基于并网逆变器的新型多代价函数MPDPC研究_李磊.pdf

第 卷 第 期 年 月电 子 器 件 .收稿日期：修改日期：，（），；，；，）：，：；：基于并网逆变器的新型多代价函数 研究李 磊，强耀东，袁 辉，傅洪全（内蒙古电力（集团）有限责任公司，内蒙古 呼和浩特；北京电无忧科技有限公司，北京；华北电力大学高压与电磁兼容北京重点实验室，北京）摘 要：模型预测直接功率控制方法简单，响应速度快，被广泛应用于并网逆变器系统。本文首先介绍了现有的模型预测直接功率控制的原理，建立了相对应的模型预测控制数学模型。然后在现有理论的基础上，提出了多代价函数模型预测直接功率控制，通过增加代价函数的数量，让系统跟随功率偏差确定合适的代价函数，提高了控制系统的可选择性。最后，搭建了多代价函数模型预测直接功率控制的仿真模型和实验样机，证实了所提多代价函数直接功率控制策略的正确性和有效性。关键词：并网逆变器；模型预测控制；直接功率控制；多代价函数中图分类号：文献标识码：文章编号：（）近年来能源危机与环境污染问题日益严重，开发和研究新能源已成为世界发展的一大趋势。新能源发电领域的不断发展进一步促进了并网逆变器的应用，对于并网逆变器的研究已成为新能源并网领域的一大研究热点。三相并网逆变器相对单相并网逆变器而言电压等级更高，可以驱动大功率设备，功率密度较高，并网效果好，可以更好地应用于光伏或风电等新能源领域。三相并网逆变器因其负载是电网的特殊性，故判断其性能不仅仅是传统的效率和可靠性等因素，还要考虑其输出的并网电流的谐波含量（，）与并网电流与电网电压的功率因数，这主要取决于控制策略的优化，目前主要的控制策略有：控制，滞环控制，矢量控制，直接功率控制，模型预测控制等。控制是最经典的控制方式，控制结构简单，实现方便，但电网中控制的变量为正弦波，控制用在并网逆变器中会产生一定的稳态误差，控制精度不高。文献在 控制的基础上提出了 控制，可以消除稳态误差，但 控制传递函数的带宽很窄，一旦电网频率发生波动，控制效果会急剧下降。滞环控制只需要设置环宽和给定电流，控制简单，环宽越小，控制精度越精确，但其采样频率会很高，对控制器有一定的要求。矢量控制通过对并网电流进行矢量分解来控制逆变器的输出，其动态响应迅速，控制方便，但其缺点在于需要进行一系列繁琐的坐标变换，同样对控制器的要求较高。电 子 器 件第 卷文献提出了直接功率控制（，），首先采样瞬时电压与电流，计算出瞬时功率，与给定的功率作比较，然后将差值送入 控制器或滞环比较控制器计算后，选择相应的开关表，得到驱动信号。该控制策略抗干扰性强，控制简单，动态响应迅速，但开关表在 控制中决定着并网逆变器控制效果的优劣，开关表的选取一直是 控制的难点，文献针对不同的侧重点对直接功率控制的开关表提出了改进，但改善效果均不理想。模型预测控制首先根据应用的系统建立一个数学模型，该数学模型可以体现当前时刻与下一时刻的变量关系，即可以实现预测功能，为实现预测功能，需要构造一个代价函数，也就是被跟踪量与给定量之间的误差，要让这个误差最小，就需要选择合适的代价函数。近年来，结合模型预测控制与直接控制的模型预测直接功率控制（，）被广泛应用于三相并网逆变器系统中。模型预测直接功率控制以预测代价函数来代替直接功率控制中的开关表，将不定的开关表转换为可控的代价函数，解决了直接功率控制误差较大的缺点。同时，模型预测直接功率控制的控制量是有功功率与无功功率，与电流不同的是，在系统运行过程中，功率是一个定值，可以进一步减小控制的误差，降低控制的难度。但传统的模型预测直接功率控制的代价函数为有功功率误差与无功功率误差的和，只能起到控制平均功率的作用，对电流的控制稍弱，会导致并网电流谐波较大，在电流控制效果上比普通的 控制还要差。本文在传统模型预测直接功率控制的基础上提出一种多代价函数的模型预测直接功率控制方法，代价函数不仅仅由无功功率误差和有功功率误差构成，还包括开关状态的加权，通过不同的代价函数来选择矢量，优化了控制效果，并通过仿真与实验验证。图 三相并网逆变器拓扑结构 三相并网逆变器的预测模型三相并网逆变器拓扑结构如图 所示。图 中，为母线电压，为三相并网逆变器的开关管，为电网，以 相为例，画出其等效电路，如图 所示。图 相等效电路则根据 定理，三相并网逆变器的回路方程可表示为：（）（）（）|（）定义开关状态 为：上桥臂导通，下桥臂关断 下桥臂导通，上桥臂关断（）式中：，。