一种LC滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法及设备

本发明涉及电网，具体涉及一种lc滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法及设备。

背景技术：

1、近年来，交流微电网在分布式能源系统中发挥着重要的作用，其可配置为并网或孤岛模式。电压源逆变器(vsi)是交流微电网和独立负载或电网之间的关键设备。当交流微电网运行在孤岛模式时，vsi需要继负载提供高质量的交流电压以作为理想的交流电压源。与l或lcl滤波型vsi相比，lc滤波vsi可以在产生正弦输出电压的同时抑制高频谐波，因此适用于独立运行的系统。针对lc滤波型vsi，为了探索出一种有效的控制方案，以在各种负载条件下实现低电压纹波、低总谐波失真(thd)和快速的动态性能。

2、为了控制输出电压，传统方法通常采用多回路的线性控制方法。尽管这种控制方法在实际中被广泛使用，但由于其级联的控制回路，导致动态性能有限，参数调整困难。与线性控制方法相比，模型预测控制(mpc)因其快速的动态响应以及灵活处理的多目标能力，是一种有效的替代方法。文献[p.cortes,g.ortiz,j.i.yuz,etal.model predictivecontrol of an inverter with output lc filter for ups applications.ieeetransactions on industrial electronics,2009,56(6):1875-1883.]首次提出了lc滤波型vsi的mpc方法，其通过离散的系统模型计算未来时刻的电压预测值，并利用价值函数选择最优的矢量。由于lc滤波器的电感电流和电容电压之间存在耦合效应，以单一电压为控制目标很难得到满意的电压性能。文献[t.model predictive control ofpower converters for robust and fast operation of ac microgrids.ieeetransactions on power electronics,2018,33(7):6304-6317.]在价值函数中加入电感电流追踪评估，实现了以电感电流和电容电压为双控制目标的价值函数评估，改善了电压质量。然而，基于mpc的输出电压性能依赖于精确的数学模型，建模的不确定性以及系统参数不可预见的变化会影响其稳态性能。

3、为了消除模型参数对预测控制的影响，已有学者研究了基于查询表(lut)的无模型预测控制(mfpc)方法。该方法原理简单，易于实现；其通过存储和更新一个控制周期中各个矢量作用下的电流梯度，实现鲁棒电流预测。然而，该方法需要更新未应用矢量作用下的电流梯度，否则将导致梯度更新的停滞现象，增大预测误差。为此，文献[lin cheng-kai,yujen-te,lai yen-shin,et al.improved model-free predictive current control forsynchronous reluctance motor drives.ieee transactions on industrialelectronics,2016,63(6):3942-3953.]设置了电流梯度的更新频率，即某个电流梯度在50个控制周期内没有被更新，控制系统将在下一个控制周期强制使用其对应的矢量，从而实现电流梯度的更新；文献[p.g.carlet,f.tinazzi,s.bolognani,et al.an effectivemodel-free predictive current control for synchronous reluctance motordrives,ieee transactions on industry applications,2019,55(4):3781-3790.]利用过去三个控制周期采样的电流梯度对剩余的电流梯度进行更新；文献[ma chenwei,lihuayu,yao xuliang,et al.an improved model-free predictive current controlwith advanced current gradient updating mechanism,ieee transactions onindustrial electronics,2021,68(12):11968-11979.]建立了两个控制周期间的电流梯度关系，并利用该关系更新剩余的电流梯度；文献[yu feng,zhou chenhui,liu xing,etal.model-free predictive current control for three-level inverter-fed ipmsmwith an improved current difference updating technique.ieee transactions onenergy conversion,2021,36(4):3334-3343.]通过应用矢量的幅值关系实现剩余梯度的更新；文献[c.a.agustin,yu jen-te,cheng yu-shan,et al.model-free predictivecurrent control for synrm drives based on optimized modulation of triple-voltage-vector,ieee access,2021,9:130472-130483.]在一个控制周期设置了三个采样点，通过多采样的方法提高了电流梯度的更新频率。目前，电流梯度的更新方法仍需被研究，且上述基于lut的mfpc方法均针对l滤波型vsi系统提出，lc滤波型mfpc下lut如何设计、梯度如何更新，尚未见讨论。

