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单相光伏并网逆变器的高质量模型预测控制
摘 要
Single phase grid-connected inverters with LCL fifilter are widely used to connectthe photovoltaic systems to the utility grid. Among the presented control schemes, predictive control methods are faster and more accurate but are more complex to implement. Recently, the model-predictive control algorithm for single-phase inverter has been presented, where the algorithm implementation is straightforward. In the proposed approach, all switching states are tested in each switching period to achieve the control objectives. However, since the number of the switching states in single-phase inverter is low,the inverter output current has a high total harmonic distortions. In order to reduce the total harmonic distortions of the injected current, this paper presents a high-quality model-predictive control for one of the newest structure of the grid connected photovoltaic inverter, i.e., HERIC inverter with LCL fifilter. In the proposed approach, the switching algorithm is changed and the number of the switching states is increased by some virtual vectors. Simulation results show that the proposed approach lead to a lower total harmonic distortions in the injected current along with a fast dynamic response. The proposed predictive control has been simulated and implemented in a 1 kW single-phase HERIC inverter with LCL fifilter at the output.
- 简介
单相并网逆变器是小型可再生能源的最重要组成部分。近年来网络中单相光伏系统的安装有了显着增长[1,2]. 这些系统的主要挑战之一是效率。为了在光伏系统中实现高效率，单相无变压器并网逆变器被广泛使用。已经提出了单相无变压器光伏逆变器的不同拓扑[3,4]. 其中，高效可靠的逆变器概念（HERIC）效率最高[5,6]. 同样，LCL滤波器在无变压器逆变器的输出中使用更具吸引力。与L滤波器相比，LCL滤波器具有更高的谐波衰减，可帮助逆 变器在独立运行和并网运行中工作[7,8]. 另一方面，针对此类系统提出了不同的线性和非线性控制器，包括磁滞控制器，比例控制器（PR），电压定向控制器（VOC），滑模控制器，人工智能控制器。在这些控制方法中，磁滞控制既简单又鲁棒，但由 于其开关频率可变，因此具有电流纹波[9,10]. PI控制器是功率转换器中最常见的控制器，但它们具有稳态误差，还需要精确的增 益调整[11,12]. 为了在固定参考系中实现PI控制器，提出了PR控制器。PR控制器广泛用于控制单相逆变器，但它们也需要出于任何 目的调整控制增益[13,14]. 最近电平控制（NLC）广泛用于高功率和高电平逆变器应用[15]. 其他控制器，例如神经网络，滑模和模糊控制方法已用于单相并网逆变器，但它们具有很高的计算负担[16–19].
预测控制器快速，强大且易于数字实现。这些控制器确定最佳的逆变器电压量，以迫使输出电流跟踪参考电流[20,21].已经提出了基于无差拍控制的不同鲁棒性预测控制方法，例如鲁棒性预测电流控制（RPCC）[22], 自适应鲁棒预测电流控制（ARPCC）[23], 同步参考框架鲁棒预测电流控制（SRF-RPCC）, 广义鲁棒预测电流控制（GRPCC）[25], 和全状态观察器预测电流制（FSOPCC）[26]. 所提到的方法已经显示出可接受的结果，但是实现起来具有很高的复杂性。另外，由于功能强大的处理器的出现，MPC最近在功率转换器中使用，对于不同的控制目标，它很容易实现。在MPC方法中，确定系统方程，包括逆变器，滤波器和电网，并计算下一个电流样本。然后将其与电流基准进行比较，并根据成本函数确定最佳开关状态[27–29].
