一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法、裝置及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法、裝置及系統(tǒng)，屬于光伏發(fā)電變流控制技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括：獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓uout、共模電壓ucm和每一組開關(guān)狀態(tài)組合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)g(k+1)的值；計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+1)的值中的最小值gop(k+1)；獲得最小值gop(k+1)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相光伏并網(wǎng)逆變器的低共模電流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。本發(fā)明能對(duì)逆變器有功功率和無(wú)功功率靈活控制，且具有很好的靜、動(dòng)態(tài)性能，能夠有效地抑制單相光伏并網(wǎng)逆變器的共模電流。
【專利說(shuō)明】
一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法、裝置及系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光伏發(fā)電變流控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方 法、裝置及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來(lái)，太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物能等可再生能源越來(lái)越得到各國(guó)政府的重視以及迅速 發(fā)展。而太陽(yáng)能作為是一種非常有潛力的可再生能源，近年來(lái)得到廣泛的應(yīng)用。
[0003] 光伏并網(wǎng)逆變器作為分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)連接的橋梁，是分布式發(fā)電系統(tǒng)的核 心。光伏并網(wǎng)逆變器的性能直接影響整個(gè)分布式發(fā)電系統(tǒng)的性能。對(duì)于單相光伏并網(wǎng)逆變 器的控制，目前主要有靜止坐標(biāo)系下的準(zhǔn)諧振控制、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的比例積分控制、重復(fù)控 制、無(wú)差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制等。模型預(yù)測(cè)控制(model predictive control，MPC)是一 種根據(jù)控制對(duì)象模型來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)響應(yīng)的控制算法。MPC算法中包含狀態(tài)預(yù)測(cè)模型和根據(jù) 控制目標(biāo)進(jìn)行定義的目標(biāo)函數(shù)。MPC充分利用電力電子變換器的離散化特點(diǎn)，充分考慮到電 力電子變換器的有限種開關(guān)狀態(tài)(變換器具有特定種類的開關(guān)組合）IPC根據(jù)目標(biāo)函數(shù)對(duì) 每一種行為(開關(guān)組合)進(jìn)行在線評(píng)估，選擇能滿足目標(biāo)函數(shù)最小的開關(guān)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電力 電子變換器的控制。模型預(yù)測(cè)控制算法在每個(gè)采樣周期預(yù)測(cè)得到最有效的電壓矢量，并作 為下個(gè)采樣周期的作用矢量。隨著微處理器計(jì)算速度的大幅提升，模型預(yù)測(cè)控制策略在電 力電子的應(yīng)用中體現(xiàn)出巨大的潛力并得到了廣泛的應(yīng)用。模型預(yù)測(cè)控制在三相逆變器、三 相交流電機(jī)、矩陣式變換器等方面廣泛應(yīng)用并取得很好的效果。
[0004] 直接功率控制則類似于交流電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制，直接控制逆變器輸出的有功功 率和無(wú)功功率，近年來(lái)在三相逆變器、三相交流電機(jī)等得到了廣泛的應(yīng)用。
[0005] 單塊太陽(yáng)能電池板輸出電壓低，所以一般需要多塊太陽(yáng)能電池板進(jìn)行串、并聯(lián)來(lái) 組成光伏陣列。然而，光伏陣列占地面積較大，在潮濕的環(huán)境下光伏陣列對(duì)地寄生電容較 大。光伏逆變器輸出高頻變化的電壓在寄生電容上產(chǎn)生共模電流(漏電流）。這種高頻變化 的共模電流對(duì)人身安全和設(shè)備都產(chǎn)生很大的影響。因此，中國(guó)、歐盟等國(guó)家對(duì)光伏并網(wǎng)逆變 壓器的共模電流大小制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要求光伏并網(wǎng)逆變器輸出共模電流小于一定值。
[0006] 但是，目前沒(méi)有一種有效的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)抑制光伏并網(wǎng)逆變器的共模電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 因此，本發(fā)明實(shí)施例要解決的技術(shù)問(wèn)題在于現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法有效抑制光伏并網(wǎng)逆變 器的共模電流。
[0008] 為此，本發(fā)明實(shí)施例的一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法，包括如下步驟：
[0009] 獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓Uciut、共模電壓ucm和每一組開關(guān)狀態(tài)組合之 間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所述開關(guān)狀態(tài)組合表示單相光伏并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)管的開/合狀態(tài)的 組合；
