模型預測控制在光伏并網逆變器中的應用

潘 健， 陸 田， 劉 陽， 要若天

(湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心,電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068)

模型預測控制在光伏并網逆變器中的應用

潘 健， 陸 田， 劉 陽， 要若天

(湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心,電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068)

針對光伏并網逆變器中電流環采用模型預測控制計算量大導致的延時問題，以三相光伏并網逆變器的離散化數學模型為預測模型，在dq坐標系下，對并網電流進行兩步預測，當前時刻選定的電壓矢量為上一時刻的第二步預測值，根據代價函數進行最優化求解，具有計算量小的特點。仿真結果表明，采用改進的模型預測控制與傳統模型預測控制相比，能有效提高光伏系統電流環的動態性能，并顯著減小并網電流諧波。

光伏逆變器； 模型預測控制； 延時補償

光伏并網逆變器將太陽能轉換為與電網電壓同頻、同相的交流電，并網電能質量取決于逆變器的電流控制策略。常用的并網電流控制有滯環控制、比例積分控制、預測控制等。其中滯環控制動態響應快，但是開關頻率不固定，導致電流諧波大；比例積分控制控制簡單，但動態響應慢，容易超調；模型預測因計算量大，導致延時存在。

本文采用改進型的模型預測控制(MPC)，在每一個采樣周期內，將光伏并網逆變器的電壓方程進行離散化處理，選擇參考電流和預測電流的絕對誤差為代價函數，通過預測模型在線評估，在下一采樣周期開關狀態應用上一時刻的代價函數最優解。

1 光伏并網逆變器模型預測控制算法

1.1光伏并網逆變器數學模型

三相光伏并網逆變器的主電路見圖1，其中ia、ib、ic為橋臂側輸出電流，uaN、ubN、ucN為橋臂側輸出電壓，unN為電網電壓中性點對直流母線負極的電壓，ea、eb、ec為電網電壓。

圖 1 三相光伏并網逆變器主電路拓撲圖

根據圖1，由KVL方程，有

(1)

逆變器輸出電流在αβ坐標系下數學模型為

(2)

式中iα、iβ為橋臂側輸出電流在αβ坐標下α、β軸的分量，eα、eβ為電網電壓在αβ坐標下α、β軸的分量，uα、uβ為橋臂側輸出電壓在αβ坐標下α、β軸的分量。

(3)

將式(3)整理可得

(4)

則將式(4)進行Park變換得

(5)

1.2代價函數

圖2為三相光伏并網逆變器模型預測控制框圖，模型預測控制的目標是使電流期望值與預測值的絕對誤差最小。在k時刻采樣電網電壓和電網電流經過Clark變換和Park變換，得到同步旋轉坐標下dq軸分量，根據式(4)和(5)能預測k+1時刻逆變器輸出電流idq(k+1)，然后利用代價函數g去在線評估求解代價函數的最優解，選擇使代價函數的值最小對應的開關管的開關狀態作為下一時刻的開關狀態。本文采用參考電流和預測電流的絕對值作為代價函數，其表達式為

(6)

圖 2 三相光伏并網逆變器模型預測控制框圖

2 改進的預測電流控制算法

圖 3 模型預測控制流程圖

3 仿真分析

為了驗證改進MPC算法的控制效果，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型進行仿真分析，仿真參數如表1所示，仿真結果如圖4-7所示。

表1 模型預測控制參數表

(a)沒有延時補償

(b)有延時補償圖 4 逆變器并網電流

(a)沒有延時補償

(b)有延時補償圖 5 a相并網電流和參考電流

(a)沒有延時補償

(b)有延時補償圖 6 并網電流在dq坐標下的d、q軸分量

(a)沒有延時補償

(b) 有延時補償圖 7 a相并網電流FFT分析

4 結論

本文分析了三相光伏并網逆變器電流環的模型預測控制，以三相光伏并網逆變器的數學模型為預測模型，采用改進的MPC算法，并對改進算法的原理進行分析，并給出了控制流程圖。通過Matlab進行仿真分析，仿真結果表明采用改進的MPC算法相比于傳統MPC算法，光伏并網逆變器有很好的動態特性，能很好的解決因計算量大帶來的延遲問題，且并網電流的THD有明顯減小，改進型的MPC算法在光伏并網等新能源領域有廣泛的應用前景。

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[責任編校：張巖芳]

PhotovoltaicGridInverterUsingaModelPredictiveControlMethod

PAN Jian ，LU Tian，LIU Yang，YAO Ruotian

(HubeiCollaborativeInnovationCenterforHigh-efficiencyUtilizationofSolarEnergy,SchoolofElectricalandElectronicEngineering,HubeiUnive.ofTech.,Wuhan430068,China)

This study aims at effectively solving the time delay problem caused by large amount of calculation of current loop in photovoltaic (PV) grid-connected inverter by adopting the model predictive control. A prediction model was constructed according to the discrete of three-phase PV grid inverter and using two-step-prediction method for grid under the dq coordinates system. In order to compensate the delay, sampling current state and the new switch state are using a moment of last step. The simulation result shows that the improved predictive model can effectively improve the dynamic performance of PV system and reduce the grid current harmonic compared with the traditional one.

PV Inverter; MPC; Time Delay Compensation

2016-10-08

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201510500008)

潘 健(1962-)， 男， 上海人，湖北工業大學副教授，研究方向為控制理論與控制工程

1003-4684(2017)05-0082-03

TM615

A