基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统与流程

1.本发明涉及微电网逆变控制领域，尤其涉及基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统。


背景技术：

2.为了解决由化石能源大规模使用带来的环境污染和能源短缺等问题，太阳能、风能、潮汐能和地热能等新型能源的开发与应用是当前的研究热点。新能源的利用需要借助发电设备将其转换为电能，与储能设备和当地负载构成微电网系统，并可通过并网技术对大电网进行能量支撑。在微电网的发电侧，为保证电能质量，首先需要通过交流-直流或直流-直流变换技术将发电设备的输出电压转换为恒定母线电压，然后利用电力电子逆变器将直流电变为交流形式，与负载和大电网的需求实现匹配，在此过程中，逆变控制算法是保证电能质量的关键因素。
3.传统的微电网逆变控制方法包括下垂控制、虚拟同步电机控制和恒压频控制。下垂控制以有功功率和无功功率为调节目标，是一种开环控制算法，响应速度快，控制性能易受负载波动影响，无法为微电网提供频率支撑；虚拟同步电机是一种双环控制结构，外环采用频率-功率下垂控制器对频率进行调节，内环模拟同步发电机转子运动方程，引入阻尼和惯量两个虚拟控制参数，对有功功率进行调节，能够有效降低系统的响应速度，提高频率稳定性，但无法消除稳态误差；传统恒压频控制以额定电压、额定频率和电流为控制目标，采用四个比例积分(pi)控制器实现闭环控制，能够消除电压和频率稳态误差，同时由于pi控制器具有延时效应，能够降低逆变器的频率响应速度，但pi控制器参数设计复杂，难以满足最优控制需求。
4.为了克服pi控制器的缺陷，不需要复杂参数校正的模型预测控制器在微电网逆变控制中得到广泛应用。刘志坚等在文献《光储微电网逆变器有限集模型预测控制》中提出了采用一个单步模型预测控制器代替传统恒压频控制方法中两个电流pi控制器的方案，通过减少pi控制器的数目，降低参数校正复杂度。该模型预测控制器以整数倍控制周期作为预测步长，是目前模型预测控制策略在微电网乃至整个电力系统领域的典型应用方法。然而，在实际应用中，受微电网功率等级和逆变器电力电子器件特性的影响，模型预测控制频率通常设计的比较低，而控制周期却因此变长，考虑到模型预测控制算法在执行过程中需要进行局部线性化，控制周期过长会降低单步模型预测控制方法的预测精度，进而影响微电网系统的稳态和动态控制性能。目前，如何改进模型预测控制算法，使其满足微电网高性能控制需求是该领域的重要研究内容。
5.因此，传统单步模型预测控制器在微电网逆变控制应用中预测精度低、控制性能差已成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明提供了基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统，用于解
决传统单步模型预测控制器在微电网逆变控制应用中存在预测精度低、控制性能差的技术问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
8.一种基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，包括以下步骤：
9.将控制周期ts平均分为n段，以ts/n为预测步长，构建：以微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，以微电网逆变器的输出电压矢量作为输入量，以微电网下一预测步长的预测状态为输出量的分段预测电流模型；
10.获取微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流，并将所述dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，将逆变器可输出的多个待选电压矢量依次作为逆变器的输出电压输入到所述分段预测电流模型中，预测得到多个待选电压矢量对应的预测状态；
11.确定微电网交流侧的参考dq轴电流，并基于所述参考dq轴电流构建代价函数，将多个待选电压矢量对应的预测状态依次输入到所述代价函数中，得到多个待选电压矢量对应的代价函数值，比较并选择使得代价函数值最小的待选电压矢量作为最优控制电压，将与该电压矢量对应的开关状态作为控制信号驱动逆变器中的电力电子器件。
12.优选的，所述分段预测电流模型为：
[0013][0014]
其中，id，iq分别为微电网交流侧的d轴电流、q轴电流；ud，uq分别为微电网交流侧的d轴电压、q轴电压；lf，l
l
，rf，r
l
分别为微电网的滤波电感，传输线缆电感，滤波电阻和传输线缆电阻，ed和eq为逆变器的输出电压；k为采样步长。
[0015]
优选的，所述分段预测电流模型通过对微电网动态特性模型离散化得到，其中，所述微电网动态特性模型为：
[0016][0017]
优选的，逆变器可输出的待选电压矢量根据以下公式求得：
[0018][0019]