[0010] 計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的 值，g(k+l) = I Pref (k+1 )-P(k+l) I +λ(51 Qref (k+1 )-Q(k+l) I +Acm I uCm_Vdc/2 I，其中，Aq為無(wú)功功 率權(quán)重系數(shù)，1"為共模電壓權(quán)重系數(shù)，Vd。為直流母線電壓，P(k+1)和Q(k+1)分別為k+1時(shí)刻 單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率，Pref(k+1)和Qref(k+1)分別為k+Ι時(shí)刻單相光 伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定和無(wú)功功率的給定；
[0011]計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值中的最小值g〇P(k+l);
[0012] 獲得最小值gcip(k+l)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相光伏并網(wǎng)逆變器的低共 模電流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。
[0013] 優(yōu)選地，
[0014] 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率P(k+1)和無(wú)功功率Q(k+1)的計(jì)算公 式為：
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] eg(k)、uout(kWPig(k)分別為k時(shí)刻電網(wǎng)電壓、單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和 輸出電流，U m為電網(wǎng)電壓的峰值，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，ZUe(S)) 為S0GI在s域的傳遞函數(shù)m(s)離散化，T S為采樣周期。
[0019] 優(yōu)選地，
[0020] 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定Prrf(k+1)由k時(shí)刻有功功率 的給定Pref(k)、k-1時(shí)刻有功功率的給定P ref(k_l)和k-2時(shí)刻有功功率的給定Pref(k_2)通過(guò) 線性插值獲得；
[0021] 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率的給定Qref(k+1)由k時(shí)刻無(wú)功功率 的給定Qref(k)、k-1時(shí)刻無(wú)功功率的給定Q ref(k-1)和k-2時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref(k-2)通過(guò) 線性插值獲得。
[0022] 本發(fā)明實(shí)施例的一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置，包括：
[0023] 獲取單元，用于獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓Uciut、共模電壓u?和每一組開 關(guān)狀態(tài)組合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所述開關(guān)狀態(tài)組合表示單相光伏并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)管的 開/合狀態(tài)的組合；
[0024] 第一計(jì)算單元，用于計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的 目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值，
[0025] g(k+l) = | Pref (k+1 )-P(k+l) | +Aq | Qref (k+1 )-Q(k+l) | +Acm| Ucm_Vdc/2 |，其中，Aq為無(wú) 功功率權(quán)重系數(shù)，\"為共模電壓權(quán)重系數(shù)，Vd。為直流母線電壓，P(k+1)和Q(k+1)分別為k+1 時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率，Pref(k+1)和Qref(k+1)分別為k+1時(shí)刻單 相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定和無(wú)功功率的給定；
[0026] 第二計(jì)算單元，用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值中的最小值gcip(k+l);
[0027] 預(yù)測(cè)控制獲得單元，用于獲得最小值gcip(k+l)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相 光伏并網(wǎng)逆變器的低共模電流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。
[0028] 優(yōu)選地，
[0029] 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率P(k+1)和無(wú)功功率Q(k+1)的計(jì)算公 式為：
[0030]
[0031]
[0032]
[0033] eg(k)、Uciut(kWPig(k)分別為k時(shí)刻電網(wǎng)電壓、單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和 輸出電流，Um為電網(wǎng)電壓的峰值，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，ZUe(S)) 為S0GI在s域的傳遞函數(shù)m(s)離散化，T S為采樣周期。
[0034] 優(yōu)選地，
[0035]所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定Prrf(k+1)由k時(shí)刻有功功率 的給定Pref(k)、k-1時(shí)刻有功功率的給定Pref(k_l)和k-2時(shí)刻有功功率的給定P ref(k_2)通過(guò) 線性插值獲得；
[0036]所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率的給定Qref(k+1)由k時(shí)刻無(wú)功功率 的給定Qref(k)、k-1時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref(k-1)和k-2時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref(k-2)通過(guò) 線性插值獲得。