则（）将式（）代入式（）并合并可得：（）（）（）（）（）考虑三相系统对称，则（）（）则 可表示为：，（）式（）可表示为 ，|，|，|（）转换为两相 静止坐标系下的方程为：|（）第 期李 磊，强耀东等：基于并网逆变器的新型多代价函数 研究 对于 和 求导可得：（）（）（）（）有功功率 与无功功率 的瞬时变化率可表示为：（）（）将式（）、式（）代入式（）与式（）可得有功功率与无功功率的变化率为：（）（）（）（）设有功功率 与无功功率 在任一时刻的值为（）与（），则根据 前向差分公式，可预测有功功率与无功功率在第 个采样时刻的值为：（）（）（）（）（）（）模型预测直接功率控制不需要内部电流环控制，只需跟踪有功与无功功率就可以实现对系统的控制。根据设置好的给定有功功率 和无功功率，可得到代价函数为：（）（）（）多代价函数的 策略代价函数是模型预测控制的关键，通过改变代价函数可以提高控制的精度和效果，本文运用多代价函数的方法来提高控制效果，多代价函数由多组包含功率误差和开关函数的代价函数构成，如式（）所示，根据 的取值不同可构成不同的代价函数。（）（），（）（）()（）如图 所示，此时开关函数的系数 是根据系统有功功率和无功功率误差值确定，以三代价函数的 策略为例，即 有，三个值，如式（）所示，在本策略中，取判断值 的初始值为。（）（），（）（）()（）（），（）（）()（）（），（）（）()|（）图 系数确定图由图 可得，当（）大于允许的最大有功功率误差时，；当（）大于允许的最大无功功率误差时，；否则，。然后开关函数系数、根据判断值 确定，允许的最大误差由系统需要的精度来定。当 时，说明有功和无功功率误差值均小于允许的最大误差，可取最大值。当 或 时，说明有功功率和无功功率误差值一个大于允许的最大功率误差，一个小于允许的最大功率误差，可取中间值。当 时，说明有功和无功功率误差值均大于允许的最大功率误差，此时 可取最小值。由此可以根据误差值的大小和允许的最大功率误差来选择合适的代价函数，灵活控制。仿真与实验验证根据实际系统需要的控制精度来调整，需要误差越小则精度越高，即代价函数数量越多，但对控制器的要求也越高，若允许误差较大，则代价函数数量可减小，则控制速度会大大加快。本文在设计中使用 公司的 款 芯片来进行实验验证，其最大主频为 ，对于 的主频，本文选择七代价函数进行验证。电 子 器 件第 卷 在 仿真软件中搭建普通的单代价函数和七代价函数的 仿真模型，并搭建了实验样机验证本文理论的正确性，仿真及实验参数如表 所示。给定有功功率为 ，单位功率因数运行，结果如图 及图 所示。表 仿真和实验参数参数数值输出功率 输入电压电网电压 开关频率 直流母线电容 滤波电感 由图（）和图（）可以看出，使用传统的单代价函数虽然可以达到并网电流跟踪电网电压的目的，但并网电流谐波较大且输出功率不稳定。由图（）和图（）可以看出，使用七代价函数的并网电流谐波大大减小，输出功率更稳定。图 仿真对比波形图 所示的仿真波形为 控制与三代价函数 面对负载突变时的本文电流的暂态仿真波形，从图中可以看出采用三代价函数 的暂态调节时间约为 ，而 控制的暂态调节时间约为 。因此，采用 可以大大提高控制响应速度。图 实验波形图 并网电流暂态仿真波形 结论本文首先介绍了现有的模型预测直接功率控制原理，建立了三相并网逆变器的预测模型。然后在现有单代价函数理论的基础上，提出了多代价函数模型预测直接功率控制，通过改变代价函数的形式，增加代价函数的数量，提高控制的精度，让系统跟随功率误差确定合适的代价函数，可以增强控制系统的适应性，对于控制精度高的系统可以减小并网电流谐波，提高输出功率的稳定性，对于控制精度不高的系统可以提高控制响应速度。最后，搭建了多代价函数模型预测直接功率控制的仿真模型和实验样机，证实了本文所提理论的正确性。第 期李 磊，强耀东等：基于并网逆变器的新型多代价函数 研究 参考文献：孔令考，黄炜 三相逆变器的控制策略仿真研究云南电力技术，（）：程启明，高杰，程尹曼，等 一种适用于孤岛运行的逆变器控制方法 电网技术，（）：李英春，南艳子，张博，等 基于电流无差拍控制的单相光伏并网逆变器研究 电子器件，（）：王久和，李华德 一种新的电压型 整流器直接功率控制策略 中国电机工程学报，：（）：，（）：程启明，高杰，程尹曼，等 一种适用于孤岛运行的逆变器控制方法 电网技术，（）：伞国成，漆汉宏，魏艳君，等 基于复功率的电网电压不平衡条件下并网逆变器控制策略 电工技术学报，（）：，（）：谢丹 三相并网逆变器直接功率控制策略的研究株洲：湖南工业大学，（）：，（）：崔清华 三相并网逆变器模型预测直接功率控制研究 镇江：江苏大学，刘丛伟，林跻云 三相 整流器模型预测控制的研究 电气工程学报，（）：王久和，李华德 一种新的电压型 整流器直接功率控制策略 中国电机工程学报，（）：，（）：李 磊（），男，汉族，内蒙古电力（集团）有限责任公司，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统自动化等，。