技术实现思路

1、本发明提出的一种lc滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法，可至少解决上述技术问题之一。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、一种lc滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法，包括以下步骤，

4、步骤一：建立lc滤波型电压源逆变器在αβ静止坐标系中的数学模型，根据其三相开关管状态得到八个基本电压矢量，分别为第一个基本电压矢量v0(0,0,0)、第二个基本电压矢量v1(1,0,0)、第三个基本电压矢量v2(1,1,0)、第四个基本电压矢量v3(0,1,0)、第五个基本电压矢量v4(0,1,1)、第六个基本电压矢量v5(0,0,1)、第七个基本电压矢量v6(1,0,1)、第八个基本电压矢量v7(1,1,1)；

5、步骤二：重构lc滤波型vsi的状态空间方程，实现电压和电流梯度的实时更新。

6、步骤三：根据步骤二中更新的电压和电流梯度以及采样的电压和电流，对未来时刻的电压和电流进行预测，并计算电压和电流参考。

7、步骤四：将步骤三中计算得到预测电压和预测电流代入价值函数，并选择权重因子，消除lc滤波导致的耦合效应；将八个基本电压矢量对应预测电压和预测电流代入价值函数进行评估，选择价值函数值最小的矢量作为最优矢量应用在下一个控制周期。

8、进一步的，所述步骤一具体如下：

9、将采样获得的三相电容电压(vca、vcb、vcc)、逆变器侧电感电流(iia、iib、iic)和三相负载电流(ioa、iob、ioc)进行克拉克坐标变换获得静止坐标系下的电容电压(vcα、vcβ)、静止坐标系下的逆变器侧电感电流(iiα、iiβ)和静止坐标系下的负载电流(ioα、ioβ)：

10、

11、

12、

13、所述lc滤波型vsi在静止坐标系中的数学模型为：

14、

15、其中，li为逆变器侧滤波电感；c为滤波电容；viα、viβ为静止坐标系下的基本电压矢量。

16、根据零阶保持方法，k+1时刻的电容预测电压和逆变器侧电感电流预测电流为：

17、

18、其中，φ11为第一个系数矩阵中第一行第一个系数，φ12为第一个系数矩阵中第一行第二个系数，φ21为第一个系数矩阵中第二行第一个系数，φ22为第一个系数矩阵中第二行第二个系数，γ11为第二个系数矩阵中第一行第一个系数，γ12为第二个系数矩阵中第一行第二个系数，γ21为第二个系数矩阵中第二行第一个系数，γ22为第二个系数矩阵中第二行第二个系数，第一个系数矩阵φ和第二个系数矩阵γ计算并表示为

19、

20、为lc滤波器的谐振频率，ts为控制周期。

21、为了消除模型参数对预测电流的影响，在每个控制周期中，采样得到的电容电压和电感电流可视为线性的。因此，在第k时刻采样的电容电压梯度和电感电流梯度可以表示为

22、

23、其中，δvcα(k–1)、δvcβ(k–1)为静止坐标系下的电容电压梯度；δiiα(k–1)、δiiβ(k–1)为静止坐标系下的电感电流梯度，其均由(k–1)时刻作用的基本电压矢量产生。同时，采样获得电压和电流梯度需要与应用的矢量相对应，并被存储在lut中用于电压和电流预测。

24、然而，仅通过电压和电流采样只能更新上一控制周期应用矢量作用下的梯度值，对于未应用的矢量，其对应的梯度值则无法更新，这种现象被称为停滞现象，其将增大预测误差，降低输出电压性能。

25、进一步的，所述步骤二具体如下：

26、为了消除停滞现象，式(5)可以重构为：

27、

28、由于式(8)中：vcα(k)–vcα(k–1)＝δvcα(k–1)，vcβ(k)–vcβ(k–1)＝δvcβ(k–1)且iiα(k)–iiα(k–1)＝δiiα(k–1)，iiβ(k)–iiβ(k–1)＝δiiβ(k–1)；当式(8)中基本电压矢量viα(k–1)、viβ(k–1)变为剩余矢量vjα(k–1)、vjβ(k–1)时，其剩余矢量对应的电压梯度δvcjα(k–1)、δvcjβ(k–1)和剩余矢量对应的电流梯度δiijα(k–1)、δiijβ(k–1)表示为：

