单相准Z源逆变器改进模型预测控制策略_曹以龙.pdf

第卷第期 年月电力 电子技术，单相准源逆变器改进模型预测控制策略曹以龙、陈柏棋屈靖洁，江友华（上海电力大学，电子与 信息工程学院，上海；国 网浙江省电力有限公司淳安县供电 公司，浙江杭州）摘要：传统模型预测控制（）应用于准源逆变器（）中存在控 制变量误 差较大的问题，导致工频电流纹波增加，电能质量恶化。因此，此 处提出一种基于电流电压 纹波双前馈的改进策略。首先分析系统在不同模态下的工作 原理，构建离散 状态模型；其次计算输出电流和电容电压在 各 状 态下的纹 波，通过双前馈迭代生成新 参考值，并采用两步预测法对系统的执行滞后 周期予以补偿，以增强电流和电压的控制效 果；然后 对代价函数综 合排序，合理选 择最优矢量，避免了权重系数的试 凑，进一步增强变量之间的协同控制。最后，实验结果表明，系统具有良好的动、稳态性 能，验证了改进策略可行、有效。关键词：逆变器；模型预测控制；纹波；代价函数中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：（）（）？，？，？，？，？，：；：（）引言以输入电流连续，电容电压应力低，系统抗电磁干扰能力强等优点，逐渐有替代拓扑的趋势，被广泛应用于光伏并网、风机发电、电机驱动 等领域。目前，大多采用。是一种可协同处理多目标变量的最优化闭环控制策略，原理简单，设计灵活。然而，其存在控制变量误差较大、电流谐 波含量过高、权重系数试凑复杂 等问基金项目：上海市自然科学基金（）定稿日期：作者简介：曹以龙（），男，教授，研究方向为电力 电子与电 力传动。题。文 献通过在代价函数中增 加开关频率约束项，研宄输出电流总谐波畸 变率（）与开关频率成反比关系，但寻优时各变量约束项的权重因数 仍需试 凑；文献采用级联模型预测，根据变量重要性逐级筛选开关状态，消除了权重系数，适用于开关矢量较多 的三相系统，但输出电流较 大；文献运用电流前馈，加快计算、合 成参考值的速度，提高了系统动态响应，有效抑制电流纹波，但计算相 对复杂。综上，此处提出一种基于电流电压双前馈的改进策略。通 过计算输出电流和电容电压在不同开关状态改变时的纹波值，与原有参考值迭代生成前馈参考值；之后，将电容电压和输出电流的前馈参考值代入代 价函数进行 计算寻优，使电第卷第期年月电力电子技术，流电压与 前馈参 考值误差最 小，从而增 强变 量跟踪 效果，降低电流；然后运用综合排序和评估的思想，将代价函数中各变量权重系数等效处理。最后通过实验对上述理论加以论证。原理分析及模型构建式中：分别为？时 刻电感电流、电容电压的采样值；为离散状 态下控制 周 期；（），（：）为电感电流、电容电压在时刻的预测值。直通状态原理及预测模型直通状态时，直流侧单向二极管关 断，逆变侧同一桥臂上的开关管同时导通即等效为短 路图为单相离网型拓扑 结构。系统由直流电源、准源网络、全桥、阻感负载组成。其中准源网络中，电感为电感杂散电阻，电容（：，？为负载电阻，为负载电感，为单向二极管，其导通和 关断状态分别对应的非直通模式 和直通模式。为了实 现的数 字化 控制，需要 将 其两 种工作模式离 散化处理，从 而构建出相 应的预测模型。图单 相拓扑 结 构及控制框图 非直通状态原理及 预测模型表为各开关管状态 及对 应的输出电压，其中直通状态用全导通表 示。非直通状态 时，直流侧单向二极管 导 通，逆 变侧与传统工作模 式相似，可将 其等效为一电流 源，与表开关信号，的函数关系可表示为：（）（）表各开关 管状态桥臂状态，电压矢量非直通 直通由基尔霍夫电压 定律和前向欧拉公式可得，电感电流与电容电压在 离散时域下 预 测模型为：）状态，此时得到电感电流和电容电压的离散 化预测 模 型 为：（）（）（）（，）（）输出侧原理及预测模型同理，输出 电流在 下一时刻 预测值为：（）（）（）（）（）式中：。（为输出电压。