本发明涉及单相逆变器控制领域，具体涉及一种单相逆变器的改进模型预测控制方法。
背景技术：
单相逆变器被广泛应用于光伏并网、直流微电网以及电动汽车等新能源领域。采用单相逆变器的目的是实现电能从直流到交流的转变。因此，确保输出电流为正弦波形是单相逆变器控制的主要目标。模型预测控制是一种离散控制方法。在不同的开关状态下，逆变器输出的电压状态不同。在每一个采样时刻，在不同的可选输入电压状态下，预测下一个采样时刻的输出电流值，选择与参考电流差值最小的预测电流值所对应的开关状态作为控制器的输出即实现了逆变器的模型预测控制。其优点是逻辑简单，鲁棒性强。但是，传统的模型预测控制采样一次控制一次，为了达到较好的输出电流控制效果，采样控制频率设置在较高的水平，需要采样率较高的电压电流采集电路，导致硬件复杂化且增加成本。因此，如何在保证控制效果的情况下降低采样效率，降低采样电路的负载型从而降低成本，是单相逆变器模型预测控制所面临的问题之一。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种单相逆变器的改进模型预测控制方法，其在保证较好的控制效果的基础上，降低采样率，从而达到减小采样电路复杂性、降低成本的目的。
为实现上述目的，其采用的技术方案是：
一种单相逆变器的改进模型预测控制方法，其通过在一个采样周期内设置多个控制时刻来控制单相逆变器的输出；在每个采样周期内，首先对输出电流进行采样得到实际电流值，以实际电流值作为反馈量，预测下一个控制时刻在不同的电压状态下的输出电流值，得到下一控制时刻的预测电流值；然后通过对下一控制时刻预测电流值进行遍历，确定与参考电流最接近的电压状态作为单相逆变器在该控制时刻的输出；
在该采样周期的第二个控制时刻，以当前时刻的预测电流值作为电流的反馈量，预测下一个控制时刻在不同的电压状态下的输出电流值，得到下一控制时刻的预测电流值；然后通过对该下一控制时刻的预测电流值进行遍历，确定与参考电流最接近的电压状态作为单相逆变器在第二个控制时刻的输出，以此类推，直至下一个采样周期。
所述单相逆变器的每个控制时刻在进行模型预测控制时，具体执行以下步骤：
步骤1、确定当前控制时刻的反馈量；
将当前控制时刻记为第k个控制时刻，根据采样周期内执行的控制次数n，计算第k个控制时刻所处的采样周期k，以及第k个控制时刻在采样周期k内的控制时刻l，具体如下：
其中，mod(k,n)表示求k除以n的整数值，rem(k,n)表示取余运算，l是自然数且l≤n；
当k能够被n整除余1，则第k个控制时刻的反馈量等于该控制时刻采样值；在其他时刻，反馈量等于在该时刻的预测值，表达式如下：
其中，if(k,l)表示单相逆变器第k个采样周期第l个控制时刻的反馈量；i(k,l)表示单相逆变器第k次采样周期内第l次控制时刻的实际电流值；
步骤2、根据当前控制时刻的反馈量，预测下一控制时刻在不同的电压输出状态下的电流值，得到下一控制控制时刻的预测电流值，具体如下：
其中，
步骤3、计算不同输出状态下的标量函数值j(k)|s1,j(k)|s2和j(k)|s3，其表达式如下：
其中，i*(k+1)为的第k+1控制时刻的输出电流的参考值；
步骤4、比较标量函数j(k)|s1，j(k)|s2和j(k)|s3的大小，选择最小值j(k)|sm，m∈{1,2,3}；若m＝1，则第k个控制时刻的逆变器输出为状态s1；若m＝2，则第k个控制时刻的逆变器输出为状态s2；若以上皆非，才选用状态s3作为逆变器的输出；同时，记第k+1个控制时刻的预测电流值
所述采样周期内执行的控制次数n＝fc/fs，其中，fc为单相逆变器的控制频率，fs为单相逆变器的采样频率，n为大于1的自然数，其取值范围为2-5。
所述单相逆变器的采样频率fs为10khz到20khz。
采用上述方案后，在确保输出电流控制效果的前提下，实现了一次采样多次控制，降低了控制系统对采样单元的硬件要求，从需求上减少了采样电路的复杂性并降低了硬件的成本。