[0037]本發(fā)明實(shí)施例的一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，包括光伏陣列、單相光伏并網(wǎng) 逆變器、LC濾波器、電網(wǎng)和上述的模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置；
[0038] 光伏陣列、單相光伏并網(wǎng)逆變器、LC濾波器和電網(wǎng)順次連接，模型直接功率預(yù)測(cè)控 制裝置分別與單相光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)連接。
[0039]優(yōu)選地，所述單相光伏并網(wǎng)逆變器包括第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功 率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第五功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管；
[0040]所述第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管組成Η 橋；
[0041 ]所述第五功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管組成交流旁路開關(guān)。
[0042]本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0043] 本發(fā)明實(shí)施例提供的模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法、裝置及系統(tǒng)，通過(guò)定義關(guān)于單 相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率和無(wú)功功率的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)，可根據(jù)有限 的開關(guān)狀態(tài)組合進(jìn)行最小目標(biāo)函數(shù)值的預(yù)測(cè)，結(jié)合了模型預(yù)測(cè)控制和直接功率控制的優(yōu) 點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率和無(wú)功功率的靈活控制，并且系統(tǒng)具有很好的靜、動(dòng) 態(tài)性能，能夠有效地抑制單相光伏并網(wǎng)逆變器的共模電流，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器低共 模電流。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體 實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的 附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0045] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法的一個(gè)具體示例的流程圖；
[0046] 圖2為單相光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0047] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例2中模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置的一個(gè)具體示例的原理框圖； [0048]圖4為本發(fā)明實(shí)施例3中模型直接功率預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的一個(gè)具體示例的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0050] 在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)"第一"、"第二"、"第三"等僅用于描述目 的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。
[0051] 此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu) 成沖突就可以相互結(jié)合。
[0052] 實(shí)施例1
[0053]本實(shí)施例提供一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法，可以用于單相光伏并網(wǎng)逆變器發(fā) 電系統(tǒng)，如圖1所示，該方法包括如下步驟：
[0054] S1、獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓Uciut、共模電壓u?和每一組開關(guān)狀態(tài)組合 之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，開關(guān)狀態(tài)組合表示單相光伏并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)管的開/合狀態(tài)的組 合；
[0055] S2、計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)g(k+l) 的值，
[0056] g(k+l) = | Pref (k+1 )-P(k+l) | +Aq | Qref (k+1 )-Q(k+l) | +Acm| Ucm_Vdc/2 |，其中，Aq為無(wú) 功功率權(quán)重系數(shù)，\"為共模電壓權(quán)重系數(shù)，Vd。為直流母線電壓，P(k+1)和Q(k+1)分別為k+1 時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率，Pref(k+1)和Qref(k+1)分別為k+1時(shí)刻單 相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定和無(wú)功功率的給定；
[0057] S3、計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值中的最小值gcip(k+l);
[0058] S4、獲得最小值gQP(k+l)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相光伏并網(wǎng)逆變器的低 共模電流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。
