一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法，步骤如下，步骤S1，定义开关状态Si；S2，获取输出电压矢量Uj与开关状态Si的表达式；S3，构造二次功率预测模型和输出电流二次预测模型；S4，计算输出电流参考值iαref和iβref；S5，构造价值函数g；S6，初始化；S7，采集电网电压和输出电流；S8，计算当前开关状态下的输出电压Uj；S9，计算第一次输出电流预测值和第一次功率预测值；S10，计算第二次输出电流预测值和第二次功率预测值；S11，计算输出电流参考值iαref和iβref；S12，计算价值函数g；S13，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m；S14，判断并输出。本发明专利技术通过对输出功率进行两步预测，超前计算出最优电压矢量，对算法延时进行有效补偿，减小延时对系统性能产生的影响。

Model predictive current control method for bidirectional AC DC converter

The invention discloses a bidirectional AC DC converter model predictive current control method comprises the following steps, step S1, Si S2, the definition of switch state; expression vector Uj for output voltage and switching state of Si; S3, two power structure prediction model and the output current of the two prediction model; S4, calculate the output current reference the value of I and I alpha ref beta ref; S5, G S6, to construct the value function; initialization; S7 collect voltage and output current; S8, calculate the output voltage Uj current switch state; S9, first calculate the output current forecast value and the first power predictive value; S10, calculated second output current the forecast value and the second power predictive value; S11, calculate the output current reference value I ref alpha and I beta ref; S12, G S13, the calculation of the value function; the value of G function and comparison of variable size of M, and the minimum value Compare variables m, S14, judge and output. The invention calculates the optimum voltage vector in advance by calculating two steps of the output power, and effectively compensates the delay of the algorithm, thereby reducing the influence of the delay on the system performance.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于智能电网
，具体涉及一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法。
技术介绍
近年来，光伏发电、燃料电池、蓄电池等多种分布式直流电源的接入，使得双向交直流电能转换成为继续解决的重要问题。直流分布式电源一般通过建立直流微网，与大电网相连，形成分布式发电系统。电网与直流母线间通过双向交直流变换器和能量管理系统，实现能量在电网与分布式发电系统间的双向流动。目前，多数关于双向交直流变换器的控制策略是采用脉宽调制，外部电压环控制直流侧电压恒定，内部电流环控制交流侧电流波形。在不平衡电网电压下，双向交直流变换器的传统控制方法是将电网电压和电流，采用锁相环技术进行正负序分离，对于正序和负序分量分别进行控制，计算量较大，控制复杂。
技术实现思路
本专利技术要解决的是现有双向交直流变换器的采用脉宽调制的控制策略计算量较大，控制复杂的技术问题，从而提供一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法，步骤如下，步骤S1，定义双向交直流变换器的开关状态Si；其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；S2，获取αβ两相静止坐标下双向交直流变换器的输出电压矢量Uj与开关状态Si的表达式。具体步骤为，S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向交直流变换器的输出电压与开关状态Si的计算公式，具体如下：其中，Udc为直流母线电压，uan为双向交直流变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流变换器的c相输出电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值。S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向交直流变换器输出电压Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；Udc为直流母线电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值。S3，构造双向交直流变换器与输出电压矢量Uj有关的功率预测模型；具体步骤为，S3.1，根据基尔霍夫定律，得到并网逆变器在三相静止坐标系下的状态方程；其中，uan为双向交直流变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流变换器的c相输出电压；ia为双向交直流变换器的a相输出电流；ib为双向交直流变换器的b相输出电流；ic为双向交直流变换器的c相输出电流；ea为电网a相电压；eb为电网b相电压；ec为电网c相电压；L为电感；R为电阻；S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程；具体如下：其中，L为电感；R为电阻；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为双向交直流变换器的输出电流的α分量；iβ为双向交直流变换器的输出电流的β分量；uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化并整理，得到双向交直流变换器在tk+1时刻预测电流：式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；S3.4，根据步骤S3.3中的公式6，得到tk+2时刻双向交直流变换器在tk+2时刻预测电流；式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k+2)为tk+2时刻输出电流的α分量；iβ(k+2)为tk+2时刻输出电流的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；S3.5，根据瞬时功率理论，得到电网侧的有功功率p和无功功率q的计算公式，具体为：式中：eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为输出电流的α分量；iβ为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率；S3.6，对于三相平衡电网，当采样频率Ts较高时，有：S3.7，将步骤S3.6中的公式9代入步骤S3.5的公式8中，得到tk+1时刻双向交直流变换器的功率预测模型：式中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k)为tk时刻有功功率预测值；Q(k)为tk时刻无功功率预测值；iα(k)为tk时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流预测值的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；Ts为采样频率；S3.8，根据步骤S3.7中的公式10得到tk+2时刻并网逆变器与输出电压Uj有关的功率预测模型；具体为：其中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；Ts为采样频率；S4，计算αβ静止坐标下的输出电流参考值iαref和iβref；具体步骤为，S4.1，在不平衡电网下，分别计算电网电压e、输出电流i的正序分量和负序分量；式中：ω为dq坐标系旋转角速度，为电网电压在αβ坐标系的正序分量；为电网电压在αβ坐标系的负序分量；为电网电压在dq坐标系的正序分量；为电网电压在dq坐标系的负序分量；为输出电流在αβ坐标系的正序分量；为输出电流在αβ坐标系的负序分量；为输出电流在dq坐标系的正序分量；为输出电流在dq坐标系的负序分量；ed+为电网电压在dq坐标系的d轴正序分量数值；eq+为电网电压在dq坐标系的q轴正序分量数值；ed-为电网电压在dq坐标系的d轴负序分量数值；eq-为电网电压在dq坐标系的q轴负序分量数值；id+为输出电流在dq坐标系的d轴正序分量数值；iq+为输出电流在dq坐标系的q轴正序分量数值；id-为输出电流在dq坐标系的d轴负序分量数值；iq-为输出电流在dq坐标系的q轴负序分量数值；S4.2，获得dq坐标下的有功功率和无功功率与正负序分量之间的关系式；具体步骤为：S4.2.1，根据瞬时功率理论，电网侧功率表示如下：S＝ei*＝p+jq(14)；式中：其中，p为有功功率，q为无功功率；p0为有功功率的基准值；pc2为有功功率的余弦脉动分量；ps2为有功功率的正弦脉动分量；q0为无功功率的基准值；qc2为无功功率的余弦脉动分量；qs2为无功功率的正弦脉动分量；S4.2.2，将步骤S4.1中公式12和公式13代入步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法，其特征在于：步骤如下，步骤S1，定义双向交直流变换器的开关状态Si；其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；S2，获取αβ两相静止坐标下双向交直流变换器的输出电压矢量Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：Uj=uαuβ=6Udc91-12-12032-322Sa-Sb-Sc-Sa+2Sb-Sc-Sa-Sb+2Sc---(3);]]>其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；Udc为直流母线电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；S3，构造双向交直流变换器与输出电压矢量Uj有关的二次功率预测模型和输出电流二次预测模型；输出电流二次预测模型为，iα(k+2)iβ(k+2)=TsLuα(k+1)-eαuβ(k+1)-eβ+(1-RTsL)iα(k+1)iβ(k+1)---(7);]]>式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k+2)为tk+2时刻输出电流的α分量；iβ(k+2)为tk+2时刻输出电流的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；二次功率预测模型，P(k+2)Q(k+2)=TsLeαeβeβ-eαuα(k+1)-eα-Riα(k+1)uβ(k+1)-eβ-Riβ(k+1)+P(k+1)Q(k+1)---(11);]]>其中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；Ts为采样频率；S4，计算αβ静止坐标下的输出电流参考值iαref和iβref；与有功功率有关的输出电流参考值iαref和iβref的计算公式如下；iαref=eβ′eαeβ′-eα′eβprefiβref=-eα′eαeβ′-eα′eβpref---(25);]]>式中，iαref为输出电流参考值的α分量；iβref为输出电流参考值的β分量；ex为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；eα′为电网电压α分量的90°延迟信号；eβ′为电网电压β分量的90°延迟信号；pref为有功功率给定值；与无功功率有关的输出电流参考值iαref和iβref的计算公式如下；iαref=-eα′eαeβ′-eα′eβqrefiβref=-eβ′eαeβ′-eα′eβqref---(27);]]>式中，iαref为输出电流参考值的α分量；iβref为输出电流参考值的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；eα′为电网电压α分量的90°延迟信号；eβ′为电网电压β分量的90°延迟信号；qref为有功功率给定值；S5，构造价值函数g；其中，iαref为输出电流参考值的α分量；iβref为输出电流参考值的β分量；λ为权重系数；iα(k+2)为tk+2时刻输出电流的α分量；iβ(k+2)为tk+2时刻输出电流的β分量；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；S6，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态Si赋初值；S7，采集电网电压ea、eb、ec，进行Clark变换得到电网电压的α分量eα和β分量eβ，并对电网电压的α分量eα、电网电压的β分量eβ分别进行90°延迟，得到电网电压α分量的90°延迟信号和电网电压β分量的90°延迟信号；采集双向交直流变换器的输出电流ia、ib、ic并进行Clark变换得到双...

