清潔能源發電并網逆變器有限狀態模型預測控制

金楠 郭磊磊 竇智峰 張洋 韓東許

摘 要：針對清潔能源發電并網逆變器執行模型預測直接功率控制算法產生的延時問題，通過深入研究有限狀態模型預測直接功率控制方法，設計模型預測協調控制策略，有效降低開關頻率，實時更新功率器件開關狀態，減小算法時滯。首先，在直接功率預測模型基礎上，對輸出功率進行兩步預測，實現延時補償。其次，分析價值函數對控制品質的影響機理，通過增加開關次數附加項，設計優化的價值函數，實現并網逆變器的協調控制。為驗證控制系統性能，設計5 kW實驗平臺。對比不同控制策略下的實驗結果表明，所設計控制策略能夠減小輸出功率波動，降低開關頻率，靈活調節輸出功率。實驗結果驗證了所提出控制策略的有效性。

關鍵詞：清潔能源發電； 有限狀態模型預測； 協調控制； 延時補償； 降低開關頻率

中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

文章編號：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

隨著環境污染和能源結構失衡等矛盾的日益突出，清潔能源發電越來越受到關注。并網逆變器是清潔能源發電的核心裝備，其控制系統性能直接影響到并網電能質量[1-2]。

有限狀態模型預測控制（finite states model predictive control，FS-MPC）具有良好的自適應性和魯棒性，且不需要內環電流控制和PWM調制，控制方案容易實現等優點[3-4]，逐步成為并網逆變器控制策略研究的熱點。文獻[5]設計了一種用于三相并網逆變器的模型電流預測控制策略。文獻[6]提出了一種用于風力發電的三電平箝位并網逆變器模型電流預測控制方法。文獻[7]將模型預測控制應用于清潔能源發電的離網及并網控制策略設計。由于MPC策略需要的計算量較大，控制算法時滯會導致器件開關狀態延遲更新。同時，由于開關頻率較高，還需要考慮降低開關頻率以減小開關損耗，提高電能轉換效率。

本文根據有限狀態模型預測控制理論[8-11]，建立了清潔能源發電并網逆變器在dq旋轉坐標系下的功率預測模型。引入兩步預測法，對控制算法延時進行補償，利用兩步功率預測模型對輸出功率進行超前預測。其次，為降低開關頻率、減小輸出功率波動，對價值函數進行改進優化，設計了一種基于有限狀態模型預測控制方法的協調控制（MPCC）策略。

為驗證所設計控制策略的有效性，進行5 kW樣機實驗。在不同采樣頻率下，分別對常規MPDPC、MPCC策略進行實驗，分析了不同控制策略對功率波動、開關頻率和并網電能質量的影響。其次，對MPCC策略進行動態性能測試，在給定功率跳變和不同功率因數并網情況下，驗證控制系統調節功率輸出能力和協調控制效果。

1 并網逆變器功率預測模型

圖1為三相并網逆變器結構，逆變器通過濾波電感L、線路電阻R與電網相連，根據基爾霍夫定律，三相靜止坐標系下的狀態方程如式（1）：

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

三相并網逆變器存在7個不同的電壓矢量，其產生的電壓空間矢量如圖2。

2 有限狀態模型預測協調控制

將有限狀態模型預測直接功率控制算法[10-11]應用到并網控制系統中后，執行控制算法會產生延時。在有限時間周期內，處理器需要完成采樣值的模數轉換、算法計算以及更新最佳開關狀態。盡管執行這些算法所產生的延時非常短，但當采樣頻率較高時，如不進行有效延時補償，也會使系統性能變差。另外，為降低開關損耗，提高電能轉換效率，在滿足并網要求的基礎上，期望盡量降低開關頻率。基于以上考慮，對控制系統進行優化設計，實現協調控制。控制系統結構如圖3。