【《光伏并网逆变器模型预测控制分析案例》2100字（论文）】

光伏并网逆变器模型预测控制分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u11922光伏并网逆变器模型预测控制分析案例 1300471.1模型预测控制基本原理 12351.2光伏并网逆变器模型预测电流控制 250221.3仿真结果及分析 4模型预测控制是一种基于模型在线解决闭环系统的最佳控制策略。只需根据电路拓扑结构建立一个离散时间模型，根据预测控制器输出的开关状态控制功率器件的开启和关闭，不需要调制，控制很灵活。1.1模型预测控制基本原理上世纪六十年代，人们最早将预测控制应用于锅炉和蒸馏塔的控制中，意在解决传统的PID控制不易解决的控制问题，但由于当时的技术限制并没有得到广泛应用。随着当今时代科技的高速发展，模型预测控制在越来越多的领域里展现其优势并得到广泛应用。模型预测控制不是指某一个特定的控制器，它可以是一系列多种控制器，但这类控制器的基本设计思路为：利用系统模型来预测控制变量的未来动态，并根据约束条件而定义的代价函数来确定最优操作[10]。状态空间模型被用来表示离散时间系统的预测模型：（3-1）（3-2）式（3-1）和（3-2）中，x(k)和u(k)分别代表系统的状态变量和控制变量；y(k)代表系统的输出变量。模型预测控制中，通过定义代价函数g来表示期望的控制结果。该函数需充分考虑参考值、未来状态和未来操作，假设系统参考值为y*(k)，则（3-3）式（3-3）中，第一项表示受控变量的参考值与预测值之间的误差绝对值；第二项表示附加约束函数f(u)，通过调节权重系数λ来实现参考跟踪与约束条件的协调控制。模型预测控制策略通用控制框图如图3-1所示，其中功率变换器不受拓扑结构和相数的限制；负载可以是电机，也可以连接电网。预测模型使用被控变量（如电流）的测量值x(k)计算出下一时刻的预测值xp(k+1)，然后通过包含参考值x*(k)和相应限制条件的代价函数来评价这些预测值，选择最优开关状态S在下一时刻应用于功率开关器件上。图3-1模型预测控制策略通用控制框图1.2光伏并网逆变器模型预测电流控制在图2-1所示的三相并网逆变器中，由KVL可得（3-4）式（3-4）中，uan、ubn、ucn为逆变器输出端相对于电网中性点n的电压。 （3-5）将式（3-5）代入式（3-4）中得（3-6）对于三相对称系统，、。由式（3-6）可得 （3-7）令各相桥臂的开关状态为：（3-8）将开关管S1~S6的状态用(SaSbSc)表示，因须交替接通或断开开关管，则6个开关管共有（000）、(001)、(010)、(011)、(100)、(101)、(110)、(111)8个状态。为了方便控制，将式（3-4）通过Clark变换并整理得（3-9）假设采样周期为Ts，使用欧拉法获取近似导数di/dt，即[35]：（3-10）将式（3-10）代入式（3-9），进行离散化，得第k个采样周期有（3-11）由于电网频率远小于采样频率，假设一个周期内电网电压不会发生很大变化，因而假设，整理得第（k+1）个周期预测电流输出值表达式为（3-12）最后通过代价函数评估所有可能的开关状态预测电流输出值与参考电流i*（k+1）之间的误差，选择使代价函数最小的开关状态应用于下一采样时刻，预测电流控制算法定义的代价函数如下：（3-13）图3-3所示为αβ坐标下模型电流预测控制结构图，其中，参考电流幅值I*ref与经锁相环输出的锁相角θ作用后得三相电流参考值i*a、i*b、i*c，若锁相环输出的为a相电角度，则i*a、i*b、i*c为（3-14）图3-3中的参考电流i*α、i*β由i*a、i*b、i*c经Clark变换后得到。图3-3基于α-β坐标系的模型电流预测控制结构控制算法流程图如图3-4所示。1.3仿真结果及分析根据三相逆变器工作原理、模型预测电流控制原理和控制算法流程图，搭建MATLAB/Simulink模型并编写预测控制器算法，仿真模型如图3-4所示。整个系统由模型预测控制器、可变直流电压源、三相电压型逆变器、传输线路和网侧交流电压源等部分组成。仿真参数如表3.1所示。表3.1仿真参数表参数数值参数数值直流侧电压Udc/V150线路电阻R/Ω0.1电网电压e/V40逆变器滤波电感L/mH10采样时间Ts/s1×10-4电网频率f/Hz50电网初始相位/°29仿真时间/s0.02图3-4光伏并网逆变器模型预测电流控制算法流程图图3-5模型预测电流控制仿真模型(1)设置直流侧电压源为恒定的150V；三相参考电流幅值动态变化，在0~0.1s时为10A，0.1~0.2s时为15A，验证模型预测电流控制的动态性能；仿真结果如图3-6所示。图3-6(a)所示的逆变器输出并网电流与参考电流对比波形，根据参考电流的幅值、频率和相位特性来评价仿真结果得：模型预测电流控制具有良好的跟踪能力，且当参考电流在0.1s时幅值由10A突变到15A后，模型预测控制器能够快速反应使逆变器输出电流实现再次跟踪电流，具有良好的动态稳定性。(a)逆变器输出并网电流与参考电流对比图图3-6(b)所示的为a相电网电压的波形和逆变器输出的并网电流波形。根据采集到的电网电压相位，通过锁相环(PLL)锁相后乘以参考电流的幅值来获得参考电流，从而使输出电流与电网电压同相，实现单位功率因数并网。(b)a相电网电压与输出电流波形输出电流谐波频谱如图3-6(c)所示，通过FFT模块分析并网电流的THD，当参考电流幅值为10A时，此时逆变器输出电流幅值为9.97A，电流总谐波失真为2.78%，满足并网要求。(c)输出电流谐波频谱图3-6恒定电压源下模型预测电流控制仿真结果(2)条件2：逆变器直流侧接可变电流源，0~0.1s时为150V，0.1~0.2s时为200V,参考电流幅值恒定为