光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測控制分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u11922光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測控制分析案例 1300471.1模型預(yù)測控制基本原理 12351.2光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測電流控制 250221.3仿真結(jié)果及分析 4模型預(yù)測控制是一種基于模型在線解決閉環(huán)系統(tǒng)的最佳控制策略。只需根據(jù)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立一個(gè)離散時(shí)間模型，根據(jù)預(yù)測控制器輸出的開關(guān)狀態(tài)控制功率器件的開啟和關(guān)閉，不需要調(diào)制，控制很靈活。1.1模型預(yù)測控制基本原理上世紀(jì)六十年代，人們最早將預(yù)測控制應(yīng)用于鍋爐和蒸餾塔的控制中，意在解決傳統(tǒng)的PID控制不易解決的控制問題，但由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制并沒有得到廣泛應(yīng)用。隨著當(dāng)今時(shí)代科技的高速發(fā)展，模型預(yù)測控制在越來越多的領(lǐng)域里展現(xiàn)其優(yōu)勢并得到廣泛應(yīng)用。模型預(yù)測控制不是指某一個(gè)特定的控制器，它可以是一系列多種控制器，但這類控制器的基本設(shè)計(jì)思路為：利用系統(tǒng)模型來預(yù)測控制變量的未來動態(tài)，并根據(jù)約束條件而定義的代價(jià)函數(shù)來確定最優(yōu)操作[10]。狀態(tài)空間模型被用來表示離散時(shí)間系統(tǒng)的預(yù)測模型：（3-1）（3-2）式（3-1）和（3-2）中，x(k)和u(k)分別代表系統(tǒng)的狀態(tài)變量和控制變量；y(k)代表系統(tǒng)的輸出變量。模型預(yù)測控制中，通過定義代價(jià)函數(shù)g來表示期望的控制結(jié)果。該函數(shù)需充分考慮參考值、未來狀態(tài)和未來操作，假設(shè)系統(tǒng)參考值為y*(k)，則（3-3）式（3-3）中，第一項(xiàng)表示受控變量的參考值與預(yù)測值之間的誤差絕對值；第二項(xiàng)表示附加約束函數(shù)f(u)，通過調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)λ來實(shí)現(xiàn)參考跟蹤與約束條件的協(xié)調(diào)控制。模型預(yù)測控制策略通用控制框圖如圖3-1所示，其中功率變換器不受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相數(shù)的限制；負(fù)載可以是電機(jī)，也可以連接電網(wǎng)。預(yù)測模型使用被控變量（如電流）的測量值x(k)計(jì)算出下一時(shí)刻的預(yù)測值xp(k+1)，然后通過包含參考值x*(k)和相應(yīng)限制條件的代價(jià)函數(shù)來評價(jià)這些預(yù)測值，選擇最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)S在下一時(shí)刻應(yīng)用于功率開關(guān)器件上。圖3-1模型預(yù)測控制策略通用控制框圖1.2光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測電流控制在圖2-1所示的三相并網(wǎng)逆變器中，由KVL可得（3-4）式（3-4）中，uan、ubn、ucn為逆變器輸出端相對于電網(wǎng)中性點(diǎn)n的電壓。 （3-5）將式（3-5）代入式（3-4）中得（3-6）對于三相對稱系統(tǒng)，、。由式（3-6）可得 （3-7）令各相橋臂的開關(guān)狀態(tài)為：（3-8）將開關(guān)管S1~S6的狀態(tài)用(SaSbSc)表示，因須交替接通或斷開開關(guān)管，則6個(gè)開關(guān)管共有（000）、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)8個(gè)狀態(tài)。