配网侧并网逆变器采样模型预测控制方法研究
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作者:郭惠芸 江晓玲
摘要：为了提高配网侧并网逆变器建模的稳定性，提出基于耦合特性建模的配网侧并网逆变器采样模型预测控制方法。以频率耦合特征、电流响应分量、并网逆变器的频率特征分量等为约束参量，构建配网侧并网逆变器采样的控制约束参量模型。在产生同频率的扰动电流分量的条件下，进行配网侧并网逆变器的输出稳定性调节，计算逆变器的谐振角频率，通过逆变器谐振频率特征分析方法进行侧电感电流预测控制。根据配网侧并网逆变器的耦合特性进行电流阻尼特征分解，实现配网侧并网逆变器采样模型预测控制。仿真结果表明，所提方法的预测控制输出稳定性较好，能够使逆变器在谐振条件下保持稳定状态，提高了配网侧并网逆变器的稳定控制能力。
关键词：配网侧并网逆变器，采样模型，预测控制，扰动
中图分类号：TM743 文献标志码：A 文章编号：2095-5383（2020）01-0001-04
Abstract：To improve the modeling stability of grid-connected inverter on the grid side，a predictive control method of sampling model for grid-connected inverter on the grid-side based on coupling characteristic modeling was proposed. Taking the frequency coupling characteristics，current response components and frequency characteristic components of grid-connected inverter as constraint parameters，the control constraint parameter model for sampling of grid-connected inverter on the grid-side was constructed. Under the condition of generating the disturbance current component of the same frequency，the output stability of the grid-connected inverter on the grid-side was adjusted，the resonance angle frequency of the inverter was calculated，and the side inductance current predictive control was carried out by analyzing the resonant frequency characteristics of the inverter. According to the coupling characteristics of grid-connected inverter on the grid，the current damping characteristics were decomposed，and the predictive control of sampling model for the grid-connected inverter on the grid side was realized. The simulation results show that the predictive control output stability of the proposed method is good，which can keep the inverter stable under the condition of resonance，and improve the stable control ability of the grid-connected inverter on the grid side.
Keywords：grid-connected inverter on the grid-side，sampling model，predictive control，disturbance
