T型三電平逆變器有限集模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光伏并網(wǎng)逆變技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種T型三電平逆變器有限集模型 預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 三電平逆變器技術(shù)主要應(yīng)用于中高壓、大功率場(chǎng)合，光伏并網(wǎng)發(fā)電是三電平技術(shù) 的重要應(yīng)用之一，光伏并網(wǎng)發(fā)電將不穩(wěn)定的光伏電池板組合，經(jīng)過(guò)多級(jí)電力電子變換器組 合，最后輸出恒定頻率的交流電壓并網(wǎng)運(yùn)行。在光伏并網(wǎng)發(fā)電中，逆變器起著十分關(guān)鍵的作 用。隨著開(kāi)關(guān)器件的不斷發(fā)展，逆變器的拓?fù)?、調(diào)制方式和控制策略也在不斷發(fā)展，控制理 論在逆變器的控制中得以應(yīng)用。在三電平并網(wǎng)逆變器中，直流側(cè)中點(diǎn)電位不平衡會(huì)導(dǎo)致開(kāi) 關(guān)管的最大反向電壓增大，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞器件，使系統(tǒng)可靠性大大降低，此外中點(diǎn)電位不 平衡時(shí)，逆變器輸出電壓含有低次諧波，直接影響并網(wǎng)逆變器輸出性能，因此必須對(duì)直流側(cè) 中點(diǎn)電位進(jìn)行控制。為了使中點(diǎn)電壓保持平衡，學(xué)者提出了調(diào)制策略，如正弦PWM控制、空 間矢量PWM控制、開(kāi)關(guān)頻率優(yōu)化PWM控制等，一般來(lái)說(shuō)，這些方法都很好的保證了中點(diǎn)電位 的平衡，但是調(diào)制方法計(jì)算復(fù)雜，需要進(jìn)行三角變換和查表，占用大量的存儲(chǔ)空間。常用的 并網(wǎng)電流控制技術(shù)有PI控制、滯環(huán)控制、重復(fù)控制等，但PI控制需要消除耦合，滯環(huán)控制的 開(kāi)關(guān)頻率不固定，重復(fù)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)比較慢，一般不單獨(dú)使用。預(yù)測(cè)控制是一類新型計(jì)算 機(jī)控制算法，它對(duì)于多變量、非線性系統(tǒng)的控制具有明顯的優(yōu)勢(shì)。它可以對(duì)由于模型失配、 時(shí)變、干擾等不確定性及時(shí)進(jìn)行彌補(bǔ)，始終把新的優(yōu)化建立在實(shí)際的基礎(chǔ)上，使控制保持實(shí) 際上的最優(yōu)。電流預(yù)測(cè)控制技術(shù)相比于傳統(tǒng)的控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)過(guò)程靈活，通過(guò)目標(biāo)價(jià)值函數(shù) 的優(yōu)化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)三電平光伏并網(wǎng)逆變器綜合性能的優(yōu)化，無(wú)需調(diào)制器，直接根據(jù)目標(biāo)函 數(shù)選擇最優(yōu)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在電流跟蹤性能和中點(diǎn)電位平衡控制方面具有較快的響應(yīng)速度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明就是針對(duì)上述問(wèn)題，提供一種在保證快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和納入非線性系統(tǒng)的 同時(shí)，降低延遲時(shí)間的T型三電平逆變器有限集模型預(yù)測(cè)控制方法及系統(tǒng)。
[0004] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案，本發(fā)明T型三電平逆變器有限集模 型預(yù)測(cè)控制方法包括以下步驟：
[0005] 使逆變器三相輸出通過(guò)電阻電感負(fù)載與電網(wǎng)并網(wǎng)，滿足如下方程：
[0006]
(1 )
[0007] 式中：R和L分別是電阻和電感負(fù)載；u是逆變器產(chǎn)生的電壓矢量，e是電網(wǎng)電壓矢 量，i是負(fù)載電流矢量；
[0008]
[0009] u(t) = ua (t)+jup (t)
[0010] (2)
[0011]
[0012] ^
[0013] 式中
ua (t)，up (t)是電壓空間矢量的實(shí)部和虛部；uaN， ubN，1^分別是逆變器三相輸出a，b，c與N之間的相電壓；
[0014] 逆變器輸出相電壓uaN，ubN，u。N經(jīng)過(guò)Clark變換，由abC三相靜止坐標(biāo)系變換到af3 兩項(xiàng)靜止坐標(biāo)系下，變換公式如下：
[0015]
(3)
[0016] 在一個(gè)采樣周期T=內(nèi)，電流的變化率為：
[0017]
(4)
[0018] 離散時(shí)間下電流的表達(dá)式：
[0019](5) ?一
_
[0020] 該式用于獲取未來(lái)k+1時(shí)刻的負(fù)載預(yù)測(cè)值，涉及到逆變器在第k個(gè)采樣時(shí)刻的電 壓矢量和電流矢量；