[0059] 上述模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法，通過(guò)定義關(guān)于單相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率和 無(wú)功功率的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)，可根據(jù)有限的開關(guān)狀態(tài)組合進(jìn)行最小目標(biāo) 函數(shù)值的預(yù)測(cè)，結(jié)合了模型預(yù)測(cè)控制和直接功率控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器有 功功率和無(wú)功功率的靈活控制，并且系統(tǒng)具有很好的靜、動(dòng)態(tài)性能，能夠有效地抑制單相光 伏并網(wǎng)逆變器的共模電流，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器低共模電流。
[0060] 優(yōu)選地，k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率P(k+1)和無(wú)功功率Q(k+1)的計(jì) 算公式為：
[0061]
[0062]
[0063]
[0064] eg(k)、Uciut(kWPig(k)分別為k時(shí)刻電網(wǎng)電壓、單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和 輸出電流，U m為電網(wǎng)電壓的峰值，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，ZUe(S)) 為SOGI(Second_order generalized integrator，雙階廣義積分）在s域的傳遞函數(shù)xp(s) 離散化，TS為采樣周期。
[0065]優(yōu)選地，k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定Pref(k+1)由k時(shí)刻有功功 率的給定Pref(k)、k-1時(shí)刻有功功率的給定pref(k-l)和k-2時(shí)刻有功功率的給定Pref(k-2)通 過(guò)線性插值獲得；
[0066] k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率的給定Qref(k+1)由k時(shí)刻無(wú)功功率的給 定Qref (k)、k-l時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-1)和k-2時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-2)通過(guò)線性 插值獲得。
[0067] 下面以一種具體的單相光伏并網(wǎng)逆變器發(fā)電系統(tǒng)為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，如圖2所示， 該發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、低共模電流單相光伏并網(wǎng)逆變器、LC濾波器、電網(wǎng)等構(gòu)成。單相光 伏并網(wǎng)逆變器由Η橋（由功率開關(guān)管S1、功率開關(guān)管S2、功率開關(guān)管S3和功率開關(guān)管S4組成） 和交流旁路開關(guān)（由功率開關(guān)管S5和功率開關(guān)管S6組成）。光伏陣列提供系統(tǒng)的輸入功率， 單相光伏并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)有功功率和無(wú)功功率的控制。其中11。#為單相光伏并網(wǎng) 逆變器輸出電壓，i g為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流，eg為電網(wǎng)電壓，C?為光伏陣列對(duì)地等 效電容，i ?為單相光伏并網(wǎng)逆變器共模電流(漏電流），L為濾波電感，C為濾波電容。
[0068] 根據(jù)圖2,單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓為：
[0069]
⑴
[0070]其中，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，UAN為A、N點(diǎn)之間的電壓， uBN為B、N點(diǎn)之間的電壓。
[0071 ]電網(wǎng)電壓和單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流可表示為：
[0072]
(2)
[0073] 其中，仏和1?分別為電網(wǎng)電壓和單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出電流的峰值，ω為電網(wǎng)電 壓的角頻率，Ρ為功率因數(shù)角度，I mi為輸出電流第i次諧波的峰值，的為輸出電流第i次諧波 的功率因數(shù)角度，逆變器輸電電流的第二項(xiàng)代表電流的諧波。
[0074] 忽略逆變器輸出電流的諧波，單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出有功功率P和無(wú)功功率Q可 表示為：
[0075] (3)
[0076] 為了瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率計(jì)算的方便和簡(jiǎn)單，三相功率變換系統(tǒng)的有功功率 和無(wú)功功率的計(jì)算通常轉(zhuǎn)化以兩相靜止αβ坐標(biāo)系或兩相旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系。對(duì)于單相光伏并網(wǎng) 逆變器，需要構(gòu)造一個(gè)虛擬的兩相系統(tǒng)。雙階廣義積分（Second-order general ized integrator，S0GI)是一種先進(jìn)的正交信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，在分布式發(fā)電技術(shù)應(yīng)用廣泛。在本系 統(tǒng)中，該方法被采用。S0GI在s-域的傳遞函數(shù)可表示為：
[0077]
(4)
[0078] 其中，k為S0GI的阻尼因子。優(yōu)選地，k可以取值為k = 0.5。
[0079 ]結(jié)合式(2)和式(4 )，虛擬的電網(wǎng)電壓的基波分量和逆變器輸出電流的基波分量可 表示為：
[0080]
[0081]
[0082] 其中，egp為電網(wǎng)電壓的虛擬β分量;ige為逆變器輸出電流虛擬β分量。
[0083] 由此可得
[0084] 結(jié)合式(3)、式(5)和式(6)可得逆變器輸出的有功功率和無(wú)功功率可表示為：
[0085] (7) 、 .Jmmt