传统原理分析及存在问题传统策略 采用枚 举法计算出控制变 量在各开关状态下的预测值，通过 代价函数选出与参考值误 差 最小的开关状态。然而其 离散特性往往会引起较大的控制误差，若参 考 值选择不当，会使变量不 能有效跟随，造成电流畸变率 增大，甚至导致系统失控。如图所示，假 设时 刻期间系统 执行。状态，时刻 计算时 刻的预 测 值，当理论 参考值 为时，通过最优选择得到时刻 仍然执 行。状 态，造成电流波动么。范围较大，控制误差增 大。（），（众）（）图开关状态 改 变时各预测值走向图 此外 在实际控制中，需 要执 行时间的计算，即理论上时 刻应该 执行的最优开关状态，直到时刻 才被 应用，造成了系统延迟，导致 变量跟踪效 果进一步恶化。同时，传统应用在系统中时构建的代价函数需考虑输入电流、电容电压、输出电流的权重 系数，但目前存在试凑困难的问题，过大或过小都会降低变量的可控性。单相准源逆变 器改进模型预测控制策略因此，为减小控 制 误 差，提升控 制效果，避免权重系数试 凑繁冗，对传 统在原理和 实验中的问题予以改进、优化。改进策略对直通状态的控制根据输入电流的充放电特性，以 为研究对象，运用 比较逻辑对直通状态进行控制，快速判断直通或非直通状态。根据对不同工作模态下的原理分析，结 合式（），（）可知 在一个控制周期内的变化率为：直通状态，非直通状态（；为了避免系统直通时间过长触 发限流保护，设 定电感电流的最大 和 最小临界 值 为：以参考 值为 基准为上界限，为下界限，划定输入电感电流的波动区 间，并通过比较逻辑决 定下一时刻执行的状态。当以时，系统直接执行直通状态；当（）时，此时系统应执 行非直通状态，从而消除了的权重系数，然后通过对输出电流和电容电压进一步控制选择出系统将要执行的最优开关矢量。对 输出电流和电容电压的改进控制对输出电流的前馈控制由图可知，为减小电流误差，增大控 制 精度，通过纹波前馈计算 生成新参考值，电流 波动。明显减小，相比原有参考 值，电流跟随效 果更好，控制精 度 更高。当采样频率远高于逆变工频时，可认为不变，则定义时 刻电流纹波 预测值为：（）（）（）假 设时 刻开 关状态由。变为，则时刻）对应的代价函数大于（；）对 应的代价函数，取最大临界值，规定电流上升的方向为正，由式（），（）及表，得：（）（）（）（）（）整理后，可以得到参考值和时刻电流纹波预测值分别为：（）（）（）（：）（）（？）（：），（）（）由此计算出各 开关状态改变时的电流 纹波预测值见式（）：（）（）（），？（，（），（）（）（）：（），（），（）？，（）通过分析可知，）与以幻和）有关乂（幻逆变至峰值附近产生纹波较大，下述实验现象可予以论证。由数 学表达式推出纹波脉动宽度和平均值为：（）（）（）；对电容电压的前馈控制同理，由式（），（）及表可计算 整理出各状态改变时电容电压纹波预测值为：（）（），？（）（）？；（）（：），（），（）（；，）（；）？；（）（），：？（，（）由数学表达式推出纹波脉动 宽度和平均值：（）（）（），）；将输出电流、电容电压参考值与各自纹 波平均值迭代形成新的参考值，表达式如下：一（左），、（）（：）代价函数的设计第节根据输入电流特性，通过比较逻辑控制直通时间，消除了输入电流的权重系数；第节通过双前馈生成了输出电流和电容电压的新 参考值，为协同控制电流 和电压，在代价函数中将两个变量的权重系数均设为，即令两个变量的重要程度一致，得到代价函数表达式为：（）（）例 如表，先对输出电流和电容电压单独排序，然后结合式（），利用协同控制的思想综合选出令总代价函数排序最小的的开关 状态。将两变量按相同的重要程度综合排序，消除不合理的中间状态，避免了权重系数复杂繁冗的试凑。表代价函数综 合排序策 略 开关状态单独排序？单独排序。综合排序（）对系统的延迟补偿针对实验中系 统延迟，采用两步预测补偿。以左时 刻 为 起点，应用上一周期选出最优 状态，进行两步预测，即计算完时刻预测值后，再计 算时刻的预测值，选出最优开关状态，并应用于时 刻，从而实 现时刻延迟补偿。