清洁能源发电并网逆变器有限状态模型预测控制

金楠 郭磊磊 窦智峰 张洋 韩东许

摘 要：针对清洁能源发电并网逆变器执行模型预测直接功率控制算法产生的延时问题，通过深入研究有限状态模型预测直接功率控制方法，设计模型预测协调控制策略，有效降低开关频率，实时更新功率器件开关状态，减小算法时滞。首先，在直接功率预测模型基础上，对输出功率进行两步预测，实现延时补偿。其次，分析价值函数对控制品质的影响机理，通过增加开关次数附加项，设计优化的价值函数，实现并网逆变器的协调控制。为验证控制系统性能，设计5 kW实验平台。对比不同控制策略下的实验结果表明，所设计控制策略能够减小输出功率波动，降低开关频率，灵活调节输出功率。实验结果验证了所提出控制策略的有效性。

关键词：清洁能源发电； 有限状态模型预测； 协调控制； 延时补偿； 降低开关频率

中图分类号：TM 464

文献标志码：A

文章编号：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

隨着环境污染和能源结构失衡等矛盾的日益突出，清洁能源发电越来越受到关注。并网逆变器是清洁能源发电的核心装备，其控制系统性能直接影响到并网电能质量[1-2]。

有限状态模型预测控制（finite states model predictive control，FS-MPC）具有良好的自适应性和鲁棒性，且不需要内环电流控制和PWM调制，控制方案容易实现等优点[3-4]，逐步成为并网逆变器控制策略研究的热点。文献[5]设计了一种用于三相并网逆变器的模型电流预测控制策略。文献[6]提出了一种用于风力发电的三电平箝位并网逆变器模型电流预测控制方法。文献[7]将模型预测控制应用于清洁能源发电的离网及并网控制策略设计。由于MPC策略需要的计算量较大，控制算法时滞会导致器件开关状态延迟更新。同时，由于开关频率较高，还需要考虑降低开关频率以减小开关损耗，提高电能转换效率。

本文根据有限状态模型预测控制理论[8-11]，建立了清洁能源发电并网逆变器在dq旋转坐标系下的功率预测模型。引入两步预测法，对控制算法延时进行补偿，利用两步功率预测模型对输出功率进行超前预测。其次，为降低开关频率、减小输出功率波动，对价值函数进行改进优化，设计了一种基于有限状态模型预测控制方法的协调控制（MPCC）策略。

为验证所设计控制策略的有效性，进行5 kW样机实验。在不同采样频率下，分别对常规MPDPC、MPCC策略进行实验，分析了不同控制策略对功率波动、开关频率和并网电能质量的影响。其次，对MPCC策略进行动态性能测试，在给定功率跳变和不同功率因数并网情况下，验证控制系统调节功率输出能力和协调控制效果。

1 并网逆变器功率预测模型

图1为三相并网逆变器结构，逆变器通过滤波电感L、线路电阻R与电网相连，根据基尔霍夫定律，三相静止坐标系下的状态方程如式（1）：

式中：ea、eb、ec为电网的三相电压；ia、ib、ic为并网逆变器输出电流；uaN、ubN、ucN为并网逆变器输出电压；unN为直流母线与三相电网中性点之间的电压。

三相并网逆变器存在7个不同的电压矢量，其产生的电压空间矢量如图2。

2 有限状态模型预测协调控制

将有限状态模型预测直接功率控制算法[10-11]应用到并网控制系统中后，执行控制算法会产生延时。在有限时间周期内，处理器需要完成采样值的模数转换、算法计算以及更新最佳开关状态。尽管执行这些算法所产生的延时非常短，但当采样频率较高时，如不进行有效延时补偿，也会使系统性能变差。另外，为降低开关损耗，提高电能转换效率，在满足并网要求的基础上，期望尽量降低开关频率。基于以上考虑，对控制系统进行优化设计，实现协调控制。控制系统结构如图3。