Μ,
[0086] 假定采樣周期％為比較小，通過(guò)前向歐拉公式將式(1)離散化可得：
[0087]
(8)
[0088] 則在k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器預(yù)測(cè)電流為：
[0089]
(9)
[0090] 結(jié)合式(4)和式(9)可得在k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器預(yù)測(cè)電流β分量為：
[0091] igp(k+l) = iga(k+l )Z(xp(s)) (10)
[0092] 其中，Z(X{!(S))是傳遞函數(shù)X{!(S)離散化。
[0093] 在(k+Ι)時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率可表示為：
[0094]
C 1 1 )
[0095]由于PWM周期比電網(wǎng)電壓周期小很多，電網(wǎng)電壓在(k)時(shí)刻和(k+1)時(shí)刻基本保持 不變，可認(rèn)為：
[0096]
(12)
[0097] 其中，在(k+Ι)時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率給定Pref(k+1)和無(wú)功功率的給 定Qref(k+1)可由（k)時(shí)刻的給定有功功率P ref(k)和無(wú)功功率Qref(k)、（k_l)時(shí)刻的給定有功 功率Pref(k_l)和無(wú)功功率Q ref(k-l)、（k_2)時(shí)刻的給定有功功率Pref(k_2)和無(wú)功功率Qref (k-2)通過(guò)線性插值可得：
[0098]
(13)
[0099] 單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出的共模電壓11"為：
[0100]
(14)
[0101] 為實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器低共模電流，共模電壓1!"需維持恒定值。
[0102] 單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓Uciut可根據(jù)逆變器功率開關(guān)管輸出值(取值為0或1) 和直流母線電壓可得：
[0103] u〇ut=(SiS4-S2S3)Vdc (15)
[0104] 根據(jù)式(2)和式(3)，單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出電壓、共模電壓與開關(guān)狀態(tài)組合的 關(guān)系如下表所示。
[0105]
[0106]
[0107] 為實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率、無(wú)功功率、共模電模(漏電流)的有效控制， 模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)定義為：
[0108] g(k+l) = | Pref (k+1 )-P(k+l) | +Aq | Qref (k+1 )-Q(k+l) | +Acm | Ucm_Vdc/2 | (16)
[0109] 其中，Aq為無(wú)功功率權(quán)重系數(shù)，λ?為共模電壓權(quán)重系數(shù)。優(yōu)選地，AqiO.SAc^iIO。
[0110] 根據(jù)上表中的開關(guān)狀態(tài)組合，在4組開關(guān)狀態(tài)組合中哪一個(gè)開關(guān)狀態(tài)組合使模型 直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)最小，則這一個(gè)開關(guān)狀態(tài)組合將在下一個(gè)PWM周期使用，實(shí)現(xiàn) 單相光伏并網(wǎng)逆變器低共模電流。
[0111] 實(shí)施例2
[0112] 對(duì)應(yīng)于實(shí)施例1，本實(shí)施例提供一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置，如圖3所示，包 括：
[0113]獲取單元1，用于獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓UQUt、共模電壓u?和每一組 開關(guān)狀態(tài)組合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，開關(guān)狀態(tài)組合表示單相光伏并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)管的 開/合狀態(tài)的組合；
[0114] 第一計(jì)算單元2，用于計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制 的目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值，
[0115] g(k+l)=| Pref (k+1 )-P(k+l) | +Aq | Qref (k+1 )-Q(k+l) | +Acm | Ucm_Vdc/2 |，其中，Aq 為無(wú) 功功率權(quán)重系數(shù)，\"為共模電壓權(quán)重系數(shù)，Vd。為直流母線電壓，P(k+1)和Q(k+1)分別為k+1 時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率，Pref(k+1)和Qref(k+1)分別為k+1時(shí)刻單 相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定和無(wú)功功率的給定；
[0116] 第二計(jì)算單元3,用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值中的最小值gcip(k+l);
[0117] 預(yù)測(cè)控制獲得單元4,用于獲得最小值gcip(k+l)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單 相光伏并網(wǎng)逆變器的低共模電流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。
[0118] 上述模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置，通過(guò)定義關(guān)于單相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率和 無(wú)功功率的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)，可根據(jù)有限的開關(guān)狀態(tài)組合進(jìn)行最小目標(biāo) 函數(shù)值的預(yù)測(cè)，結(jié)合了模型預(yù)測(cè)控制和直接功率控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器有 功功率和無(wú)功功率的靈活控制，并且系統(tǒng)具有很好的靜、動(dòng)態(tài)性能，能夠有效地抑制單相光 伏并網(wǎng)逆變器的共模電流，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器低共模電流。
