清潔能源發(fā)電并網(wǎng)逆變器有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制

金楠 郭磊磊 竇智峰 張洋 韓東許

摘 要：針對(duì)清潔能源發(fā)電并網(wǎng)逆變器執(zhí)行模型預(yù)測(cè)直接功率控制算法產(chǎn)生的延時(shí)問題，通過深入研究有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)直接功率控制方法，設(shè)計(jì)模型預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制策略，有效降低開關(guān)頻率，實(shí)時(shí)更新功率器件開關(guān)狀態(tài)，減小算法時(shí)滯。首先，在直接功率預(yù)測(cè)模型基礎(chǔ)上，對(duì)輸出功率進(jìn)行兩步預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)延時(shí)補(bǔ)償。其次，分析價(jià)值函數(shù)對(duì)控制品質(zhì)的影響機(jī)理，通過增加開關(guān)次數(shù)附加項(xiàng)，設(shè)計(jì)優(yōu)化的價(jià)值函數(shù)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的協(xié)調(diào)控制。為驗(yàn)證控制系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)5 kW實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)比不同控制策略下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)控制策略能夠減小輸出功率波動(dòng)，降低開關(guān)頻率，靈活調(diào)節(jié)輸出功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：清潔能源發(fā)電； 有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)； 協(xié)調(diào)控制； 延時(shí)補(bǔ)償； 降低開關(guān)頻率

中圖分類號(hào)：TM 464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）04-0089-09

Abstract：In order to reduce the switching frequency and avoid delay problems caused by the algorithm execution，a model predictive coordinated control（MPCC） strategy is designed. When sampling frequency is high，the delay problem of MPDPC algorithm implementation will influence the output power quality and increase output power ripple. Based on direct power prediction model，a two-step power prediction was designed to compensate time delay. In order to realize coordinated control，an optimized cost function was designed by adding target additions and analyzing the influence of the cost function on the control quality. The 5 kW experimental prototype of grid connected inverter was designed. The comparisons of the experimental results show that the MPCC strategy can decrease power ripple and reduce switching frequency，which validates the effectiveness of the proposed plan.

Keywords：clean energy power generation； finite states model prediction； coordinated control； delay compensation； switching frequency reduction

0 引 言

隨著環(huán)境污染和能源結(jié)構(gòu)失衡等矛盾的日益突出，清潔能源發(fā)電越來越受到關(guān)注。并網(wǎng)逆變器是清潔能源發(fā)電的核心裝備，其控制系統(tǒng)性能直接影響到并網(wǎng)電能質(zhì)量[1-2]。

有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制（finite states model predictive control，F(xiàn)S-MPC）具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性，且不需要內(nèi)環(huán)電流控制和PWM調(diào)制，控制方案容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，逐步成為并網(wǎng)逆變器控制策略研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種用于三相并網(wǎng)逆變器的模型電流預(yù)測(cè)控制策略。文獻(xiàn)[6]提出了一種用于風(fēng)力發(fā)電的三電平箝位并網(wǎng)逆變器模型電流預(yù)測(cè)控制方法。文獻(xiàn)[7]將模型預(yù)測(cè)控制應(yīng)用于清潔能源發(fā)電的離網(wǎng)及并網(wǎng)控制策略設(shè)計(jì)。由于MPC策略需要的計(jì)算量較大，控制算法時(shí)滯會(huì)導(dǎo)致器件開關(guān)狀態(tài)延遲更新。同時(shí)，由于開關(guān)頻率較高，還需要考慮降低開關(guān)頻率以減小開關(guān)損耗，提高電能轉(zhuǎn)換效率。

本文根據(jù)有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制理論[8-11]，建立了清潔能源發(fā)電并網(wǎng)逆變器在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的功率預(yù)測(cè)模型。引入兩步預(yù)測(cè)法，對(duì)控制算法延時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償，利用兩步功率預(yù)測(cè)模型對(duì)輸出功率進(jìn)行超前預(yù)測(cè)。其次，為降低開關(guān)頻率、減小輸出功率波動(dòng)，對(duì)價(jià)值函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種基于有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制方法的協(xié)調(diào)控制（MPCC）策略。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)控制策略的有效性，進(jìn)行5 kW樣機(jī)實(shí)驗(yàn)。在不同采樣頻率下，分別對(duì)常規(guī)MPDPC、MPCC策略進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分析了不同控制策略對(duì)功率波動(dòng)、開關(guān)頻率和并網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。其次，對(duì)MPCC策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能測(cè)試，在給定功率跳變和不同功率因數(shù)并網(wǎng)情況下，驗(yàn)證控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)功率輸出能力和協(xié)調(diào)控制效果。

1 并網(wǎng)逆變器功率預(yù)測(cè)模型

圖1為三相并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)，逆變器通過濾波電感L、線路電阻R與電網(wǎng)相連，根據(jù)基爾霍夫定律，三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程如式（1）：

式中：ea、eb、ec為電網(wǎng)的三相電壓；ia、ib、ic為并網(wǎng)逆變器輸出電流；uaN、ubN、ucN為并網(wǎng)逆變器輸出電壓；unN為直流母線與三相電網(wǎng)中性點(diǎn)之間的電壓。

三相并網(wǎng)逆變器存在7個(gè)不同的電壓矢量，其產(chǎn)生的電壓空間矢量如圖2。

2 有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)協(xié)調(diào)控制

將有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)直接功率控制算法[10-11]應(yīng)用到并網(wǎng)控制系統(tǒng)中后，執(zhí)行控制算法會(huì)產(chǎn)生延時(shí)。在有限時(shí)間周期內(nèi)，處理器需要完成采樣值的模數(shù)轉(zhuǎn)換、算法計(jì)算以及更新最佳開關(guān)狀態(tài)。盡管執(zhí)行這些算法所產(chǎn)生的延時(shí)非常短，但當(dāng)采樣頻率較高時(shí)，如不進(jìn)行有效延時(shí)補(bǔ)償，也會(huì)使系統(tǒng)性能變差。另外，為降低開關(guān)損耗，提高電能轉(zhuǎn)換效率，在滿足并網(wǎng)要求的基礎(chǔ)上，期望盡量降低開關(guān)頻率?；谝陨峡紤]，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。