CN109038673A - 光伏发电***的模型预测优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电***的模型预测优化控制方法，将光伏发电***MPPT控制输出的稳定直流电压U_dc，两相静止坐标系下的e_α、e_β、i_α、i_β和并网参考电流i_α ^*和i_β ^*送入降阶模型预测控制中，结合光伏发电***的离散数学模型和目标函数进行滚动寻优，选择最优开关状态作为输出，相对于SVPWM控制方法和模型预测传统控制方法而言，其以纯软件而非硬件的方式处理，节约成本，能够在保证NPC三电平并网逆变器中点电位平衡的情况下减少循环计算时间，提高运行效率；在理想和非理想电网工况下能够实现光伏发电***的安全可靠并网，提高并网电流的波形质量和降低并网电流的谐波含量，从而达到改善光伏发电***的整体性能。

Description

光伏发电***的模型预测优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种光伏发电***的模型预测优化控制方法。

背景技术

光伏发电***中，二极管箝位型(neutral point clamped，NPC)三电平逆变器相对于传统两电平逆变器，具有低谐波输出量、低开关损耗、低开关频率以及低器件耐压水平等优点，因此其广泛应用于中大容量的分布式并网发电系中。控制策略主要有：SVPWM控制方法和模型预测传统控制方法。SVPWM控制方法在不同扇区合成参考电压矢量过程中，由于各个区域电压矢量的作用顺序不同，对应区域电压矢量作用时间顺序也有变化，因此其计算量大，占用CPU大量资源，并且中点电位控制效果不佳；模型预测传统控制方法每循环一个周期需要对27个开关矢量进行寻优，计算量大，导致CPU资源的大量浪费。因此，对目前的控制方法进行优化具有较强的现实意义。

发明内容

本发明是针对SVPWM控制方法和模型预测传统控制方法存在的问题，提出了一种光伏发电***的模型预测优化控制方法，该方法将光伏发电***MPPT控制输出的稳定直流电压U_dc，两相静止坐标系下的e_α、e_β、i_α、i_β和并网参考电流i_α ^*和i_β ^*送入降阶模型预测控制中，结合光伏发电***的离散数学模型和目标函数进行滚动寻优，选择最优开关状态作为输出，相对于SVPWM控制方法和模型预测传统控制方法而言，其以纯软件而非硬件的方式处理，节约成本，能够在保证NPC三电平并网逆变器中点电位平衡的情况下减少循环计算时间，提高运行效率；在理想和非理想电网工况下能够实现光伏发电***的安全可靠并网，提高并网电流的波形质量和降低并网电流的谐波含量，从而达到改善光伏发电***的整体性能。

本发明的技术方案为：一种光伏发电***的模型预测优化控制方法，光伏通过Boost电路升压后通过NPC三电平逆变器将直流电转换为交流电，交流电经过负载电感L和负载电阻R后并入电网，采集并网点三相电流信号i_a、i_b、i_c以及三相电压信号e_a、e_b、e_c，将其变为两相静止坐标系下的i_α、i_β以及e_α、e_β，并和并网参考电流i_α ^*和i_β ^*一起送入降阶模型预测控制中；光伏发电***MPPT控制输出的稳定直流电压U_dc和NPC三电平逆变器的箝位中点电压送入降阶模型预测控制模块中，降阶模型预测控制模块根据光伏发电***的离散数学模型和扇区划分进行未来时刻并网电流i_α、i_β和NPC三电平逆变器直流侧中点电位u_o值预测，再将预测值代入目标函数进行寻优，目标函数小为优，选择最优开关状态作为输出，控制NPC三电平逆变器中开关管工作，其中目标函数g如下：

其中：n_c为开关频率，λ_dc、λ_n为NPC三电平逆变器直流侧中点电位和开关频率权重系数，考虑到中点电位的优先权大于开关频率，故设置λ_dc的数值大于λ_n。

所述降阶模型预测控制模块中扇区划分：三电平空间矢量图由6个近似两电平空间矢量图的6个小扇区相互重叠构成，通过判断并网参考电流与零之间的大小、方向关系将三电平的27个开关矢量均匀分布在6个小扇区内，扇区划分判断如下：

