配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制方法研究

郭惠蕓 江曉玲

摘要：為了提高配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器建模的穩(wěn)定性，提出基于耦合特性建模的配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制方法。以頻率耦合特征、電流響應(yīng)分量、并網(wǎng)逆變器的頻率特征分量等為約束參量，構(gòu)建配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣的控制約束參量模型。在產(chǎn)生同頻率的擾動(dòng)電流分量的條件下，進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，計(jì)算逆變器的諧振角頻率，通過(guò)逆變器諧振頻率特征分析方法進(jìn)行側(cè)電感電流預(yù)測(cè)控制。根據(jù)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的耦合特性進(jìn)行電流阻尼特征分解，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制。仿真結(jié)果表明，所提方法的預(yù)測(cè)控制輸出穩(wěn)定性較好，能夠使逆變器在諧振條件下保持穩(wěn)定狀態(tài)，提高了配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定控制能力。

關(guān)鍵詞：配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器，采樣模型，預(yù)測(cè)控制，擾動(dòng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM743?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?文章編號(hào)：2095-5383（2020）01-0001-04

Abstract：To improve the modeling stability of grid-connected inverter on the grid side，a predictive control method of sampling model for grid-connected inverter on the grid-side based on coupling characteristic modeling was proposed.?Taking the frequency coupling characteristics，current response components and frequency characteristic components of grid-connected inverter as constraint parameters，the control constraint parameter model for sampling of grid-connected inverter on the grid-side was constructed.?Under the condition of generating the disturbance current component of the same frequency，the output stability of the grid-connected inverter on the grid-side was adjusted，the resonance angle frequency of the inverter was calculated，and the side inductance current predictive control was carried out by analyzing the resonant frequency characteristics of the inverter.?According to the coupling characteristics of grid-connected inverter on the grid，the current damping characteristics were decomposed，and the predictive control of sampling model for the grid-connected inverter on the grid side was realized.?The simulation results show that the predictive control output stability of the proposed method is good，which can keep the inverter stable under the condition of resonance，and improve the stable control ability of the grid-connected inverter on the grid side.

Keywords：grid-connected inverter on the grid-side，sampling model，predictive control，disturbance

在新能源電網(wǎng)大規(guī)模接入的情況下，需要采用配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器作為傳輸接口，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)和多電平換流控制。配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器等電力電子裝置在電網(wǎng)中進(jìn)行電力輸出控制時(shí)，容易受到相序正弦電壓擾動(dòng)的影響，導(dǎo)致其解耦控制性能不好，需要對(duì)其進(jìn)行采樣模型預(yù)測(cè)控制[1]。建立配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，根據(jù)其單入多出特性進(jìn)行穩(wěn)定性判決分析，提高其自適應(yīng)控制能力。研究配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型的預(yù)測(cè)控制方法，在優(yōu)化配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)、提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性方面具有重要意義[2]。

對(duì)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制問(wèn)題是建立在對(duì)直流側(cè)和交流側(cè)的阻抗解析模型分析基礎(chǔ)上，根據(jù)并網(wǎng)逆變器的阻抗解析特征分析，進(jìn)行電壓擾動(dòng)控制和耦合特征分析[3]，建立電壓擾動(dòng)分量和電流響應(yīng)分量的約束關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制。但傳統(tǒng)方法進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制的模糊度較大，正負(fù)序之間的轉(zhuǎn)換控制能力不好。針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，提出基于耦合特性建模的配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制方法。分析仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文方法在提高配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制能力方面具有優(yōu)越性能。

1?控制約束參量分析及配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)

1.1?控制約束參量分析

為了實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制，首先構(gòu)建其控制約束參量模型[4]，給出其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

以頻率耦合特征、電流響應(yīng)分量、并網(wǎng)逆變器的頻率特征分量等為約束參量，構(gòu)建配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣的控制約束參量模型[5]，得到并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制的暫態(tài)穩(wěn)定性條件描述為：

1）配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的鎖相環(huán)、直流母線具有不對(duì)稱(chēng)性，導(dǎo)致電壓輸出耦合，整流電流為正弦，配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出電流在θ/ω0時(shí)刻為0，即：