综 合以上分析，得出整体改进后 的控制流程图如图所 示。丨系统图改进算法控制流程图实验 验证为了验证改进控制策略的有效性和可行性，搭建以 为控制核心的小功率实验样机平台。考虑 到实验室实际条件及 学 生电源的电压值，设 定输入电压为，参考 功 率，其余相关参 数：电感，；电感 杂 散电阻；电容，；输出侧电感；输出侧电阻？丨控制频率为：延 迟补偿图为延迟补偿前后输入电流对比 图。在延迟补 偿前，观察 输入电流波动幅度可达，且有多次电流冲击，升 压时易触 发限流保护；进行延迟补偿后输入电流波动范围减小至左右，且未出现冲击现象，有利于 系统 在宽范围输入电压下 安全、稳定运行。（格）谐波 次数（）整体改进 波形（）整 体改进）图实验对比 图图，为改进前波形图，其中 电容电压和直流 链电压分别升至 和左右，输出电流？纹波 在 峰 值附近达，测得）；图，采用比较逻 辑判 断 直通状态，队和化的脉动减小，但电压略微上升，电流整 体降低 为，但在峰 值附近纹波 仍达到，且波形存在明显畸变；图，在图，基础上，通过附加 纹 波双前馈和协同控制改进，输出电流在峰值附近的纹波减 小 为，）降至。对比 图，电压脉 动 略微增加，但电流明显降低，即电流纹波 减少的程度 大 于电压变化的程度，此时开关状态 为协同控制电流和电压的最 优矢量，符 合代价函数综 合排序的思想。动态性能图为从突变为时动态响应图。谐波次数（）改进前（格）（）改进前波形，（格）图动态响应 波形图（下转第页），（格）（施加 直通控 制后波形 谐波次数（）施加 通拧制后）：算 法 改进前后 对比图为控制算法改进前后的实验对比图。第 卷第期电力电子技术，年月（寒）（洚：）。（垄）名（）（￥（专）？（雪）、（兹）。：馨每第卷第期年月电力电子技术，频率图满 载条件下分析结 果 结论参考文献，？：侯 世英，黄哲，肖旭，等改进型源并网逆变器电机与控制学报，（）：何耀华，汤雨，董仙美有源升降压逆变器双模 式调制 策 略研宄中 国电机工程学报，（）：，提出一种 基于双链 路全桥拓 扑的单级非隔离升降压逆变器，对 该逆变器拓扑的由来进行了推演和 讨论。针 对两 种策略，分析其工作模态及电压增益、器件应力等 稳 态特性，指出每种 调制 策略各自的特点。探讨 两 种策略 对该逆变器的效率和可靠性的影响。使用软 件搭建仿真电路，对理论分析过 程进行了验证。最后以光伏发电系统 为应用背景，验证一台硬件样机的性 能。通过调试获得相关 实验波 形、效 率曲线和分析结果。研究结果表明双链路全桥 升降压逆变器具有效 率较高 和结构简单的特点。下一步的工作主要有以下两方面：损耗分析和电路优化，包括采用宽禁 带功率器件提升 效率；结合这里探讨的调 整策 略，使用 先进的控制技 术对逆变器进行控 制，比如重复 控 制、模型预 测控制等。？：？，（）：，？，（）：，？：，？，（）：（上接第页）在功率突变时乂动态响应迅速，跟踪效果良好；电容电压和直流链电压仏保持不变，同时，在功率降低的情况 下，两电压的脉 动减小。可见，在功率 受到扰动时，所提改进 策略能保证系统安全稳定地运行。结论在传统模型预测控制策略基础上，此处 使用比较逻辑判断单相系统将要执行直 通状 态或者非直通状态，简化了传统策略的迭代 次数；之后采用 电流电压双前馈 模型预测控制策 略，通过预测各开关状态改 变时产生的纹波幅值和平均值，前馈形成新参考值，有效 减小了输出电流 误 差和电容电压纹波，并 利用综合排序思想消除了协调适配变量时的权重系数。最终改进算法 后，波形质量 提高，动、稳态性 能良好，对在实际工程应用中具有重要参考价值。参考文献，？，？，（）：黄守道，王连芳，荣飞，等三相源逆 变器的模型预测控制电力系统及其自动化学报，（）：熊军华，郑炳校，王亭 岭，等基 于改进（？源逆变器的光 伏 并网模型预 测控制电力科学与工程，（）：方番，李媛，肖先勇，等储能型准源逆变器的有限集模型预测控制 策略中 国电机工程学报，（）：吴春，杨 佳磊，陈