光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測(cè)控制多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u24695光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測(cè)控制多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略分析案例 1308441.1模型預(yù)測(cè)控制多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制 1165231.1.1模型預(yù)測(cè)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制基本原理 1163091.1.2兩步延時(shí)補(bǔ)償 2258951.1.3降低開(kāi)關(guān)頻率 2207871.2仿真結(jié)果及分析 4267131.2.1延時(shí)補(bǔ)償算法仿真 4326921.2.2降低開(kāi)關(guān)頻率仿真 7模型預(yù)測(cè)電流控制方案在仿真運(yùn)行后，需要進(jìn)行大量計(jì)算，造成動(dòng)作延時(shí)。如果不考慮計(jì)算引起的延遲，將會(huì)影響系統(tǒng)的控制性能。同時(shí)，為使系統(tǒng)獲得更高的效率，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)頻率以減少開(kāi)關(guān)損耗。采用模型預(yù)測(cè)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制策略來(lái)解決上述問(wèn)題。該控制策略不僅可以實(shí)現(xiàn)電流控制，而且可以降低開(kāi)關(guān)頻率和進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，優(yōu)化系統(tǒng)的控制性能。1.1模型預(yù)測(cè)控制多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制模型預(yù)測(cè)控制的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)是單一代價(jià)函數(shù)可以同時(shí)控制多個(gè)目標(biāo)或約束條件[20]。通過(guò)這種方式，它可以在實(shí)現(xiàn)典型電流控制的基礎(chǔ)上再實(shí)現(xiàn)附加的控制要求（如降低開(kāi)關(guān)頻率等）。只需要根據(jù)控制要求優(yōu)化代價(jià)函數(shù)，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制。1.1.1模型預(yù)測(cè)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制基本原理模型預(yù)測(cè)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示，在模型預(yù)測(cè)電流控制結(jié)構(gòu)圖的基礎(chǔ)上用實(shí)線(xiàn)框內(nèi)的兩步預(yù)測(cè)和改進(jìn)后的代價(jià)函數(shù)代替原來(lái)的代價(jià)函數(shù)。在tk時(shí)刻通過(guò)采集電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電流來(lái)預(yù)測(cè)第（k+1）時(shí)刻的電流值，以此電流值最為新的預(yù)測(cè)起點(diǎn)，即第二步預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)在第（k+2）時(shí)刻的電流值，并將其作為代價(jià)函數(shù)的輸入，再通過(guò)在代價(jià)函數(shù)增加附加限制條件來(lái)降低開(kāi)關(guān)頻率，使代價(jià)函數(shù)最小化的開(kāi)關(guān)狀態(tài)被應(yīng)用于第（k+1）時(shí)刻。1.1.2兩步延時(shí)補(bǔ)償基于并網(wǎng)逆變器的模型預(yù)測(cè)電流控制方案實(shí)施后，因計(jì)算量大而導(dǎo)致控制器在執(zhí)行控制算法時(shí)會(huì)有一定延時(shí)[36][37]。由于這種延遲，無(wú)補(bǔ)償控制算法所選擇的最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài)組合在應(yīng)用于三相逆變器時(shí)就會(huì)失去其最優(yōu)性，從而導(dǎo)致由控制算法確定的最佳響應(yīng)曲線(xiàn)偏離參考值，最終影響到系統(tǒng)的控制性能。圖4-1基于α-β坐標(biāo)系的模型預(yù)測(cè)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)圖為了減小計(jì)算延時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，采用兩步預(yù)測(cè)來(lái)補(bǔ)償預(yù)測(cè)模型的延時(shí)誤差，即在獲得tk+1時(shí)刻的電流預(yù)測(cè)值后繼續(xù)預(yù)測(cè)tk+2時(shí)刻所有可能的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電流預(yù)測(cè)值。tk+2時(shí)刻的電流預(yù)測(cè)函數(shù)為：（4-1）其中，由于電網(wǎng)頻率低于采樣頻率，這里假設(shè)在一個(gè)采樣周期內(nèi)電網(wǎng)電壓不會(huì)發(fā)生很大改變，因而可以假設(shè)e(k)=e(k+1)。1.1.3降低開(kāi)關(guān)頻率在與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)頻率越低，系統(tǒng)的功率損耗就越小，可以獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率[38]。