将三相并网参考电流值i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*相乘，如三相乘积大于等于0，则判断1)i_a ^*大于等于0，则选择A1扇区；2)如i_a ^*小于0，i_b ^*大于等于0，则选择A3扇区；3)如i_b ^*小于0，则选择A5扇区；如三相乘积小于0，则判断1)i_a ^*小于0，则选择A4扇区；2)i_a ^*大于等于0，i_b ^*小于0，则选择A6扇区；3)i_b ^*大于等于0，则选择A2扇区。

所述降阶模型预测控制模块中预测优化控制方法为：

光伏发电***的离散数学模型：

其中u_α、β(k)为k时刻NPC三电平逆变器的两相静止坐标系下输出电压；e_α、β(k)为k时刻两相静止坐标系下并网点电压；i_α、β(k)为k时刻两相静止坐标系下并网点电流；T_s为采样周期；

其中u₀(k)为k时刻NPC三电平逆变器直流侧中点电位；S_a、S_b、S_c为k时刻NPC三电平逆变器三相开关状态；i_a、i_b、i_c为k时刻并网点三相电流值；C为NPC三电平逆变器直流侧电容；

采用两步预测法对延时进行补偿，在t(k)时刻，即当前时刻，

第一步：根据并网电流参考值与零之间的大小、方向关系进行扇区的判断和选择；

第二步：在相应的扇区内利用光伏发电***离散数学模型计算t(k+1)时刻的预测值i_α(k+1)、i_β(k+1)和u_o(k+1)，并将这三个预测值再次作为反馈值，计算t(k+2)时刻的预测值i_α(k+2)、i_β(k+2)、u_o(k+2)和n_c；

第三步：将k+1时刻和k+2时刻预测值代入目标函数g，选择使目标函数值较小的时刻对应扇区的开关状态，此开关状态即为最优开关状态，将该最优开关状态作为t(k)时刻的输出S_opt(k)；

第四步：对第k个采样周期的并网参考电流i_α ^*(k)和i_β ^*(k)做两个采样周期的相角补偿，具体公式如下所示：

其中：j是虚数单位，ω＝2πf，f＝50Hz，T_s为采样周期。

本发明的有益效果在于：本发明光伏发电***的模型预测优化控制方法，利用降阶模型预测控制算法，以纯软件而非硬件的方式处理，节约成本，且在保证NPC三电平逆变器中点电位平衡的情况下大幅简化计算量；在理想和非理想电网工况下保证光伏发电***安全可靠并网，提高并网电流的波形质量和降低并网电流的谐波含量，从而达到改善光伏发电***的整体性能和提高***的运行效率，同时该方法也易于实现。

附图说明

图1为本发明光伏发电***的模型预测优化控制方法总图；

图2为本发明光伏发电***的模型预测优化控制方法中将三电平降阶为6个近似两电平的参考坐标系示意图；

图3为本发明光伏发电***的模型预测优化控制方法扇区判断流程图；

图4a为实施例1对应的A相并网电流与A相电压示意图；

图4b为实施例1对应的三相并网电流示意图；

图4c为实施例1对应的NPC三电平逆变器直流侧中点电位示意图；

图4d为实施例1对应的A相并网电流谐波分析示意图；

图5a为实施例2对应的A相并网电流与A相电压示意图；

图5b为实施例2对应的三相并网电流示意图；

图5c为实施例2对应的NPC三电平逆变器直流侧中点电位示意图；

图5d为实施例2对应的A相并网电流谐波分析示意图。

具体实施方式

如图1所示光伏发电***的模型预测优化控制方法总图，光伏通过Boost电路升压后通过NPC三电平逆变器将直流电转换为交流电，交流电经过负载电感L和负载电阻R后并入电网，采集并网点三相电流信号i_a、i_b、i_c以及三相电压信号e_a、e_b、e_c，将其变为两相静止坐标系下的i_α、i_β、e_α、e_β，并和并网参考电流i_α ^*和i_β ^*一起送入降阶模型预测控制中；光伏发电***MPPT控制输出的稳定直流电压U_dc和NPC三电平逆变器的箝位中点电压送入降阶模型预测控制模块中，降阶模型预测控制模块结合光伏发电***的离散数学模型和目标函数进行滚动寻优，选择最优开关状态作为输出，控制NPC三电平逆变器中开关管工作。