其中，u
dc
为微电网直流母线电压，[sa,sb,sc]
t
是待选电压矢量对应的开关状态，sa,sb,sc分别为三相的开关状态，为微电网的实时电压相位，u
dc
为直流母线电压。
[0020]
优选的，所述参考dq轴电流包括d轴电流参考值i
d_ref
以及q轴电流参考值i
q_ref
；确定微电网交流侧的参考dq轴电流，具体包括以下步骤：
[0021]
获取微电网交流侧的实时工作频率f、电压相位并根据所述dq轴电压计算电压幅值u；
[0022]
将标定的电压参考值u
ref
和电压幅值u的差值输入电压pi控制器，并将pi控制器的输出作为d轴电流参考值i
d_ref
；将标定的频率参考值f
ref
和微电网实时频率f的差值输入频率pi控制器，并将pi控制器的输出作为q轴电流参考值i
q_ref
。
[0023]
优选的，所述代价函数为：
[0024]
j＝|i
d_ref-id(k 1)| |i
q_ref-iq(k 1)|
[0025]
其中，j为代价函数值，id(k 1),iq(k 1)分别为下一预测步长的预测状态中的d轴电流值和q轴电流。
[0026]
优选的，根据所述dq轴电压计算电压幅值u通过以下公式实现：
[0027][0028]
优选的，获取微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流，包括以下步骤：
[0029]
采集微电网交流侧的三相电压ua,ub,uc和三相电流ia,ib,ic，并通过以下公式计算微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流：
[0030][0031]
一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0032]
本发明具有以下有益效果：
[0033]
1、本发明中的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统，通过控制周期分段技术和分段预测技术，突破了传统模型预测控制方法以整数倍控制周期为预测步长的局限，解决了模型预测控制算法在微电网逆变控制应用中由于控制周期过长而存在预测精度降低的问题，提高了微电网逆变控制方法的整体动态性能和稳态性能，能够保证微电网具有较高的电能质量。
[0034]
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
[0035]
构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0036]
图1是本发明的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制系统的结构图；
[0037]
图2是本发明的三相锁相环结构图。
具体实施方式
[0038]
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定
和覆盖的多种不同方式实施。
[0039]
实施例一：
[0040]
本实施中公开了一种基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，包括以下步骤：
[0041]
将控制周期ts平均分为n段，以ts/n为预测步长，构建：以微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，以微电网逆变器的输出电压矢量作为输入量，以微电网下一预测步长的预测状态为输出量的分段预测电流模型；
[0042]
获取微电网交流侧的dq轴电压、dq轴电流，并将所述dq轴电压、dq轴电流作为状态初始值，将逆变器可输出的多个待选电压矢量依次作为逆变器的输出电压输入到所述分段预测电流模型中，预测得到多个待选电压矢量对应的预测状态；
[0043]
确定微电网交流侧的参考dq轴电流，并基于所述参考dq轴电流构建代价函数，将多个待选电压矢量对应的预测状态依次输入到所述代价函数中，得到多个待选电压矢量对应的代价函数值，比较并选择使得代价函数值最小的待选电压矢量作为最优控制电压，将与该电压矢量对应的开关状态作为控制信号驱动逆变器中的电力电子器件。
[0044]
此外，在本实施例中，还公开了一种计算机系统，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。
[0045]
本发明中的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法及系统，通过控制周期分段技术和分段预测技术，突破了传统模型预测控制方法以整数倍控制周期为预测步长的局限，解决了模型预测控制算法在微电网逆变控制应用中由于控制周期过长而存在预测精度降低的问题，提高了微电网逆变控制方法的整体动态性能和稳态性能，能够保证微电网具有较高的电能质量。
[0046]
实施例二：
[0047]