[0119] 優(yōu)選地，k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率P(k+1)和無(wú)功功率Q(k+1)的計(jì) 算公式為：
[0120]
[0121]
[0122]
[0123] eg(k)、iw(kWPig(k)分別為k時(shí)刻電網(wǎng)電壓、單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和 輸出電流，U m為電網(wǎng)電壓的峰值，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，ZUe(s)) 為S0GI在s域的傳遞函數(shù)m(s)離散化，T S為采樣周期。
[0124] 優(yōu)選地，k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定Pref(k+1)由k時(shí)刻有功功 率的給定Pref(k)、k-1時(shí)刻有功功率的給定p ref(k-l)和k-2時(shí)刻有功功率的給定Pref(k-2) 通過(guò)線性插值獲得；
[0125] k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率的給定Qref(k+1)由k時(shí)刻無(wú)功功率的給 定Qref (k)、k-l時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-1)和k-2時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-2)通過(guò)線性 插值獲得。
[0126] 實(shí)施例3
[0127] 本實(shí)施例提供一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，如圖4所示，包括光伏陣列10、單 相光伏并網(wǎng)逆變器20、LC濾波器30、電網(wǎng)40和實(shí)施例2的模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置50;
[0128] 光伏陣列10、單相光伏并網(wǎng)逆變器20、LC濾波器30和電網(wǎng)40順次連接，模型直接功 率預(yù)測(cè)控制裝置50分別與單相光伏并網(wǎng)逆變器20和電網(wǎng)40連接。
[0129] 上述模型直接功率預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)定義關(guān)于單相光伏并網(wǎng)逆變器有功功率和 無(wú)功功率的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)，可根據(jù)有限的開關(guān)狀態(tài)組合進(jìn)行最小目標(biāo) 函數(shù)值的預(yù)測(cè)，結(jié)合了模型預(yù)測(cè)控制和直接功率控制的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器有 功功率和無(wú)功功率的靈活控制，并且系統(tǒng)具有很好的靜、動(dòng)態(tài)性能，能夠有效地抑制單相光 伏并網(wǎng)逆變器的共模電流，實(shí)現(xiàn)單相光伏并網(wǎng)逆變器低共模電流。
[0130] 優(yōu)選地，如圖4所示，單相光伏并網(wǎng)逆變器包括第一功率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān) 管S2、第三功率開關(guān)管S3、第四功率開關(guān)管S4、第五功率開關(guān)管S5和第六功率開關(guān)管S6; [0131]第一功率開關(guān)管S1、第二功率開關(guān)管S2、第三功率開關(guān)管S3和第四功率開關(guān)管S4 組成Η橋；
[0132] 第五功率開關(guān)管S5和第六功率開關(guān)管S6組成交流旁路開關(guān)。
[0133] 顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì) 于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或 變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或 變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制方法，其特征在于，包括如下步驟： 獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓Uout、共模電壓u?和每一組開關(guān)狀態(tài)組合之間的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，所述開關(guān)狀態(tài)組合表示單相光伏并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)管的開/合狀態(tài)的組合； 計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值，g (k+1) = I Pref (k+1 )~P(k+l) I +Aq I Qref (k+1 )-Q(k+l) I +Acm I Ucm_Vdc/2 I，其中，Aq為無(wú)功功率權(quán) 重系數(shù)，1"為共模電壓權(quán)重系數(shù)，Vd。為直流母線電壓，P(k+1)和Q(k+1)分別為k+1時(shí)刻單相 光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率，P ref(k+1)和Qref(k+1)分別為k+Ι時(shí)刻單相光伏并 網(wǎng)逆變器的有功功率的給定和無(wú)功功率的給定； 計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+l)的值中的最小值g〇P(k+l); 獲得最小值g〇P(k+l)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相光伏并網(wǎng)逆變器的低共模電 流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于， 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率P(k+1)和無(wú)功功率Q(k+1)的計(jì)算公式eg(k)、Uciut(kWPig(k)分別為k時(shí)刻電網(wǎng)電壓、單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和輸出 電流，Um為電網(wǎng)電壓的峰值，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，Z(Xe( S))為 SOGI在s域的傳遞函數(shù)Ms)離散化，TS為采樣周期。