，fgij2为iaij(k+2) 和ifiij (k+2)的选择性能指标优化函数值，C(/f + 2)和_$(&+2)为tk+2时刻的参考电流分量， C(/f + l)和/^ + 1)为tk+1时刻的参考电流分量，"岣和/丨⑷为tk时刻的参考电流分量， /；： ( A： -和冬- 1)为tk-!时刻的参考电流分量，ia、ib、iC为并网逆变器输出电流;UaN、UbN、U CN 为并网逆变器输出电压;UnN为电网电压的中性点与直流母线的负极之间的电压;ea、eb、 ec^ 别为三相电网电压。
【具体实施方式】
[0040] 1、三相并网逆变器预测模型
[0041] 三相电压型并网逆变器的拓扑结构如图1所示，并网逆变器通过滤波电感L、电阻R 和电网相连。
[0042] 系统的模型是用来预测系统未来时刻的状态变量，根据基尔霍夫电压定律，逆变 器输出电流动态方程为：
[0043] (1)
[0044] 式中，ia、ib、ic为并网逆变器输出电流;u aN、ubN、ucN为并网逆变器输出电压;unN为电 网电压的中性点与直流母线的负极之间的电压;ea、eb、ec分别为三相电网电压。假定三相电 网电压平衡（e a+eb+ec = 0)，三相并网逆变器输出电流在静止αβ坐标系下的电流动态方程 为：
[0045]
[0046]对式(2)进行离散化，可得
[0047] 0)
[0048]式中，Ts为采样周期。[0049] 由式(3)可得
[0050] )
[0051] 式(4)构成了逆变器的电流预测模型，Ua(k)和ue(k)通过由开关矢量与直流电压乘 积得到的三相输出电压UaN、UbN、UcN经Clarke公式求得。e a(k)和ef!(k)为tk时刻αβ坐标系下的 电网电压分量，采用前一采样时刻的历史数据在线估算得到，这样可以更加精确地估计电 网电压