在参考文献中。[30,31], 提出了基于MPC的具有不同控制目标的算法。然而，由于开关模式的数量非常少，因此该方法的精度降低并且导致逆变器输出电流中的THD较高。
为了减少这种情况，本文提出了一种高质量的最新版本的网格连接的模型预测控制光伏逆变器，带有LCL滤波器的HERIC逆变器，可改善注入电流的总谐波失真。在提出的控制中，开关状态的数量已得到优化和增加。后通过成本函数确定最佳切换模式，将通过切换表进行切换。仿真结果表明，所提出的控制器在注入电流下的总谐波失真比传统的MPC更低，同时也非常快速，稳定和准确。
2.系统说明
图1显示了所提出方案的框图，该方案包括由光伏电池板 提供的DC链路和通过LCL滤波器连接到电网的HERIC逆变器。并且，上游控制块确定要注入电网的功率参考。最后，此功率参考由建议的HQMPC模块控制并注入到电网中。
3.拟议的HQMPC
3.1MPC原理
模型预测控制的设计和实现包括以下三个步骤：
- 使用模型预测下一时间步的控制变量的行为。
- 确定成本函数，包括控制目标和系统的预期行为。
- 提取适当的命令以最小化成本函数值。
以下方程式可以显示预测下一步的离散模型：
（1）
（2）
的向量是状态空间变量的当前值，是状态空间变量的下一个值，是输入变量的当前值，而是...的当前值输出变量。下一步，成本函数可以写成
（3）
3.2控制目标定义
在提出的方法中，控制器是基于成本函数的电流控制器
其中是电网电流的参考。根据活跃和单相无功理论作为参考，可以通过帮助正交信号发生器来计算：
（4）
其中是有功和无功参考，和是电网电压的正交分量，由正交数字信号发生器计算。
因此，ig是由系统模型计算的预测电流，该电流将在下一部分中介绍。
- 从有源和无源确定参考电流无功功率参考（P *和Q *）
在本文中，确定从逆变器向电网注入的功率参考的参考电流取决于等式（3）。
- 控制原理
3.3. 功率级建模
在图1中，，和C是逆变器侧电感器，电网侧逆变器和LCL滤波器的电容器。是电网电压，是直流母线电压，是逆变器输出电压的平均值，可以定义为，d(t)[-1,1]。
（1）计算预测的电网电流（ig [k 1]）
为了计算ig [k 1]，可以将图1中的逆变器建模为以下等式：
（5）
其中
（6）
通过把（6）带入（5）中，式（7）可以先写成：
（7）
假设逆变器以固定频率工作，恒定开关时间（），等式（7）可以写成
（8）
假设LCL过滤器的处理方式与L过滤器相同，带宽保持在LCL滤波器的谐振频率以下[23]， ，因此，等式（8）可写成：
（9）
其中和是逆变器输出电压和开关周期内电网输出电压平均值[k，k 1]。 是逆变器侧电流和电网采样点[k]的侧电流。
为了计算电网电压的平均值，假定电网电压在开关周 期内的变化是线性的，并且电网电压的变化也是线性的过度 [k，k 1]开关周期等于[k-1，k]的开关周期的变化。因此， 可以从测量的电网电压获得。
（10）
3.4成本函数
估算之后，成本函数写为
（11）
其中是下一节中计算出的电网电流参考。
3.4.1计算电网电流参考（）
从等式中可以看出。可以从有功功率和无功功率参考中获得，并且正交组合 电网电压的单位。因此，该电流可以写成
（12）
和是的正交分量，其中
=) （13）
是PLL在采样处检测到的电网电压的相位是电网电压的峰值，而是两个之间的相位，可以写为：
（14）
其中和是开关频率和电网频率。为了计算电网电压平均值
和的正交分量，假设正交分量的变化在开关周期内是线性的，并且[k 1,k 2]的周期等于[k,k 1]的周期的变化。最后可以从和得到和，如
（15）
（16）
4.拟议的HQMPC的摘要
HQMPC的流程图显示在图2并且可以描述如：
bull; 测量参数。
bull; 从上游控制中确定有功和无功参考功率。
bull; 根据公式计算当前参考的下一个样本。
bull; 针对每个可能的开关计算预测电流由等式(9).
bull; 通过公式确定成本函数。
bull; 测试所有开关状态，包括实向量和虚向量，以最小化成本函数。
bull; 根据等式计算开关时间（Td，（T0））。
bull; 通过使用切换表将所选矢量应用于调制表2。
5.高质量模型预测控制中的切换计划
如图所示图1，HERIC逆变器由全桥逆变器和旁路开关组成。对HERIC逆变器，将按照VDE-4105的标准确定调制策略以实现零共模电压[26].HERIC逆变器拓扑的PWM策略显示在图3。但是，在本文中，占空比由提出的HQMPC确定，并与切换表一起应用，如下所述。
图四显示了传统MPC参与的所有向量单项HERIC逆变器。HERIC逆变器的开关状态可以表示为：
（17）
（18）
（19）<!--
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