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于， 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定Pre3f (k+1)由k時(shí)刻有功功率的給 定Pref (k)、k-l時(shí)刻有功功率的給定Pref (k-1)和k-2時(shí)刻有功功率的給定Pref (k-2)通過(guò)線性 插值獲得； 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率的給定Qre3f (k+Ι)由k時(shí)刻無(wú)功功率的給 定Qref (k)、k-l時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-1)和k-2時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-2)通過(guò)線性 插值獲得。4. 一種模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置，其特征在于，包括： 獲取單元，用于獲取單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓ιι_、共模電壓1!?和每一組開關(guān)狀 態(tài)組合之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所述開關(guān)狀態(tài)組合表示單相光伏并網(wǎng)逆變器的功率開關(guān)管的開/ 合狀態(tài)的組合； 第一計(jì)算單元，用于計(jì)算每一組開關(guān)狀態(tài)組合所對(duì)應(yīng)的模型直接功率預(yù)測(cè)控制的目標(biāo) 函數(shù)g(k+l)的值， g(k+l ) = I Pref (k+1 )-P(k+l ) I +Aq I Qref (k+1 )-Q(k+l ) I +Acm I Ucm_Vdc/2 I，其中，Aq為無(wú)功功 率權(quán)重系數(shù)，1"為共模電壓權(quán)重系數(shù)，Vd。為直流母線電壓，P(k+1)和Q(k+1)分別為k+1時(shí)刻 單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率和無(wú)功功率，Pref(k+1)和Q ref(k+1)分別為k+Ι時(shí)刻單相光 伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定和無(wú)功功率的給定； 第二計(jì)算單元，用于計(jì)算目標(biāo)函數(shù)g(k+Ι)的值中的最小值gop(k+Ι); 預(yù)測(cè)控制獲得單元，用于獲得最小值g〇P(k+l)所對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)組合，實(shí)現(xiàn)對(duì)單相光伏 并網(wǎng)逆變器的低共模電流模型直接功率預(yù)測(cè)控制。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于， 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率P(k+1)和無(wú)功功率Q(k+1)的計(jì)算公式 為：eg(k)、Uciut(kWPig(k)分別為k時(shí)刻電網(wǎng)電壓、單相光伏并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和輸出 電流，Um為電網(wǎng)電壓的峰值，R為單相光伏并網(wǎng)逆變器輸出與電網(wǎng)之間總電阻，Z(Xe( S))為 SOGI在s域的傳遞函數(shù)Ms)離散化，TS為采樣周期。6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于， 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的有功功率的給定Pre3f (k+1)由k時(shí)刻有功功率的給 定Pref (k)、k-l時(shí)刻有功功率的給定Pref (k-1)和k-2時(shí)刻有功功率的給定Pref (k-2)通過(guò)線性 插值獲得； 所述k+Ι時(shí)刻單相光伏并網(wǎng)逆變器的無(wú)功功率的給定Qre3f (k+Ι)由k時(shí)刻無(wú)功功率的給 定Qref (k)、k-l時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-1)和k-2時(shí)刻無(wú)功功率的給定Qref (k-2)通過(guò)線性 插值獲得。7. -種模型直接功率預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，其特征在于，包括光伏陣列、單相光伏并網(wǎng)逆變 器、LC濾波器、電網(wǎng)和如權(quán)利要求4-6任一項(xiàng)所述的模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝置； 光伏陣列、單相光伏并網(wǎng)逆變器、LC濾波器和電網(wǎng)順次連接，模型直接功率預(yù)測(cè)控制裝 置分別與單相光伏并網(wǎng)逆變器和電網(wǎng)連接。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述單相光伏并網(wǎng)逆變器包括第一功率開 關(guān)管(SI)、第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)、第四功率開關(guān)管(S4)、第五功率開 關(guān)管(S5)和第六功率開關(guān)管(S6); 所述第一功率開關(guān)管（SI)、第二功率開關(guān)管（S2)、第三功率開關(guān)管（S3)和第四功率開 關(guān)管(S4)組成H橋； 所述第五功率開關(guān)管(S5)和第六功率開關(guān)管(S6)組成交流旁路開關(guān)。
【文檔編號(hào)】H02M7/5387GK105897029SQ201610392922
【公開日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日
【發(fā)明人】黃敏, 楊勇, 方剛, 盧進(jìn)軍, 劉滔, 蔣峰, 曾維波
【申請(qǐng)人】江蘇固德威電源科技股份有限公司