基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法
基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及单相并网逆变器控制方法，尤其是设及一种基于单相并网逆变器的低 开关损耗模型预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，光伏产业发展迅猛，单相并网逆变器的控制作为其关键技术之一，得到了 快速的发展。目前，应用于单相并网逆变器的控制策略有；比例积分控制、电流滞环控制、比 例谐振控制、电流预测控制、电流模型预测控制。比例积分控制应用广泛，控制思想简单，可 采用频域分析和极点配置方法进行参数设计，存在的问题是稳态误差难W消除，参数设计 较复杂；电流滞环控制方法简单，动态响应快，但开关频率的不固定使得滤波器设计困难。 对于滞环控制，有人提出了一些定频的方法，虽然改善了电流的频谱特性，但使得控制变得 复杂，控制精度降低。比例谐振控制非常适合于单相控制系统，并且也可W实现无静差控 审IJ，但存在的问题是参数的设计和数字化实现比较困难。预测电流控制属于线性控制的范 畴，具有控制精度高，电流谐波含量小等优点，但存在的问题是对模型参数准确性依赖比较 强。电流模型预测控制是通过将系统的检测量和所有开关状态带入系统的离散模型预测下 一个时刻的电流值，选取可使电流的预测值和参考值最接近的开关状态来控制逆变器下一 个时刻的输出。该种控制方法原理简单，设计容易，电流响应速度快，易于数字化实现，但存 在的问题是计算量大，开关频率比较高，在实际中还是难W运用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为了克服传统模型预测控制存在计算量大、开关损耗高、开关 器件死区时间设计复杂等缺点而提供一种稳定性强、逆变器效率高、开关损耗低的基于单 相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法。
[0004] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0005] 一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括W下步骤：
[0006] 1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；
[0007] 2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；
[000引 3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值：
[0009]
[0010] 式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i化-1)为上一时刻的并网电流值， L为交流电抗电感量，V是逆变器交流输出电压，e是电网电压，L为系统采样时间；
[0011] 4)获取W下电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：
[001引Gl(k) = |i*(k)-i00
[0013] 式中，r表示参考电流；
[0014] 5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前 一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状 态输出；
[0015] 6)W步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。
[0016] 所述步骤1)具体为：
[0017] 若参考电流在正半周，则逆变器的四个开关管状态为[1 0 0 1]或[1 0 0 0]，1 表示对应位置的开关管为通态，0表示对应位置的开关管为断态；
[001引若参考电流在负半周，则逆变器的四个开关管状态为[0110]或[0100]。
[0019] 所述逆变器的四个开关管中，开关管Si和S2工作在基波频率下。
[0020] 所述步骤5)中，通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数 为：
[002UG2=iGlm化似-Glm化化-1)
[0022] 式中，Glmh(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，Glmi。化-1)是当上一 时刻电压矢量评估指标函数的最小值。
[0023] 所述控制误差的限定范围为0. 03I ~0. 07I。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0025](1)本发明加入参考电流方向的判断对电压矢量进行初步筛选，可W预先确定和 闭锁部分开关的状态，W此来降低开关损耗；
[0026] (2)设置电流跟踪差值为电压矢量评估指标函数，所有电压矢量代入指标函数进 行寻优，选出可使指标函数最小的电压矢量；
[0027](3)本发明通过加入一个降损指标函数根据降损指标函数，判定相邻时刻的控制 误差，若控制误差在限定范围内，保持前一时刻开关状态输出，否则选取当前时刻满足指标 函数最小值对应的开关状态，可W减小一些小扰动带来的开关误动，W此进一步降低开关 损耗，通过牺牲少量的控制精度，达到降低开关损耗、增加装置效率的目的；
[002引 （4)本发明控制方法还具有电流的跟踪误差更小、逆变器的效率更高、同一桥壁开 关管死区延时的设计更容易等优点。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明单相并网逆变器的模型预测控制结构原理图；
[0030] 图2为本发明控制方法的流程示意图；
[0031] 图3为四种开关状态的电流流向图；
[003引其中，（3a)为开关管Si、S4动作时电流流向图，（3b)为开关管S1动作，D3续流时 电流流向图，（3c)为开关管S2、S3动作时电流流向图，（3d)为开关管S2动作，D4续流时电 流流向图；
[0033] 图4为并网电流波形图；
[0034] 图5为并网电流跟踪误差波形图；
[0035] 图6为开关管在一个正弦周期中的PWM波形；
[0036] 图7为开关管S1 -个工频正弦周期的开关次数。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[003引为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，W下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 W解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039] 如图1-图2所示，本实施例提供一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测 控制方法，包括W下步骤：