29、

30、其中，j∈{0,1,…7}且j≠i。通过公式(8)和公式(9)相减，可以得到：

31、

32、为了消除参数γ21和γ11，可以通过一步递推得到(k–2)时刻的电压电流梯度关系并表示为：

33、

34、将式(10)和式(11)相除得到剩余应用矢量vjα(k–1)、vjβ(k–1)作用下的电容电压梯度(δvcjα(k–1)和δvcjβ(k–1))和电感电流梯度(δiijα(k–1)和δiijβ(k–1))并表示为：

35、

36、根据式(12)可知，电流梯度的计算会受公式分母数值的影响。当分母不为0时，其可以进一步化简为：

37、

38、当分母为0时，根据公式(10)可知，当矢量的坐标分量相等时，其对应的电压和电流梯度也相等。因此，更新公式(12)可以重新表达为：

39、

40、因此，本发明实现了在每个控制周期内所有电压和电流梯度的实时更新，完全消除了停滞现象。

41、进一步的，步骤三具体如下：

42、根据每个矢量作用的电压和电流梯度，(k+1)时刻的预测电压和预测电流可以表示为：

43、

44、为了补偿一步控制延时，(k+1)时刻的预测电压和电流可以表示为：

45、

46、其中，δvcα(k+1)、δvcβ(k+1)和δiiα(k+1)、δiiβ(k+1)为八个基本电压矢量作用下的电压和电流梯度；

47、此外，电压参考和电流参考可以表示为：

48、

49、其中，vcref为电容电压参考，iiref为逆变器侧电感电流参考，vref为电容电压参考幅值，ωref为电容电压参考角频率。

50、进一步的，步骤四具体如下：

51、为了得到最优的矢量并应用在下一控制周期，需要将八个基本电压矢量对应的电压和电流梯度代入式(18)，并将得到8个电压和电流预测代入双目标价值函数进行评估，价值函数可以表示为：

52、gd＝gv+λgi                         (37)

53、其中，gd为双目标价值函数，gv为电容电压价值函数，gi为逆变器侧电感电流价值函数，λ为权重因子。

54、

55、其中，vcαref、vcβref为静止坐标系下的电容电压参考，iiαref、iiβref为静止坐标系下的电感电流参考。

56、最终选择使价值函数最小的矢量作为最优矢量，应用在下一个控制周期。

57、另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储设备，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

58、由上述技术方案可知，本发明的lc滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法，针对lc滤波型电压源逆变器，若采用传统模型预测控制方法时，其输出电压性能依赖于精确的数学模型，当控制器参数与实际参数不匹配时，输出电压预测误差显著增加。因此，本发明提出一种lc滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法，建立了基于电压和电流双梯度的lut，通过计算和存储上一时刻应用矢量作用下的电压和电流梯度，并结合当前时刻的采样值，实现未来时刻电压和电流的无模型预测，提高了预测控制的鲁棒性；重构了状态空间预测方程，根据应用矢量作用下的电压和电流梯度实时更新未应用矢量的梯度值；使用电压和电流双目标的价值函数进行跟踪评估，消除二阶lc滤波器中状态变量的耦合效应，进而选取下一控制周期最优的矢量。

59、总的来说，本发明提出的lc滤波型电压源逆变器无模型预测控制方法，采用测量的电压和电流双梯度消除预测控制对系统参数的依赖，提高了参数鲁棒性，根据重构不同电压矢量的状态空间方程，在每个控制周期更新了所有的电压和电流梯度数据，消除了梯度更新停滞带来的不利影响。本发明采用的控制方式可很好地解决传统模型预测控制方法对模型参数依赖强的问题，尤其适用于线路阻抗频繁变化的孤岛微电网系统。

60、具体的说，本发明采用电压电流双梯度的无模型预测控制方法，可以有效的提高预测控制对模型参数变化的鲁棒性。通过重构状态空间方程，提出了一种改进的电压电流梯度更新方法，实现了电压电流梯度的实时更新，有效避免了梯度更新停滞导致的电压谐波。