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与流程

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。

背景技术：

1、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)。

2、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pref和qref进行比较后的差值送入功率滞环比较器环节得到开关信号sp和sq，然后结合不同的扇区在开关表中选择所需要的驱动信号来驱动主电路开关管，完成逆变器控制。

3、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sp和sq就会受有功和无功功率的滞环宽度hp和hq影响。当hp和hq取值越小，控制器对输出功率的变化也愈加敏感，开关信号频率也更高，所以该方法难以实现恒定的开关频率，并会造成频率不固定的电流谐波，给滤波器的设计带来困难。因此，有研究者提出了固定开关频率的dpc策略，即用pi控制器来代替原来的滞回比较器，该方法却造成系统对参数变化比较敏感，且控制的快速性有所降低。如何实现固定的开关频率和更高的功率控制精度，是本领域的重要技术课题之一。

技术实现思路

1、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。

2、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。

3、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xα，xβ，xα，xβ经过全通滤波器实现移相90°的操作来实现正负序分离。

4、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：

5、步骤s1、功率预测；

6、步骤s2、解多目标代价函数；

7、步骤s3、功率补偿；

8、步骤s4、svpwm调制。

9、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。

10、优选的，步骤s1的具体过程为：

11、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：

12、

13、其中，us＝[eαeβ]t为电网电压矢量，u＝[vαvβ]t为逆变器电压矢量，is＝[iαiβ]t为逆变器输出电流矢量，l和r分别为滤波电感及其寄生电阻；

14、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：

15、

16、其中，j为虚数单位，为电流矢量is的共轭复数；

17、在静止坐标系中进一步计算可得：

18、

19、为了预测下一时刻功率变化情况，对上式进行求导运算：

20、

21、由公式(1)，得电感电流在静止坐标系中的微分表达式：

22、

23、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：

24、

25、其中，ωs为电网额定角频率，|us|为电网电压的幅值；

26、根据式(6)得电网电压的导数：

27、

28、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：

29、

30、其中，eα、eβ、iα、iβ在每一时刻均由采样得到，为已知量；

31、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：

32、

33、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：

34、

35、式中，ts为控制系统的采样周期，p(k)、q(k)分别为当前采样时刻的瞬时功率值，a、b分别为t＝k时有功功率及无功功率的变化率，p(k+1)和q(k+1)为预测到的下一采样周期的瞬时功率值。

36、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：

37、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：

38、j＝[pref(k+1)-p(k+1)]2+[qref(k+1)-q(k+1)]2 (11)

39、根据前向欧拉法所获的p(k+1)、q(k+1)将上式改写为：

40、j＝[pref (k)-p(k)-ats]2+[qref (k)-q(k)-bts]2 (12)

41、其中，pref(k+1)等于pref(k)、qref(k+1)等于qref(k),分别为有功功率以及无功功率的参考定值；

42、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；

43、利用数学中求极值的思想，使j对vα和vβ分别求偏导数并令其为零，反解得到vα和vβ，即所要求的最佳电压矢量。

44、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：

45、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+和负序分量f-之和；通过计算可知，在不平衡电网中有功功率和无功功率分别表示为三个分量之和：

46、

47、其中，p0和q0为控制系统输出的有功功率和无功功率直流稳态，p1，p2，q1和q2为二倍频功率振荡分量；

48、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p1以及q1需要被消除掉，则此时控制系统的瞬时有功功率以及无功功率被表示为：

49、

50、其中，p0'和q'0为可按原给定功率参考控制的稳态功率分量，p2和q2为功率补偿分量，应当被注入到原始功率参考，以消除负序电流分量，获得平衡和正弦性较好的电网电流；

51、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：

52、

53、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：

54、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；

55、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；

56、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te、tf、tg，并根据表格查找在不同扇区三组矢量的切换时间顺序，接着，将三个矢量的切换时间点t1、t2和t3与三角载波进行对比，生成各桥臂的驱动信号。

57、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。

58、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pref(k)、qref(k)之间误差最小的条件，即得到逆变器参考输出电压；功率补偿是对于不平衡电网，计算功率补偿量来消除负序电流分量；svpwm调制是对参考电压进行调制，得到各桥臂的开关信号；相较于传统查表型直接功率控制，该预测模型可以固定开关频率和保证瞬时功率能有效跟踪参考功率，且对于不平衡电网条件，能灵活地改变功率基准，满足不同的控制目标。