1、一种光伏发电***的模型预测优化控制方法的扇区划分

为了减少循环时间，实现算法的优化，根据两电平8个开关矢量构成一个循环周期的思路，可以根据并网参考电流将三电平分解成6个近似两电平，从而将三电平降阶为近似两电平控制，将三电平降阶为6个近似两电平的参考坐标系如图2所示。图2表示三电平空间矢量图由6个近似两电平空间矢量图的6个小扇区相互重叠构成，通过判断并网参考电流与零之间的大小、方向关系可以将三电平的27个开关矢量均匀分布在6个小扇区内，如表1所示各个小扇区的开关矢量状态，从而将三电平降阶为两电平循环控制，大大减少循环所用时间。由图3所示，根据i_a ^*、i_b ^*、i_c ^*与零之间的大小、方向关系可以快速判断出所选择的扇区，图中的A1-A6依次表示6个小扇区。

表1

将三相并网参考电流值i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*相乘，如三相乘积大于等于0，则判断1)i_a ^*大于等于0，则选择A1扇区；2)如i_a ^*小于0，i_b ^*大于等于0，则选择A3扇区；3)如i_b ^*小于0，则选择A5扇区；如三相乘积小于0，则判断1)i_a ^*小于0，则选择A4扇区；2)i_a ^*大于等于0，i_b ^*小于0，则选择A6扇区；3)i_b ^*大于等于0，则选择A2扇区。

2、一种光伏发电***的模型预测优化控制方法的目标函数与预测计算

模型预测控制属于最优控制范畴，需要定义与被控变量相关的目标函数g作为最优选择的依据，本发明需要控制并网电流i_α和i_β快速跟踪并网参考电流i_α ^*和i_β ^*，控制NPC三电平逆变器直流侧中点电位u_o平衡以及减少开关频率n_c，定义目标函数g如下：

其中：n_c为开关频率，λ_dc、λ_n为NPC三电平逆变器直流侧中点电位和开关频率权重系数，考虑到中点电位的优先权大于开关频率，故设置λ_dc的数值大于λ_n。

光伏发电***的离散数学模型：

其中u_α、β(k)为k时刻NPC三电平逆变器的两相静止坐标系下输出电压；e_α、β(k)为k时刻两相静止坐标系下并网点电压；i_α、β(k)为k时刻两相静止坐标系下并网点电流；T_s为采样周期。

其中u₀(k)为k时刻NPC三电平逆变器直流侧中点电位；S_a、S_b、S_c为k时刻NPC三电平逆变器三相开关状态；i_a、i_b、i_c为k时刻并网点三相电流值；C为NPC三电平逆变器直流侧电容。

考虑到实际采样和计算存在延时，本发明采用两步预测法对延时进行补偿，以改善光伏发电***的整体性能，提高并网电流的波形质量和降低并网电流的谐波含量。在t(k)时刻(即当前时刻)，第一步：根据并网电流参考值与零之间的大小、方向关系进行扇区的判断和选择。第二步：在相应的扇区内利用光伏发电***离散数学模型计算t(k+1)时刻的预测值i_α(k+1)、i_β(k+1)和u_o(k+1)，并将这三个预测值再次作为反馈值，计算t(k+2)时刻的预测值i_α(k+2)、i_β(k+2)、u_o(k+2)和n_c。第三步：将k+1时刻和k+2时刻预测值代入目标函数g，选择使目标函数值较小的时刻对应扇区的开关状态，此开关状态即为最优开关状态，将该最优开关状态作为t(k)时刻的输出S_opt(k)。下一个采样周期重复以上的步骤。应当指出的是，为了减小控制误差，本发明对第k个采样周期的并网参考电流i_α ^*(k)和i_β ^*(k)做两个采样周期的相角补偿，具体如公式2所示：

其中：j是虚数单位，ω＝2πf，f＝50Hz，T_s为采样周期。

实施例1是按照图1所示的在理想电网情况下对光伏发电***的优化控制方法进行仿真实验，具体参数如表1所示。实施例1的仿真结果如图4a～4d所示，图4a～4d分别为A相并网电流与A相电压示意图，三相并网电流示意图，NPC三电平逆变器直流侧中点电位示意图，A相并网电流谐波分析示意图，从图4a～4d可以看出，A相并网电流与A相电网电压同相位，保持单位功率因数为1，三相并网电流是相位互差120°的光滑正弦波并且满足并网谐波要求，同时NPC三电平逆变器直流侧中点电位也保持稳定。

