一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置

本发明涉及一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，属于新能源并网变换器分析与控制。

背景技术：

1、光伏发电是一种将太阳能直接转化为电能的技术，已作为清洁能源在全球范围内广泛使用。然而，在光伏电力系统的最大功率点跟踪算法和控制策略的研究中，使用实际的光伏组件无法任意调节天气和负载来改变其输出功率。光伏模拟装置具有任意的可调节性和低成本效益，在科研和工程调试中广泛使用。由于光伏模拟装置在光伏电力系统的实验测试中作为电源，其输出响应时间必然影响测试结果的有效性和可靠性。

2、为了最大程度降低光伏模拟装置对光伏电力系统测试的影响，其输出端的响应时间应该尽可能接近真实的光伏组件。然而，现有光伏模拟装置的响应时间为光伏组件的数倍，对光伏电力系统的测试产生干扰和限制。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，能够大幅度降低其响应时间，还原真实光伏组件的瞬态特性。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，包括参考值计算模块、无差拍预测电流控制器和调制控制模块，所述参考值计算模块通过光伏阵列模型实现，光伏阵列模型实时采集输出电压upv，结合已设定的最大功率点电压um、最大功率点电流im、短路电流isc和开路电压uoc计算其输出电流参考值iref；

4、所述无差拍预测电流控制器接收计算后的电流参考值，通过推导电力电子变换器的离散模型来得到电感电流的无差拍控制规律，将当前时刻采集到的直流母线电压udc、输出电压upv、当前时刻的电感电流电感值l、上一时刻的占空比dn-1和电流参考值iref送入无差拍预测电流控制器，得到下一时刻的占空比参考值dn；

5、计算出的占空比参考值dn在下一时刻开始时自动更新，调制控制模块通过调制环节得到绝缘栅门极晶体管(insulated gate bipolar translator，igbt)的触发信号，经驱动电路后对绝缘栅门极晶体管进行实时控制，使得快速响应光伏模拟装置的输出电流能够跟踪其参考值。

6、优选的，为了消除无差拍预测电流控制器的稳态误差，引入积分补偿环节修正电流参考值作为无差拍预测电流控制器的电流参考值输入，即将光伏阵列模型计算得到的电流参考值iref与反馈值做差作为积分补偿环节的输入，经积分补偿环节后的输出与电流参考值相加后作为无差拍预测电流控制器的修正参考值，从而实现输出电流无静差跟踪。

7、优选的，无差拍预测电流控制器的实现步骤为：

8、(1)快速响应光伏模拟装置的等效dc-dc拓扑

9、快速响应光伏模拟装置的等效dc-dc拓扑可以等效为降压转换器进行分析，如图2所示。当在dc-dc转换器中使用无差拍预测电流控制策略时，必须对电感器电流进行精确建模，以获得控制变量的正确预测值；

10、当开关管导通时，电感电流的表达式如下：

11、

12、其中，l是降压转换器的电感值，il1是开关管导通时电感器电流的值，uon是等效降压变换器在开关管导通时的输出电压，udc是直流母线电压；

13、当开关管关断时，电感电流的表达式如下：

14、

15、其中，il2是开关管关断时电感器电流的值，uoff是等效降压变换器在开关管关断时的输出电压；

16、当降压转换器工作在稳态时，在单个开关周期内电感的能量在吸收和消耗之间平衡，由于单个开关周期的持续时间较短，认为在该开关周期内输出电压恒定不变，因此，开关管的输出电压在单个开关周期内不变，如下式：

17、uon＝uoff (3)

18、(2)快速响应光伏模拟装置的电感电流精确建模

19、假设在时间tn时刻电感电流的值是il,n，如果在tn时刻，占空比与在上一时刻tn-1的占空比的值相同，那么在tn+1时刻，电感电流的计算表达式如下：

20、

21、其中，dn-1是tn-1时刻的占空比，是当此占空比在下一个时刻不发生变换时，电感电流在tn+1时刻的理论值，ts是等效降压变换器的开关周期；

22、当占空比在tn时刻改变为dn，那么在tn+1时刻，电感电流的值可以表示为这个过程可以用图3来详细描述。

23、(3)无差拍预测电流的控制规律

24、和之间的关系如下式所示：

25、

26、式(5)表明，如果在tn时刻，占空比由dn-1变为dn，那么在tn+1时刻，电感电流将会由变为所以，如果令电感电流的参考值等于则可得到快速响应光伏模拟装置的无差拍预测电流控制规律，如式(6)所示：

27、

28、其中，il,n+1|ref是tn+1时刻电感电流的参考值。

29、本发明未详尽之处，均可参见现有技术。

30、本发明的有益效果为：

31、本发明一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，基于电感在吸收和耗散阶段的能量平衡，研究了光伏模拟装置中输出电感的电流控制规律，从而建立了所需的无差拍预测电流控制模型。通过积分环节补偿消除了延时环节、参数失配等非线性因素引起的电流跟踪的稳态误差，使其能够在工程上广泛应用。本发明的光伏模拟装置的瞬态响应时间可以减少到1.1ms，远短于传统的光伏模拟装置，可以最大程度的还原真实光伏组件的瞬态特性，减小此响应时间对光伏并网逆变器性能测试的干扰。

技术特征：

1.一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，其特征在于，包括参考值计算模块、无差拍预测电流控制器和调制控制模块，所述参考值计算模块通过光伏阵列模型实现，光伏阵列模型实时采集输出电压upv，结合已设定的最大功率点电压um、最大功率点电流im、短路电流isc和开路电压uoc计算其输出电流参考值iref；

2.根据权利要求1所述的基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，其特征在于，为了消除无差拍预测电流控制器的稳态误差，引入积分补偿环节修正电流参考值作为无差拍预测电流控制器的电流参考值输入，即将光伏阵列模型计算得到的电流参考值iref与做差作为积分补偿环节的输入，经积分补偿环节后的输出与电流参考值相加后作为无差拍预测电流控制器的修正参考值。

3.根据权利要求2所述的基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，其特征在于，无差拍预测电流控制器的实现步骤为：

技术总结
本发明涉及一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置，属于新能源并网变换器分析与控制领域。与实际的光伏组件相比，光伏模拟装置的输出端存在响应时间。目前广泛使用的光伏模拟装置的响应时间较长，无法满足高性能光伏并网变流器的性能测试。因此，本发明了一种基于无差拍预测电流控制的快速响应光伏模拟装置。基于电感能量的吸收和耗散平衡，推导光伏模拟装置中电感电流在单个开关周期内的变化规律，建立所需的无差拍预测控制模型。通过积分补偿环节消除延时、系统参数失配等各种非线性因素产生的稳态误差，使其能够在工程中广泛应用。本发明快速响应光伏模拟装置的响应时间可减少至1.1ms，远小于已广泛使用的光伏模拟装置。

技术研发人员：李可军,宋苑宗,刘智杰,黄振山,李钰传
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11