在新能源电网大规模接入的情况下，需要采用配网侧并网逆变器作为传输接口，进行电平转换设计和多电平换流控制。配网侧并网逆变器等电力电子装置在电网中进行电力输出控制时，容易受到相序正弦电压扰动的影响，导致其解耦控制性能不好，需要对其进行采样模型预测控制[1]。建立配网侧并网逆变器的输出稳定性预测模型，根据其单入多出特性进行稳定性判决分析，提高其自适应控制能力。研究配网侧并网逆变器采样模型的预测控制方法，在优化配网侧并网逆变器的设计、提高电网的稳定性方面具有重要意义[2]。
对配网侧并网逆变器采样模型预测控制问题是建立在对直流侧和交流侧的阻抗解析模型分析基础上，根据并网逆变器的阻抗解析特征分析，进行电压扰动控制和耦合特征分析[3]，建立电压扰动分量和电流响应分量的约束关系模型，实现配网侧并网逆变器采样模型预测控制。但傳统方法进行配网侧并网逆变器采样模型预测控制的模糊度较大，正负序之间的转换控制能力不好。针对此类问题，提出基于耦合特性建模的配网侧并网逆变器采样模型预测控制方法。分析仿真实验结果可知，本文方法在提高配网侧并网逆变器采样模型预测控制能力方面具有优越性能。
1 控制约束参量分析及配网侧并网逆变器输出稳定性调节
1.1 控制约束参量分析
为了实现配网侧并网逆变器采样模型预测控制，首先构建其控制约束参量模型[4]，给出其系统结构模型，如图1所示。 以频率耦合特征、电流响应分量、并网逆变器的频率特征分量等为约束参量，构建配网侧并网逆变器采样的控制约束参量模型[5]，得到并网逆变器采样模型预测控制的暂态稳定性条件描述为：
1）配网侧并网逆变器的锁相环、直流母线具有不对称性，导致电压输出耦合，整流电流为正弦，配网侧并网逆变器的输出电流在θ/ω0时刻为0，即：
2）在单一频率耦合条件下，为了配网侧并网逆变器的输出暂态稳定性，需要进行配网侧并网逆变器的频率耦合控制，电流平均值等于负载电流：
3）根据稳定性判断结果，进行配网侧并网逆变器的输出稳定性调节，电压vi与次级侧线圈输出电压之间具有差异性，得到各个单一影响因素下的并网逆变器的频率耦合特征量满足：
根据上述条件，忽略频率耦合特性及其对稳定性的影响，分析配网侧并网逆变器的磁密绕组的正弦分布模型，建立逆变器频率耦合特性的解析模型，进行输出暂态耦合性控制，提高逆变器采样模型的稳定性[6]。
1.2 配网侧并网逆变器输出稳定性调节
根据直流电压环的输出，进行配网侧并网逆变器输出稳定性调节[7]，假设其频率耦合特征分量為μr1和μr2，分析电压扰动与电流响应分量，在谐振点附近，相序域到dq域的矢量变换为：
此时配网侧并网逆变器输出的正序分量等价于频率为f的负序分量，得到暂态信号等价于两组d轴、q轴的同频率分量，得到计算结果分别为：
输出旋转矢量的角频率满足：
对以上方程进行联立求解，即可得到直流电压环配网侧并网逆变器的输出电流和输出电压为：
在产生同频率的扰动电流分量的条件下进行配网侧并网逆变器的输出稳定性调节，计算逆变器的谐振角频率，进行配网侧并网逆变器采样模型的输出稳定性调节和自适应控制[8]。
2 逆变器采样模型预测控制优化
2.1 耦合特性建模
在构建配网侧并网逆变器采样的控制约束参量模型，并在产生同频率的扰动电流分量的条件下进行配网侧并网逆变器的输出稳定性调节，本文提出基于耦合特性建模的配网侧并网逆变器采样模型预测控制方法[9]，进行电压及电流的耦合关系分析，得到相序域到dq域的矢量变换关系为：
在电压扰动的正负序转换算方程为：
根据逆变器输入和输出的电压分布，进行配网侧并网逆变器的输出稳定性调节[11]，得到输出状态方程为：
2.2 侧电感电流预测控
通过逆变器谐振频率特征分析方法进行侧电感电流预测控制，根据其耦合特性进行电流阻尼特征分解，逆变器滤波前输出谐波电压为：
建立交流侧电路模型，得到谐波电流为：
3 仿真实验与结果分析
为验证本方法的性能，进行实验分析。设定谐波畸变率为0.54，逆变器输入电压为400 V，载波频率为10 kHz，电网电压为220 V，直流电压控制器的传递系数为1.25，其他参数值设定如表1所示。
根据上述仿真环境和参数设定，进行配网侧并网逆变器采样模型预测控制，得到输出电流如图2所示。
由图2可知，采用本方法进行配网侧并网逆变器采样模型预测的输出电流稳定性较好，测试该采样模型的输出预测控制，得到耦合特性曲线和简化模型输出如图3所示。
由图3可知，采用该方法进行配网侧并网逆变器采样模型预测控制的输出稳定性较好，能够使逆变器在其谐振条件下皆能保持稳定状态，提高了配网侧并网逆变器的稳定控制能力。
4 结语
对配网侧并网逆变器的进行采样模型预测控制，建立配网侧并网逆变器的输出稳定性预测模型，根据配网侧并网逆变器的单入多出特性进行稳定性判决分析，提高配网侧并网逆变器的自适应控制能力。研究得知，采用本方法进行配网侧并网逆变器采样模型预测控制的输出稳定性较好，能够使逆变器在其谐振条件下皆能保持稳定状态，提高了配网侧并网逆变器的稳定控制能力。参考文献：
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