[发明专利]一种应用于三相并网逆变器的定频模型预测控制方法

权利要求书

1.一种应用于三相并网逆变器的定频模型预测控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对三相电压型并网逆变器的数学模型进行欧拉法离散化并通过Clarke等功率变换得到其在两相静止αβ坐标系中的数学模型：

式中，i_α(k)、i_β(k)分别为k时刻α、β轴上并网电流分量，i_pα(k+1)、i_pβ(k+1)分别为k时刻对k+1时刻α、β轴上并网电流分量的预测值，e_α(k)、e_β(k)分别为k时刻α、β轴上电网电压分量，u_α(k)、u_β(k)分别为k时刻α、β轴上输出电压分量，T_s为采样周期，L为输出滤波电感，R为线路串联等效电阻；

S2、以系统的并网电流预测值与并网电流参考值的误差最小作为评价指标，在构建控制集时，电压矢量中既要含有使并网电流α轴分量增大与减小的电压矢量，又要含有使并网电流β轴分量增大与减小的电压矢量；三相电压型并网逆变器共有八个电压矢量，其中包含V₀、V₇两个零电压矢量以及六个有效电压矢量V₁、V₂、V₃、V₄、V₅、V₆，为简化分析各电压矢量对电流的影响，忽略系统中等效串联电阻；在扇区Ⅰ中，当控制器选择电压矢量V₄时di_α/dt为正，而V₁、V₂、V₃、V_0,7使di_α/dt为负，特别地，当θ在区间时V₅、V₆使di_α/dt为负，反之，在区间时V₅、V₆使di_α/dt为正；当时，di_α/dt为零，电压矢量V₂、V₆使di_β/dt为正，而V₁、V₃、V₄、V₅、V_0,7使di_β/dt为负，特别地，当θ＝0时V₃、V₄、V_0,7使di_β/dt为零；其中：

式中为电网电压与电压矢量V₆在α轴上分量相等时的空间电角度，V_d为直流输入电压，e_a为电网相电压；

以此类推，可得到其余五个扇区中不同电压矢量对并网电流的影响；六个扇区中所包含的电压矢量满足使并网电流的α、β分量增大与减小，利于实现并网电流的稳态零误差调控，同时保证开关损耗最小，因此可以得到六组控制集；

对于选定的六组控制集，需要通过计算各电压矢量作用时间，从而实际并网电流能够快速准确地跟踪参考并网电流；通过分析各电压矢量对并网电流的α、β轴分量的影响，可以得到在不同电压矢量作用下的电流变化率并考虑使并网电流稳态误差为零的状态，从而精确计算电压矢量作用时间；在第k个控制周期中的其中一组控制集的电压矢量作用下，第k+1个控制周期的并网电流预测值可根据下式得到：

式中，t_j为第k个控制周期中三个电压矢量作用时间，δ_αj、δ_βj为第k个控制周期中三个电压矢量作用下所产生的并网电流变化率，j＝0,1,2,δ_αj、δ_βj可由下式表示：

式中di_αj、di_βj分别为第k个控制周期中α、β轴上并网电流分量的变化量，j＝0,1,2，e_α、e_β分别为α、β轴上电网电压分量，u_α、u_β分别为α、β轴上输出电压分量；

在第k个控制周期中，经过三个电压矢量作用后，并网电流的预测值i_pα(k+1)、i_pβ(k+1)与并网电流参考值i^*_α(k+1)、i^*_β(k+1)之间的偏差为零，即：

式中ε_α、ε_β为并网电流参考值与预测值之间的偏差，即：

联立式(3)与式(6)，可以得到三个电压矢量的作用时长分别为：

式中，Δi_α(k)与Δi_β(k)为第k个控制周期起始时刻采样值与结束时并网电流参考值的偏差，即：

δ_αβ＝δ_β0δ_α2+δ_β1δ_α0+δ_β2δ_α1-δ_β1δ_α2-δ_β2δ_α0-δ_β0δ_α1

若在6次在线寻优中存在使t₁、t₂、t₀满足条件的控制集，则剔除电压矢量作用时间不符合要求的控制集，在电压矢量作用时间符合要求的控制集中，将并网电流参考值与并网电流预测值代入评价函数，选择使评价函数最小的控制集作为系统最优控制集；若在6次在线寻优中所得到的6组t₁、t₂、t₀中存在负数，则无最优解，对于此种情况，若存在使t₁0、t₂0且t₀0的控制集，则在其中择优，因为根据平行四边形法则，两个有效电压矢量构成的虚拟电压矢量可以使并网电流预测值最大幅度地跟踪并网电流参考值，所造成的电流误差最小；

步骤S2中，在通常情况下并网电流值与并网电流参考值可以实现稳态零误差，但是当并网电流参考值存在大幅度阶跃变化时，并网电流可能无法在一个控制周期内跟踪上并网电流参考，电流误差不为零；在此状况下，为使并网电流可以迅速地跟踪并网电流参考，需要使其只选择最优电压矢量动作；通过判断在控制周期内并网电流参考斜率的绝对值是否大于整个控制周期内任意一个电压矢量作用下的并网电流的斜率绝对值的最大值，若成立，则只选择与并网电流参考斜率最接近的一个电压矢量作为系统的最优矢量；

步骤S2中，构建的评价函数的的控制目标为：一个控制周期内并网电流的跟踪误差最小化；评价函数g_cost定义如下：

式中ε_αi、ε_βi为第i个电压矢量作用后并网电流参考值与预测值之间的误差，i＝1,2…7；

还提供一延时补偿策略，以解决由计算延时、采样延时所带来的延时问题，具体如下：

1)在t_k-1时刻通过步骤S2得到在t_k时刻应用的控制集S(k)，因此，在t_k时刻通过系统的预测模型f{i(k)，S(k)}可以得到t_k+1时刻的并网电流的预测值i_p(k+1)；

2)已知i_p(k+1)以及6个控制集S_j，因此，可以通过系统的预测模型f{i_p(k+1)，S_j}及遍历法得到在t_k+2时刻的预测值i_pj(k+2)；

3)最后，计算评价函数g_j(k+2)＝{i^*(k+2)，i_pj(k+2)}，通过比较得到其最小值，从而确定在t_k+1时刻应用的最优控制集S(k+1)。

2.根据权利要求1所述的一种应用于三相并网逆变器的定频模型预测控制方法，其特征在于，步骤S2中，电压矢量作用时间满足以下条件：

1)电压矢量作用时间t₁、t₂、t₀为非负数；

2)电压矢量作用的总时间与系统的控制周期相同。