為了方便控制，將式（3-4）通過Clark變換并整理得（3-9）假設(shè)采樣周期為Ts，使用歐拉法獲取近似導(dǎo)數(shù)di/dt，即[35]：（3-10）將式（3-10）代入式（3-9），進(jìn)行離散化，得第k個(gè)采樣周期有（3-11）由于電網(wǎng)頻率遠(yuǎn)小于采樣頻率，假設(shè)一個(gè)周期內(nèi)電網(wǎng)電壓不會發(fā)生很大變化，因而假設(shè)，整理得第（k+1）個(gè)周期預(yù)測電流輸出值表達(dá)式為（3-12）最后通過代價(jià)函數(shù)評估所有可能的開關(guān)狀態(tài)預(yù)測電流輸出值與參考電流i*（k+1）之間的誤差，選擇使代價(jià)函數(shù)最小的開關(guān)狀態(tài)應(yīng)用于下一采樣時(shí)刻，預(yù)測電流控制算法定義的代價(jià)函數(shù)如下：（3-13）圖3-3所示為αβ坐標(biāo)下模型電流預(yù)測控制結(jié)構(gòu)圖，其中，參考電流幅值I*ref與經(jīng)鎖相環(huán)輸出的鎖相角θ作用后得三相電流參考值i*a、i*b、i*c，若鎖相環(huán)輸出的為a相電角度，則i*a、i*b、i*c為（3-14）圖3-3中的參考電流i*α、i*β由i*a、i*b、i*c經(jīng)Clark變換后得到。圖3-3基于α-β坐標(biāo)系的模型電流預(yù)測控制結(jié)構(gòu)控制算法流程圖如圖3-4所示。1.3仿真結(jié)果及分析根據(jù)三相逆變器工作原理、模型預(yù)測電流控制原理和控制算法流程圖，搭建MATLAB/Simulink模型并編寫預(yù)測控制器算法，仿真模型如圖3-4所示。整個(gè)系統(tǒng)由模型預(yù)測控制器、可變直流電壓源、三相電壓型逆變器、傳輸線路和網(wǎng)側(cè)交流電壓源等部分組成。仿真參數(shù)如表3.1所示。表3.1仿真參數(shù)表參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值直流側(cè)電壓Udc/V150線路電阻R/Ω0.1電網(wǎng)電壓e/V40逆變器濾波電感L/mH10采樣時(shí)間Ts/s1×10-4電網(wǎng)頻率f/Hz50電網(wǎng)初始相位/°29仿真時(shí)間/s0.02圖3-4光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測電流控制算法流程圖圖3-5模型預(yù)測電流控制仿真模型(1)設(shè)置直流側(cè)電壓源為恒定的150V；三相參考電流幅值動態(tài)變化，在0~0.1s時(shí)為10A，0.1~0.2s時(shí)為15A，驗(yàn)證模型預(yù)測電流控制的動態(tài)性能；仿真結(jié)果如圖3-6所示。圖3-6(a)所示的逆變器輸出并網(wǎng)電流與參考電流對比波形，根據(jù)參考電流的幅值、頻率和相位特性來評價(jià)仿真結(jié)果得：模型預(yù)測電流控制具有良好的跟蹤能力，且當(dāng)參考電流在0.1s時(shí)幅值由10A突變到15A后，模型預(yù)測控制器能夠快速反應(yīng)使逆變器輸出電流實(shí)現(xiàn)再次跟蹤電流，具有良好的動態(tài)穩(wěn)定性。(a)逆變器輸出并網(wǎng)電流與參考電流對比圖圖3-6(b)所示的為a相電網(wǎng)電壓的波形和逆變器輸出的并網(wǎng)電流波形。根據(jù)采集到的電網(wǎng)電壓相位，通過鎖相環(huán)(PLL)鎖相后乘以參考電流的幅值來獲得參考電流，從而使輸出電流與電網(wǎng)電壓同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。(b)a相電網(wǎng)電壓與輸出電流波形輸出電流諧波頻譜如圖3-6(c)所示，通過FFT模塊分析并網(wǎng)電流的THD，當(dāng)參考電流幅值為10A時(shí)，此時(shí)逆變器輸出電流幅值為9.97A，電流總諧波失真為2.78%，滿足并網(wǎng)要求。(c)輸出電流諧波頻譜圖3-6恒定電壓源下模型預(yù)測電流控制仿真結(jié)果(2)條件2：逆變器直流側(cè)接可變電流源，0~0.1s時(shí)為150V，0.1~0.2s時(shí)為200V,參考電流幅值恒定為