[0040] 1)判断参考电流r(k)的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态，并获取当前开 关状态下逆变器的交流输出电压矢量，对电压矢量进行初步筛选。
[0041] 如图3所示，当参考电流在正半周时，逆变器的四个开关管中，开关管Si保持通 态，开关管S,和开关管S3保持断态，开关管S4开通时实现能量传递，开关管S4断开时D3实 现续流，即参考电流在正半周时选取开关管Si、开关管S2、开关管S3和开关管S4的开关状态 为[1001]或[1000]对应的电压矢量，如选取电压矢量V(l)和V(2)。当参考电流在 负半周期时，开关管S,保持通态，开关管S1和开关管S4保持断态，开关管S3开通时实现能 量传递，开关管S3关断时D4进行续流。即参考电流在负半周时选取开关管S1、开关管S,、开 关管S3和开关管S4的开关状态为[0110]或[0100]对应的电压矢量，如选取电压矢量V(3) 和V(4)。根据电流的方向，开关Si和S2工作在基波频率下。
[0042] 2)根据单相并网逆变器的离散状态模型，将所选电压矢量和系统检测量代入式并 网电流预测值表达式计算并网电流预测值：
[0043]
[0044] 式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i化-1)为上一时刻的并网电流值， L为交流电抗电感量，V是逆变器交流输出电压，e是电网电压，L为系统采样时间。
[0045] 并网电流的波形如图4所示。
[0046] 3)如图5所示，W并网电流跟踪误差（errorcurrent)作为电压矢量评估指标函 数，获取电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：
[0047] G1 (k) =Ii*(k)-i化）I
[0048] 式中，r表示参考电流。
[0049] 4)通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数为：
[0050] G2=|Glm化似-Glm化化-1)
[0化1] 式中，Glmh(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，Glmi。化-1)是当上一 时刻电压矢量评估指标函数的最小值。
[0052] 判断该控制误差是否在限定范围内，本实施例中，控制误差的限定范围为 0. 03I。~0. 07I ，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢 量评估指标函数最小值对应的开关状态输出。通过牺牲少量的控制精度，达到降低开关损 耗、增加装置效率的目的。
[0化3] 5)W步骤4)获得的开关状态对逆变器进行控制。
[0化4] 如图6-图7所示为采用本发明控制方法时四个开关管在一个正弦周期中的PWM波形和开关管S1-个工频正弦周期的开关次数示意图。
【主权项】
1. 一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态； 2) 获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量； 3) 根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值：式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i (k-Ι)为上一时刻的并网电流值，L为 交流电抗电感量，V是逆变器交流输出电压，e是电网电压，Ts为系统采样时间； 4) 获取以下电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量： Gl (k) = I i*(k)-i (k) 式中，f表示参考电流； 5) 计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时 刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输 出； 6) 以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。2. 根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述步骤1)具体为： 若参考电流在正半周，则逆变器的四个开关管状态为[1 〇 〇 1]或[1 〇 〇 〇]，1表示 对应位置的开关管为通态，O表示对应位置的开关管为断态； 若参考电流在负半周，则逆变器的四个开关管状态为[〇 1 1 〇]或[〇 1 〇 0]。3. 根据权利要求2所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述逆变器的四个开关管中，开关管SJP S2工作在基波频率下。4. 根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述步骤5)中，通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数 为： G2 = I GlminGO-Glmin(H) 式中，GlminGO是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，Glmin(k-Ι)是当上一时刻 电压矢量评估指标函数的最小值。5. 根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述控制误差的限定范围为0. 03 I ~0. 07 I 。
【专利摘要】本发明涉及一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括以下步骤：1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值；4)获取电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量；5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输出；6)以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。与现有技术相比，本发明具有稳定性强、逆变器效率高、开关损耗低等优点。
【IPC分类】H02M7/48
【公开号】CN104901567
【申请号】CN201510305715
【发明人】杨兴武, 徐波, 冀红超, 甘伟