2）在單一頻率耦合條件下，為了配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出暫態(tài)穩(wěn)定性，需要進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的頻率耦合控制，電流平均值等于負(fù)載電流：

3）根據(jù)穩(wěn)定性判斷結(jié)果，進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，電壓vi與次級(jí)側(cè)線圈輸出電壓之間具有差異性，得到各個(gè)單一影響因素下的并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特征量滿足：

根據(jù)上述條件，忽略頻率耦合特性及其對(duì)穩(wěn)定性的影響，分析配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的磁密繞組的正弦分布模型，建立逆變器頻率耦合特性的解析模型，進(jìn)行輸出暫態(tài)耦合性控制，提高逆變器采樣模型的穩(wěn)定性[6]。

1.2?配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)

根據(jù)直流電壓環(huán)的輸出，進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)[7]，假設(shè)其頻率耦合特征分量為μr1和μr2，分析電壓擾動(dòng)與電流響應(yīng)分量，在諧振點(diǎn)附近，相序域到dq域的矢量變換為：

此時(shí)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器輸出的正序分量等價(jià)于頻率為f的負(fù)序分量，得到暫態(tài)信號(hào)等價(jià)于兩組d軸、q軸的同頻率分量，得到計(jì)算結(jié)果分別為：

輸出旋轉(zhuǎn)矢量的角頻率滿足：

對(duì)以上方程進(jìn)行聯(lián)立求解，即可得到直流電壓環(huán)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出電流和輸出電壓為：

在產(chǎn)生同頻率的擾動(dòng)電流分量的條件下進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，計(jì)算逆變器的諧振角頻率，進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)和自適應(yīng)控制[8]。

2?逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化

2.1?耦合特性建模

在構(gòu)建配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣的控制約束參量模型，并在產(chǎn)生同頻率的擾動(dòng)電流分量的條件下進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，本文提出基于耦合特性建模的配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制方法[9]，進(jìn)行電壓及電流的耦合關(guān)系分析，得到相序域到dq域的矢量變換關(guān)系為：

在電壓擾動(dòng)的正負(fù)序轉(zhuǎn)換算方程為：

根據(jù)逆變器輸入和輸出的電壓分布，進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性調(diào)節(jié)[11]，得到輸出狀態(tài)方程為：

2.2?側(cè)電感電流預(yù)測(cè)控

通過(guò)逆變器諧振頻率特征分析方法進(jìn)行側(cè)電感電流預(yù)測(cè)控制，根據(jù)其耦合特性進(jìn)行電流阻尼特征分解，逆變器濾波前輸出諧波電壓為：

建立交流側(cè)電路模型，得到諧波電流為：

3?仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為驗(yàn)證本方法的性能，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。設(shè)定諧波畸變率為0.54，逆變器輸入電壓為400 V，載波頻率為10 kHz，電網(wǎng)電壓為220 V，直流電壓控制器的傳遞系數(shù)為1.25，其他參數(shù)值設(shè)定如表1所示。

根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制，得到輸出電流如圖2所示。

由圖2可知，采用本方法進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)的輸出電流穩(wěn)定性較好，測(cè)試該采樣模型的輸出預(yù)測(cè)控制，得到耦合特性曲線和簡(jiǎn)化模型輸出如圖3所示。

由圖3可知，采用該方法進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制的輸出穩(wěn)定性較好，能夠使逆變器在其諧振條件下皆能保持穩(wěn)定狀態(tài)，提高了配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定控制能力。

4?結(jié)語(yǔ)

對(duì)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的進(jìn)行采樣模型預(yù)測(cè)控制，建立配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的輸出穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型，根據(jù)配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的單入多出特性進(jìn)行穩(wěn)定性判決分析，提高配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的自適應(yīng)控制能力。研究得知，采用本方法進(jìn)行配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器采樣模型預(yù)測(cè)控制的輸出穩(wěn)定性較好，能夠使逆變器在其諧振條件下皆能保持穩(wěn)定狀態(tài)，提高了配網(wǎng)側(cè)并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)定控制能力。參考文獻(xiàn)：

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