三相光伏并网发电系统预测直接功率控制研究

引言

可再生能源发电（风力发电和光伏发电）由于其能量的随动性[1]，对与其相连的变流器的动态性能提出了更高的要求。与直流控制和间接电流控制相比，变流器的直接功率控制具有动态性能好、控制结构简单的优点。传统的直接功率控制方法对变换器的瞬时功率进行解耦[2-3]，并将其与参考值进行比较，然后通过PI控制器、滞环结构和扇区判断对变换器进行功率增量控制。该方法具有一定的时间延迟，这将导致负载功率控制的不准确，并增加稳态误差。

近年来，几种预测控制算法已在变流器控制中得到应用。一种众所周知的方法是无差拍控制[4-5]，并已应用于逆变器、整流器、多级有源整流器、有源滤波器、功率因数预调节器和不间断电源中的电流控制。它使用系统的模型来计算电压基准，以使电流在一个调制周期内达到其参考值。然后，通过脉宽调制手段获得最优电压矢量。模型预测控制[6]（MPC）是另一类预测控制器，它使用系统的离散模型来预测某个时间周期内变量的行为，并且使用价值函数作为最优输出选择的标准。为了减少在线求解优化所需的繁杂计算工作量，将转换器建模为具有有限数量状态的系统，并且只有一个时间步长可用于优化。这样，所有可能的状态都可以在线评估，然后，选择使价值函数最小化的最优电压矢量。

本文提出了一种用于光伏并网逆变器的预测直接控制方法。在所提出的模型预测控制策略中，考虑了转换器有限数量的可能开关状态，评估了每个开关状态对负载电流和输入功率的影响，构建了基于直接评估输入有功和无功功率误差的价值函数，并通过滚动优化在下一个采样周期期间选择并应用最小价值函数的切换状态。最后，通过仿真试验验证了该控制方法的有效性及可行性。

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光伏并网发电系统数学模型

本文所研究的光伏并网发电系统架构由光伏阵列、直流斩波变换器、两电平逆变器、RL滤波电路及电网组成，如图1所示。

由于本文所研究的控制策略其主要控制对象为三相两电平光伏并网逆变器，因此该系统的数学模型可表示为：

式中：uɑβ、iɑβ分别为两相静止ɑβ坐标系下的逆变器输出电压、电流；vɑβ为两相静止ɑβ坐标系下的电网侧电压；Rf、Lf分别为滤波器电阻和电感；P、Q分别为输入电网的有功和无功功率。

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最大功率点跟踪方案

本文中，最大功率点跟踪（MPPT）模块采用扰动-观察算法（P&O）实现。P&O方法主要基于电源电压（P-V）曲线的斜率，最大功率点左边斜率较小，改变固定电压，功率改变较小；而最大功率点右边斜率较大。因此，在算法设计上，在最大功率点左边选择一个较大的电压步长，而在最大功率点右边选择一个较小的电压步长，以加快跟踪效果。

由于P&O方法在稳态时会出现一些振荡，因此考虑自适应步长来对振荡问题进行约束[7]。占空比在此作为一个控制参数，因此自适应步长可定义为：

式中：d（k）为当前占空比；d（k-1）为前一个占空比；N为要调整的因数；dP/dV为光伏功率相对于光伏电压的斜率。

图2所示为控制直流斩波变换器的最终MPPT方案流程图。

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预测直接功率控制策略

为了设计模型预测控制策略所需要的离散时间数学模型，假设当前为k时刻，在采样周期Ts足够小的情况下，di/dt的导数形式可表达为：

将式（1）和式（4）结合，可得到k+1时刻的逆变器输出电流：

电网输出电压在k+1时刻的预测值可以通过线性外推法得到，即：

结合式（2）、式（5）和式（6）可得k+1时刻输出至电网的有功功率和无功功率：

由于两电平逆变器通过不同开关器件组合可产生7个开关状态，因此逆变器通过7次滚动优化，可筛选出k+1时刻的最优电压矢量。预测直接功率控制所需最小价值函数可设定为：

式中：Pref（k+1）、Qref（k+1）分别为k+1时刻逆变器输出有功和无功功率参考值，其值同样通过线性外推法得到。

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仿真试验

为验证预测直接功率控制策略的有效性进行仿真试验。光伏电站额定容量设定为15 kW，同时为真实模拟实际电网情况，在电网和逆变器之间设置R-L滤波器，直流侧电容cdc为1 000 μF，滤波电阻Rf为0.25 Ω，滤波电感Lf为0.12 mH，直流侧参考电压udcref为700 V，电网频率ω设定为100 Hz，电网电压v为400 V，开关采样周期Ts为40 μs。

为检验该控制策略的动稳态性能，设定初始时刻风电场输出功率为400 W/m2，并分别在0.1、0.2、0.3 s时刻阶跃至600、800、1 000 W/m2。从图3所示的仿真试验波形可以看出，与预测电流控制结果相似，两电平光伏并网逆变器直流侧电压在发生扰动后可很快趋于平衡。同时，逆变器输出有功功率和电流随着风电场输出功率变化而逐渐增大，为使光伏并网系统发电效率最高，其无功功率始终控制为零。与预测电流控制策略相比，该控制结构不需要锁相环和dq旋转变换，但均可实现快速跟踪外界扰动变化。

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结束语

本文所提预测直接功率控制策略简单易懂，无须任何类型的电流控制器或调制器，即可生成单位功率因数下的正弦输入电流。该控制策略充分利用功率转换器的离散特性，对于所有可能的开关状态，通过滚动优化筛选出下一时刻的最优电压矢量，从而使两电平逆变器输出有功和无功功率跟随参考值快速变化，系统采样周期越短，控制精度和效果越好。

审核编辑：刘清