附图说明
图1为单相逆变器的工作电路；
图2为采用本发明的预测控制方法实现的单相逆变器的输出电流跟踪效果；
图3为采用本发明的预测控制方法实现的单相逆变器的输出电流的误差；
图4为本发单相逆变器的输出电流的频谱分析图。
具体实施方式
本发明揭示了一种单相逆变器的改进模型预测控制方法，其在一个采样周期内设置多个控制时刻来控制单相逆变器的输出；在每个采样周期内，首先对输出电流进行采样得到实际电流值，以实际电流值作为反馈量，预测下一个控制时刻在不同的电压状态下的输出电流值，得到预测电流值；然后通过对预测电流值进行遍历，确定与参考电流最接近的电压状态作为单相逆变器在该控制时刻的输出。在该采样周期的第二个控制时刻，由于不采样，以当前控制时刻的预测电流值作为电流的反馈量进行模型预测控制得到单相逆变器在随后控制时刻的输出，重复以上过程直到下一个采样周期到来；然后在单相逆变器下一个采样周期的模型预测控制。
单相逆变器的电路原理图如图1所示，单相逆变器通过电阻和电感串联的滤波器与反向电动势相连。其中，电阻值是r，电感值是l，反向电动势是ug，单相逆变器直流端的电压记为vdc。单相逆变器的输出电流为i，单相逆变器的输出电流的参考值为i*，为标准的基波正弦信号。单相逆变器输出电流有三种状态，输出为vdc记为状态s1，输出为0记为状态s2，输出为-vdc记为状态s3。
对图1所示的单向逆变器进行模型预测控制，其采样频率为fs，采样频率为fs为设定值，其一般为10khz到20khz。采样周期内执行的控制次数即控制时刻的数量为n，n＝fc/fs，fc为控制频率，n为大于1的自然数，其取值范围为2-5。
则该单相逆变器的第k个控制时刻的模型预测控制具体如下：
步骤1、确定第k个控制时刻的反馈量；
首先，在第k个控制时刻，根据已知的n，计算对应的k和l，其中，k为第k个控制时刻所处的采样周期数，l为第k个控制时刻所处采样周期内的控制时刻。k＝(k-1)*n+l。换言之，
其中，mod(k,n)表示求k除以n的整数值，rem(k,n)表示取余运算，l是自然数且l≤n。
然后，求取第k个控制时刻的反馈量，如果k能够被n整除余1，则有反馈值等于该控制时刻采样值；在其他时刻，反馈量等于在该时刻的预测值。表达式如下：
其中，if(k,l)表示单相逆变器第k个采样周期第l个控制时刻的反馈量；i(k,l)表示单相逆变器第k次采样周期内第l次控制时刻的实际电流值；
步骤2、根据单相逆变器第k个控制时刻的反馈量，预测第k+1个控制时刻在不同的电压输出状态下的电流值，得到第k+1个控制时刻的预测电流值，具体如下：
其中，tc＝1/fc，表示控制周期；ug(k)表示反向电动势在第k个控制时刻的值。由于反向电动势频率和幅值已知，故ug(k)为已知值。
步骤3、计算不同输出状态下的标量函数j(k)|s1,j(k)|s2和j(k)|s3，计算方法如下：
步骤4、比较标量函数j(k)|s1，j(k)|s2和j(k)|s3的大小，选择最小值j(k)|sm，m∈{1,2,3}；若m＝1，则第k个控制时刻的逆变器输出为状态s1；若m＝2，则第k个控制时刻的逆变器输出为状态s2；若以上皆非，才选用状态s3作为逆变器的输出。同时，记第k+1个控制时刻的预测电流值
图2为单相逆变器的输出电流跟踪效果，图3为单相逆变器输出电流误差，从图2和图3可知，采用本发明的模型预测方法能够有效保证单相逆变器输出正弦波形，且误差小。图4为单相逆变器的输出电流的频谱分析图，其中，总谐波失真thd＝1.92％<5％,已经满足国标gb/t14549-93要求。
综上，在确保输出电流控制效果的前提下，实现了一次采样多次控制，降低了控制系统对采样单元的硬件要求，从需求上减少了采样电路的复杂性并降低了硬件的成本。
以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。