【申请人】上海电力学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月4日
【技术领域】
[0001] 本发明设及单相并网逆变器控制方法，尤其是设及一种基于单相并网逆变器的低 开关损耗模型预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，光伏产业发展迅猛，单相并网逆变器的控制作为其关键技术之一，得到了 快速的发展。目前，应用于单相并网逆变器的控制策略有；比例积分控制、电流滞环控制、比 例谐振控制、电流预测控制、电流模型预测控制。比例积分控制应用广泛，控制思想简单，可 采用频域分析和极点配置方法进行参数设计，存在的问题是稳态误差难W消除，参数设计 较复杂；电流滞环控制方法简单，动态响应快，但开关频率的不固定使得滤波器设计困难。 对于滞环控制，有人提出了一些定频的方法，虽然改善了电流的频谱特性，但使得控制变得 复杂，控制精度降低。比例谐振控制非常适合于单相控制系统，并且也可W实现无静差控 审IJ，但存在的问题是参数的设计和数字化实现比较困难。预测电流控制属于线性控制的范 畴，具有控制精度高，电流谐波含量小等优点，但存在的问题是对模型参数准确性依赖比较 强。电流模型预测控制是通过将系统的检测量和所有开关状态带入系统的离散模型预测下 一个时刻的电流值，选取可使电流的预测值和参考值最接近的开关状态来控制逆变器下一 个时刻的输出。该种控制方法原理简单，设计容易，电流响应速度快，易于数字化实现，但存 在的问题是计算量大，开关频率比较高，在实际中还是难W运用。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的就是为了克服传统模型预测控制存在计算量大、开关损耗高、开关 器件死区时间设计复杂等缺点而提供一种稳定性强、逆变器效率高、开关损耗低的基于单 相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法。
[0004] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0005] 一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括W下步骤：
[0006] 1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；
[0007] 2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；
[000引 3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值：
[0009]
[0010] 式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i化-1)为上一时刻的并网电流值， L为交流电抗电感量，V是逆变器交流输出电压，e是电网电压，L为系统采样时间；
[0011] 4)获取W下电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：
[001引Gl(k) = |i*(k)-i00
[0013] 式中，r表示参考电流；
[0014] 5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前 一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状 态输出；
[0015] 6)W步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。
[0016] 所述步骤1)具体为：
[0017] 若参考电流在正半周，则逆变器的四个开关管状态为[1 0 0 1]或[1 0 0 0]，1 表示对应位置的开关管为通态，0表示对应位置的开关管为断态；
[001引若参考电流在负半周，则逆变器的四个开关管状态为[0110]或[0100]。
[0019] 所述逆变器的四个开关管中，开关管Si和S2工作在基波频率下。
[0020] 所述步骤5)中，通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数 为：
[002UG2=iGlm化似-Glm化化-1)
[0022] 式中，Glmh(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，Glmi。化-1)是当上一 时刻电压矢量评估指标函数的最小值。
[0023] 所述控制误差的限定范围为0. 03I ~0. 07I。
[0024] 与现有技术相比，本发明具有W下优点：
[0025](1)本发明加入参考电流方向的判断对电压矢量进行初步筛选，可W预先确定和 闭锁部分开关的状态，W此来降低开关损耗；
[0026] (2)设置电流跟踪差值为电压矢量评估指标函数，所有电压矢量代入指标函数进 行寻优，选出可使指标函数最小的电压矢量；
[0027](3)本发明通过加入一个降损指标函数根据降损指标函数，判定相邻时刻的控制 误差，若控制误差在限定范围内，保持前一时刻开关状态输出，否则选取当前时刻满足指标 函数最小值对应的开关状态，可W减小一些小扰动带来的开关误动，W此进一步降低开关 损耗，通过牺牲少量的控制精度，达到降低开关损耗、增加装置效率的目的；
[002引 （4)本发明控制方法还具有电流的跟踪误差更小、逆变器的效率更高、同一桥壁开 关管死区延时的设计更容易等优点。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明单相并网逆变器的模型预测控制结构原理图；
[0030] 图2为本发明控制方法的流程示意图；
[0031] 图3为四种开关状态的电流流向图；
[003引其中，（3a)为开关管Si、S4动作时电流流向图，（3b)为开关管S1动作，D3续流时 电流流向图，（3c)为开关管S2、S3动作时电流流向图，（3d)为开关管S2动作，D4续流时电 流流向图；
[0033] 图4为并网电流波形图；
[0034] 图5为并网电流跟踪误差波形图；
[0035] 图6为开关管在一个正弦周期中的PWM波形；
[0036] 图7为开关管S1 -个工频正弦周期的开关次数。
【具体实施方式】
[0037] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[003引为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，W下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 W解释本发明，并不用于限定本发明。
[0039] 如图1-图2所示，本实施例提供一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测 控制方法，包括W下步骤：