实施例二是实施例一的优选实施例，其与实施例一的不同之处，对基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法的具体步骤进行了介绍，具体包括以下步骤：
[0048]
在微电网逆变控制应用中，恒压频控制方法能够消除电压和频率的稳态误差，保证微电网具有较高的电能质量。然而，传统基于pi控制器的恒压频控制方案具有参数校正复杂的缺点，而利用模型预测控制器可降低参数校正复杂度。传统的模型预测控制方法以整数倍控制周期为预测步长计算未来状态，但对于微电网而言，系统功率和工作电流大，在这种情况下，根据电力电子器件的工作特性，系统的控制周期应设计的比较长，导致传统模型预测控制方法的预测精度低，影响微电网的动态和稳态性能。
[0049]
理论上，在执行模型预测控制算法时，将每个控制周期进行分段处理，并在每段分别进行局部线性化和预测计算操作，能够降低由控制周期过长导致的预测精度降低问题，但该方法还未引起重视，目前，提出并应用该分段模型预测控制方法对提高预测精度以及微电网控制性能具有重要的理论与实践价值。
[0050]
为提高模型预测控制方法的预测精度，同时改善微电网的控制性能，本发明提出了一种基于分段模型预测控制策略的逆变控制方法，如图1所示。本实施例将要分析的微电网额定参数为：额定频率fn＝50hz，额定电压幅值un＝311v，额定直流母线电压u
dc
＝800v；控制参数为：控制周期ts＝0.001s，控制周期分段n＝2。基于分段模型预测控制策略的逆变
控制方法具体实现如下：
[0051]
第一步：微电网交流侧频率和电压电流相位计算
[0052]
使用电压和电流传感器采集微电网交流侧三相电压ua,ub,uc和三相电流ia,ib,ic，利用图2所示三相锁相环根据ua,ub,uc提取微电网实时工作频率f和电压相位φ；
[0053]
第二步：电压和电流计算
[0054]
首先，根据以下公式，利用三相电压信息ua,ub,uc和电压相位计算dq轴电压ud,uq：
[0055][0056]
接着，根据以下公式，利用三相电流信息ia,ib,ic和电压相位计算dq轴电流id,iq：
[0057][0058]
最后，根据以下公式，利用dq轴电压ud,uq计算电压幅值u：
[0059][0060]
第三步：频率和电压调节
[0061]
设置频率参考值f
ref
＝fn＝50，并计算频率参考值f
ref
与实时频率f之间的误差，将该误差输入至频率pi控制器，由频率pi控制器计算得到的输出结果作为q轴电流参考值i
q_ref
，同时，设置电压参考值u
ref
＝un＝311，并计算频率参考值u
ref
与实时电压u之间的误差，将该误差输入至电压pi控制器，由电压pi控制器计算得到的输出结果作为d轴电流参考值i
d_ref
；
[0062]
第四步：设计分段预测电流模型
[0063]
将控制周期ts＝0.001平均分为n＝2段，每段长度为ts/2＝0.0005，以ts/2为预测步长，建立微电网的分段预测电流模型：
[0064][0065]
其中，lf，l
l
，rf，r
l
分别为微电网的滤波电感，传输线缆电感，滤波电阻和传输线缆电阻，ed和eq为逆变器的输出电压；
[0066]
第五步：预测电流未来状态
[0067]
将第二步中计算得到的dq轴电流id，iq和电压ud，uq作为分段预测电流模型中的状态初始值id(k)，iq(k)，ud(k)和uq(k)，将逆变器可输出的七个电压矢量e
000
,e
100
,e
110
,e
010
,e
011
,e
001
和e
101
依次作为ed(k)，eq(k)，计算七组未来状态id(k 1/2),iq(k 1/2),id(k 1),iq(k 1)；
[0068]
第六步：选择最优电压矢量并产生控制信号
[0069]
将与七个电压矢量对应的七组未来状态id(k 1)，iq(k 1)和i
d_ref
，i
q_ref
分别代入代价函数：
[0070]
j＝|i
d_ref-id(k 1)| |i
q_ref-iq(k 1)|
[0071]
比较并选择使得代价函数j最小的电压矢量作为最优控制电压，将与该电压矢量对应的开关状态作为控制信号驱动逆变器中的电力电子器件。
[0072]
在本实施例中，第四步中分段预测电流模型是对微电网动态特性模型离散化得到的结果，其中，微电网动态特性模型为：
[0073][0074]
在本实施例中，第五步中逆变器可输出的七个电压矢量根据以下公式求得：
[0075][0076]
其中，[sa,sb,sc]
t
是七个电压矢量对应的开关状态，它们分别为[0,0,0]
t
，[1,0,0]
t
，[1,1,0]
t
，[0,1,0]
t
，[0,1,1]
t
，[0,0,1]
t
，[1,0,1]
t
。
[0077]
综上所述，本发明提出的基于分段模型预测控制策略的微电网逆变控制方法，通过新型模型预测控制策略提高预测精度，进而改善微电网的动态与稳态性能。
[0078]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。