因此，為了提高系統(tǒng)效率，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定和跟蹤性能的條件下，應(yīng)盡可能降低系統(tǒng)損耗。最直接的方法是在代價(jià)函數(shù)中建立開(kāi)關(guān)矢量與系統(tǒng)損耗之間的關(guān)系，但這種關(guān)系的建立非常復(fù)雜REF_Ref20286\w\h[26]。常采用減少開(kāi)關(guān)的切換次數(shù)來(lái)間接替代，也就是說(shuō)，在代價(jià)函數(shù)中加入附加約束條件n來(lái)減少開(kāi)關(guān)頻率。（4-2）式中，Sik+1和Sik+2分別為tk+1時(shí)刻和tk+2時(shí)刻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在預(yù)測(cè)電流控制的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化代價(jià)函數(shù)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)延時(shí)補(bǔ)償和降低開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)代價(jià)函數(shù)中增加使開(kāi)關(guān)頻率降低的附加項(xiàng)n后，采用電流誤差的二次方值實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的參考跟蹤REF_Ref28771\w\h[12]。因此，改進(jìn)后的代價(jià)函數(shù)如下：（4-3）式（4-3）中，次要項(xiàng)n對(duì)應(yīng)由當(dāng)前狀態(tài)轉(zhuǎn)向未來(lái)狀態(tài)所涉及的預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)數(shù)量、λ為權(quán)重系數(shù)。采用誤差二次方值是為更準(zhǔn)確的參考跟蹤。增大相關(guān)權(quán)重系數(shù)λ后，該項(xiàng)在代價(jià)函數(shù)中的重要性也將提高，開(kāi)關(guān)頻率隨之降低，該效果可以圖4-2中能夠看出。通過(guò)多次仿真獲得該圖，開(kāi)始時(shí)λ=0，且每次仿真后該值將逐漸增大。從這些結(jié)果中可以看出，開(kāi)關(guān)頻率降低將導(dǎo)致更高程度的畸變，從而影響輸出電流的質(zhì)量。如圖4-2左圖所示，首先在以0為起點(diǎn)的某一范圍內(nèi)進(jìn)行仿真，每次以0.05為單位等幅度增長(zhǎng)，但當(dāng)權(quán)重系數(shù)大于0.55以后，根據(jù)仿真得并網(wǎng)電流諧波大于5%不滿(mǎn)足并網(wǎng)要求，不再繼續(xù)增大權(quán)重系數(shù)進(jìn)行仿真，由此得出最優(yōu)權(quán)重系數(shù)λ的大概存在區(qū)間為0.40≤λ≤0.0.50；再將這個(gè)區(qū)間以單位長(zhǎng)度為0.005等幅度劃分進(jìn)行仿真，如圖4-2右圖所示，最終找到最優(yōu)權(quán)重系數(shù)λ=0.455。在該應(yīng)用中，也可以通過(guò)選擇λ來(lái)獲得指定開(kāi)關(guān)頻率。圖4-2不同權(quán)重系數(shù)對(duì)于平均開(kāi)關(guān)頻率與電流總諧波畸變率的影響根據(jù)上述內(nèi)容修改光伏并網(wǎng)逆變器預(yù)測(cè)電流控制算法，實(shí)現(xiàn)延時(shí)補(bǔ)償和降低開(kāi)關(guān)頻率，其控制流程圖如圖4-3所示。1.2仿真結(jié)果及分析1.2.1延時(shí)補(bǔ)償算法仿真為驗(yàn)證計(jì)算延時(shí)對(duì)系統(tǒng)性能的影響，進(jìn)行如下仿真：對(duì)比觀察加入延遲補(bǔ)償前后電流的紋波，加入延時(shí)補(bǔ)償前的仿真結(jié)果如圖4-4所示；加入延時(shí)補(bǔ)償后的仿真結(jié)果如圖4-5所示。三相參考電流幅值在0~0.1s時(shí)為10A，0.1~0.2s時(shí)為15A，直流側(cè)電壓為150V，系統(tǒng)其余仿真參數(shù)依舊設(shè)置為表3.1所示的參數(shù)。圖4-3光伏并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測(cè)多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制算法流程圖（a）三相參考電流與并網(wǎng)電流(b)逆變器輸出并網(wǎng)電流諧波圖4-410kHz不加延時(shí)補(bǔ)償（a）三相參考電流與并網(wǎng)電流(b)逆變器輸出并網(wǎng)電流諧波圖4-510kHz加延時(shí)補(bǔ)償由圖4-4和圖4-5仿真結(jié)果對(duì)比可得，加入延時(shí)補(bǔ)償能夠明顯減小輸出電流紋波，電流THD從2.78%降至2.69%，有一定程度的降低，且電流動(dòng)態(tài)變化時(shí)跟蹤效果依舊良好，對(duì)系統(tǒng)控制性能有一定程度的改善。1.2.2降低開(kāi)關(guān)頻率仿真在加入延時(shí)補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，應(yīng)用式(2-11)所示的代價(jià)函數(shù)進(jìn)行仿真，設(shè)置權(quán)重系數(shù)λ=0.455，與沒(méi)有附加項(xiàng)的仿真結(jié)果對(duì)比分析。未加附加項(xiàng)的仿真結(jié)果如圖4-6所示，加入附加項(xiàng)的仿真結(jié)果如圖4-7所示。（a）三相參考電流與并網(wǎng)電流(b)逆變器輸出并網(wǎng)電流諧波圖4-610kHz延時(shí)補(bǔ)償基礎(chǔ)上不降低開(kāi)關(guān)頻率（a）三相參考電流與并網(wǎng)電流波形(b)逆變器輸出并網(wǎng)電流諧波圖4-710kHz延時(shí)補(bǔ)償基礎(chǔ)上加降低開(kāi)關(guān)頻率(λ=0.455)表4.1仿真結(jié)果對(duì)比表不加入附加項(xiàng)加入附加項(xiàng)平均開(kāi)關(guān)頻率/Hz29952185并網(wǎng)電流諧波/%2.693.87由表4