[0040] 1)判断参考电流r(k)的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态，并获取当前开 关状态下逆变器的交流输出电压矢量，对电压矢量进行初步筛选。
[0041] 如图3所示，当参考电流在正半周时，逆变器的四个开关管中，开关管Si保持通 态，开关管S,和开关管S3保持断态，开关管S4开通时实现能量传递，开关管S4断开时D3实 现续流，即参考电流在正半周时选取开关管Si、开关管S2、开关管S3和开关管S4的开关状态 为[1001]或[1000]对应的电压矢量，如选取电压矢量V(l)和V(2)。当参考电流在 负半周期时，开关管S,保持通态，开关管S1和开关管S4保持断态，开关管S3开通时实现能 量传递，开关管S3关断时D4进行续流。即参考电流在负半周时选取开关管S1、开关管S,、开 关管S3和开关管S4的开关状态为[0110]或[0100]对应的电压矢量，如选取电压矢量V(3) 和V(4)。根据电流的方向，开关Si和S2工作在基波频率下。
[0042] 2)根据单相并网逆变器的离散状态模型，将所选电压矢量和系统检测量代入式并 网电流预测值表达式计算并网电流预测值：
[0043]
[0044] 式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i化-1)为上一时刻的并网电流值， L为交流电抗电感量，V是逆变器交流输出电压，e是电网电压，L为系统采样时间。
[0045] 并网电流的波形如图4所示。
[0046] 3)如图5所示，W并网电流跟踪误差（errorcurrent)作为电压矢量评估指标函 数，获取电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量：
[0047] G1 (k) =Ii*(k)-i化）I
[0048] 式中，r表示参考电流。
[0049] 4)通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数为：
[0050] G2=|Glm化似-Glm化化-1)
[0化1] 式中，Glmh(k)是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，Glmi。化-1)是当上一 时刻电压矢量评估指标函数的最小值。
[0052] 判断该控制误差是否在限定范围内，本实施例中，控制误差的限定范围为 0. 03I。~0. 07I ，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢 量评估指标函数最小值对应的开关状态输出。通过牺牲少量的控制精度，达到降低开关损 耗、增加装置效率的目的。
[0化3] 5)W步骤4)获得的开关状态对逆变器进行控制。
[0化4] 如图6-图7所示为采用本发明控制方法时四个开关管在一个正弦周期中的PWM波形和开关管S1-个工频正弦周期的开关次数示意图。
【主权项】
1. 一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特征在于，包括以下 步骤： 1) 判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态； 2) 获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量； 3) 根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值：式中，k表示第k个离散值，R为网侧等效电阻，i (k-Ι)为上一时刻的并网电流值，L为 交流电抗电感量，V是逆变器交流输出电压，e是电网电压，Ts为系统采样时间； 4) 获取以下电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量： Gl (k) = I i*(k)-i (k) 式中，f表示参考电流； 5) 计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时 刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输 出； 6) 以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。2. 根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述步骤1)具体为： 若参考电流在正半周，则逆变器的四个开关管状态为[1 〇 〇 1]或[1 〇 〇 〇]，1表示 对应位置的开关管为通态，O表示对应位置的开关管为断态； 若参考电流在负半周，则逆变器的四个开关管状态为[〇 1 1 〇]或[〇 1 〇 0]。3. 根据权利要求2所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述逆变器的四个开关管中，开关管SJP S2工作在基波频率下。4. 根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述步骤5)中，通过降损指标函数计算相邻时刻的控制误差，所述降损指标函数 为： G2 = I GlminGO-Glmin(H) 式中，GlminGO是当前时刻电压矢量评估指标函数的最小值，Glmin(k-Ι)是当上一时刻 电压矢量评估指标函数的最小值。5. 根据权利要求1所述的基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，其特 征在于，所述控制误差的限定范围为0. 03 I ~0. 07 I 。
【专利摘要】本发明涉及一种基于单相并网逆变器的低开关损耗模型预测控制方法，包括以下步骤：1)判断参考电流的方向，根据判断结果选取逆变器开关状态；2)获取当前开关状态下，逆变器的交流输出电压矢量；3)根据单相并网逆变器的离散状态模型，计算并网电流预测值；4)获取电压矢量评估指标函数的最小值及其对应的电压矢量；5)计算相邻时刻的控制误差，判断该控制误差是否在限定范围内，若是，则保持前一时刻开关状态输出，若否，则选取当前时刻电压矢量评估指标函数最小值对应的开关状态输出；6)以步骤5)获得的开关状态对逆变器进行控制。与现有技术相比，本发明具有稳定性强、逆变器效率高、开关损耗低等优点。
【IPC分类】H02M7/48
【公开号】CN104901567
【申请号】CN201510305715
【发明人】杨兴武, 徐波, 冀红超, 甘伟
【申请人】上海电力学院
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月4日
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