[0021] 綜合有限集中實(shí)際電壓選擇的穩(wěn)定性，三電平逆變器的19個(gè)固定電壓矢量作為 控制輸入；
[0022]
[0023] 上面集合中的電壓矢量，由連續(xù)電壓矢量和量化誤差矢量表示為：
[0024]
(7)
[0025] 式中：F0 + 1)是連續(xù)電壓輸入矢量，S(k+1)是量化誤差矢量；在離散時(shí)間域中 未來(lái)電流的控制誤差為：
[0026] (8)
[0027] 式中：i#(k+l)是下一時(shí)刻參考負(fù)載電流矢量；
[0028] 公式（5)的解是指數(shù)穩(wěn)定的條件，存在一個(gè)輸入veU使得7e(;且存在一個(gè)連續(xù) 的函數(shù)滿足以下不等式：
[0029]
[0030] (9)
[0031]
[0032] 式中：心，c2, c#P c4是正常量，1彡1，是一個(gè)控制正不變集，「[(.;是一個(gè) 緊致集；
[0033] 考慮負(fù)載電流的動(dòng)態(tài)方程滿足下面基于李雅普諾夫函數(shù)的FCS-PC控制律
[0034]
(1〇)
[0035] 式中：8幻是反電動(dòng)勢(shì)估測(cè)矢量；閉環(huán)系統(tǒng)（5)在上式控制律下在下面的緊致集 中是指數(shù)穩(wěn)定的：
[0036]
(11)
[0037] 式中：常數(shù)巾和e分別是量化誤差矢量和反電動(dòng)勢(shì)矢量的估測(cè)誤差的上限；
[0038] 離散的正的李雅普諾夫函數(shù)為：
[0039]
(12)
[0040] 使用（8)式，李雅普諾夫函數(shù)的變化率表示為：
[0041]
[0042] 設(shè)反電動(dòng)勢(shì)的估計(jì)誤差矢量有界+ 2(幻|;
[0043] 電壓矢量v(k+l)被限定在有限集合中，負(fù)載電流i(k)是有界的，電流控制誤差 是有界的，即:T(A)e「ci/《：，其中r是一個(gè)電壓矢量和有界的參考電流矢量有限集合的 緊致集，在公式（10)中，i(k)，i#(k+l)，〗(幻都是有界量，F(xiàn)0 + 1)是有界的；對(duì)于所有的 I(A)er，存在一個(gè)常量巾>0滿足| |S(k+1) | | <巾；通過(guò)采用控制律，李雅普諾夫函數(shù)的 變化率為：
[0044]
(14)
[0045] 公式（9)中的不等式滿足；[0046]
[0047] (15)
[0048] \ ^ /
[0049] 閉環(huán)系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定，不等式（14)改寫(xiě)為：
[0050]
16;
[0051] 隨差時(shí)_±曾加?亦豎?隹由電流控制誤差范圍是：
[0052]
(17)
[0053] 未來(lái)參考和未來(lái)反電動(dòng)勢(shì)矢量的估計(jì)：基于公式（10)，未來(lái)輸出電壓矢量通過(guò)測(cè) 量當(dāng)前負(fù)載電流i(k)及估測(cè)未來(lái)參考電流和反電動(dòng)勢(shì)矢量獲得，未來(lái)參考電流矢量通過(guò) 拉格朗日外推法得到：
[0054]
(18)
[0055] 在一個(gè)足夠小的采樣時(shí)間同時(shí)保存計(jì)算量，認(rèn)為i#(k+l) ~i#(k)，使電流跟蹤有 一個(gè)采樣周期的延時(shí)，當(dāng)參考電流恒定或采樣頻率很高時(shí)，忽略延時(shí)；對(duì)未來(lái)負(fù)載反電動(dòng)勢(shì) e(k+l)進(jìn)行估計(jì)；模擬未來(lái)參考電流情況的值，認(rèn)為有e(k+l) ~e(k);反電動(dòng)勢(shì)當(dāng)前和過(guò) 去的估計(jì)值由公式（10)對(duì)時(shí)間和負(fù)載測(cè)量電流的反向推移得到：
[0056]
09)
[0057]控制律（10)用于獲取未來(lái)參考電壓矢量^M+l)，為在含有19個(gè)未來(lái)電壓矢量 的有限集中選擇一個(gè)電壓矢量，將（10)應(yīng)用于T型逆變器，在下一采樣時(shí)刻的負(fù)載電流會(huì) 跟蹤未來(lái)參考電流；定義價(jià)值函數(shù)為：
[0058]
(20)
[0059] 通過(guò)優(yōu)化價(jià)值函數(shù)，選擇最優(yōu)的電壓矢量作用于逆變器。
[0060] 作為一種優(yōu)選方案，本發(fā)明所述足夠小的采樣時(shí)間為采樣頻率為20kHz;所述通 過(guò)優(yōu)化價(jià)值函數(shù)，選擇最優(yōu)的電壓矢量作用于逆變器的具體步驟為：
[0061] 1)檢測(cè)三相負(fù)載的電流信號(hào)；
[0062] 2)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行坐標(biāo)變換，從abc靜止坐標(biāo)系變換到a0坐標(biāo)系下，方便計(jì) 算；
[0063] 3)將變換到a0坐標(biāo)系下的電流信號(hào)及參考電流信號(hào)輸入到李雅普諾夫函數(shù)控 制器中，進(jìn)行計(jì)算得到參考的電壓信號(hào)；
[0064] 4)通過(guò)循環(huán)計(jì)算，對(duì)27種電壓矢量進(jìn)行判斷選擇，最終選出使價(jià)值函數(shù)值最小的 開(kāi)關(guān)狀態(tài)作用于逆變器。
[0065] 本發(fā)明T型三電平逆變器有限集模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)包括T型三電平光伏并網(wǎng)逆變 器、DPS處理器、管腳保護(hù)電路、電流采樣電