表1

实施例2是按照图1所示的在三相电网电压幅值非理想的情况下对光伏发电***的优化控制方法进行仿真实验，具体参数如表2所示。实施例2的仿真结果如图5a～5d所示，图5a～5d分别为A相并网电流与A相电压示意图，三相并网电流示意图，NPC三电平逆变器直流侧中点电位示意图，A相并网电流谐波分析示意图，从图5a～5d可以看出，A相并网电流与A相电网电压同相位，保持单位功率因数为1，三相并网电流是相位互差120°的光滑正弦波并且满足并网谐波要求，虽然在三相电网电压幅值非理想情况下NPC三电平逆变器直流侧中点电位波动范围较理想情况较大，但最后稳定在一定范围内。

表2

Claims (3)

1.一种光伏发电***的模型预测优化控制方法，光伏通过Boost电路升压后通过NPC三电平逆变器将直流电转换为交流电，交流电经过负载电感L和负载电阻R后并入电网，其特征在于，采集并网点三相电流信号i_a、i_b、i_c以及三相电压信号e_a、e_b、e_c，将其变为两相静止坐标系下的i_α、i_β以及e_α、e_β，并和并网参考电流i_α ^*和i_β ^*一起送入降阶模型预测控制中；光伏发电***MPPT控制输出的稳定直流电压U_dc和NPC三电平逆变器的箝位中点电压送入降阶模型预测控制模块中，降阶模型预测控制模块根据光伏发电***的离散数学模型和扇区划分进行未来时刻并网电流i_α、i_β和NPC三电平逆变器直流侧中点电位u_o值预测，再将预测值代入目标函数进行寻优，目标函数小为优，选择最优开关状态作为输出，控制NPC三电平逆变器中开关管工作，其中目标函数g如下：

其中：n_c为开关频率，λ_dc、λ_n为NPC三电平逆变器直流侧中点电位和开关频率权重系数，考虑到中点电位的优先权大于开关频率，故设置λ_dc的数值大于λ_n。

2.根据权利要求1所述光伏发电***的模型预测优化控制方法，其特征在于，所述降阶模型预测控制模块中扇区划分：三电平空间矢量图由6个近似两电平空间矢量图的6个小扇区相互重叠构成，通过判断并网参考电流与零之间的大小、方向关系将三电平的27个开关矢量均匀分布在6个小扇区内，扇区划分判断如下：

将三相并网参考电流值i_a ^*、i_b ^*和i_c ^*相乘，如三相乘积大于等于0，则判断1)i_a ^*大于等于0，则选择A1扇区；2)如i_a ^*小于0，i_b ^*大于等于0，则选择A3扇区；3)如i_b ^*小于0，则选择A5扇区；如三相乘积小于0，则判断1)i_a ^*小于0，则选择A4扇区；2)i_a ^*大于等于0，i_b ^*小于0，则选择A6扇区；3)i_b ^*大于等于0，则选择A2扇区。

3.根据权利要求2所述光伏发电***的模型预测优化控制方法，其特征在于，所述降阶模型预测控制模块中预测优化控制方法为：

光伏发电***的离散数学模型：

其中u_α、β(k)为k时刻NPC三电平逆变器的两相静止坐标系下输出电压；e_α、β(k)为k时刻两相静止坐标系下并网点电压；i_α、β(k)为k时刻两相静止坐标系下并网点电流；T_s为采样周期；

其中u₀(k)为k时刻NPC三电平逆变器直流侧中点电位；S_a、S_b、S_c为k时刻NPC三电平逆变器三相开关状态；i_a、i_b、i_c为k时刻并网点三相电流值；C为NPC三电平逆变器直流侧电容；

采用两步预测法对延时进行补偿，在t(k)时刻，即当前时刻，

第一步：根据并网电流参考值与零之间的大小、方向关系进行扇区的判断和选择；

第二步：在相应的扇区内利用光伏发电***离散数学模型计算t(k+1)时刻的预测值i_α(k+1)、i_β(k+1)和u_o(k+1)，并将这三个预测值再次作为反馈值，计算t(k+2)时刻的预测值i_α(k+2)、i_β(k+2)、u_o(k+2)和n_c；

第三步：将k+1时刻和k+2时刻预测值代入目标函数g，选择使目标函数值较小的时刻对应扇区的开关状态，此开关状态即为最优开关状态，将该最优开关状态作为t(k)时刻的输出S_opt(k)；

第四步：对第k个采样周期的并网参考电流i_α ^*(k)和i_β ^*(k)做两个采样周期的相角补偿，具体公式如下所示：

其中：j是虚数单位，ω＝2πf，f＝50Hz，T_s为采样周期。