【技术特征摘要】
1.一种双向交直流变换器模型预测电流控制方法，其特征在于：步骤如下，步骤S1，定义双向交直流变换器的开关状态Si；其中，i为交流电网的相，且i∈(a,b,c)；S2，获取αβ两相静止坐标下双向交直流变换器的输出电压矢量Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：Uj=uαuβ=6Udc91-12-12032-322Sa-Sb-Sc-Sa+2Sb-Sc-Sa-Sb+2Sc---(3);]]>其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；Udc为直流母线电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；S3，构造双向交直流变换器与输出电压矢量Uj有关的二次功率预测模型和输出电流二次预测模型；输出电流二次预测模型为，iα(k+2)iβ(k+2)=TsLuα(k+1)-eαuβ(k+1)-eβ+(1-RTsL)iα(k+1)iβ(k+1)---(7);]]>式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k+2)为tk+2时刻输出电流的α分量；iβ(k+2)为tk+2时刻输出电流的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；二次功率预测模型，P(k+2)Q(k+2)=TsLeαeβeβ-eαuα(k+1)-eα-Riα(k+1)uβ(k+1)-eβ-Riβ(k+1)+P(k+1)Q(k+1)---(11);]]>其中，P(k+1)为tk+1时刻有功功率预测值；Q(k+1)为tk+1时刻无功功率预测值；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；Ts为采样频率；S4，计算αβ静止坐标下的输出电流参考值iαref和iβref；与有功功率有关的输出电流参考值iαref和iβref的计算公式如下；iαref=eβ′eαeβ′-eα′eβprefiβref=-eα′eαeβ′-eα′eβpref---(25);]]>式中，iαref为输出电流参考值的α分量；iβref为输出电流参考值的β分量；ex为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；eα′为电网电压α分量的90°延迟信号；eβ′为电网电压β分量的90°延迟信号；pref为有功功率给定值；与无功功率有关的输出电流参考值iαref和iβref的计算公式如下；iαref=-eα′eαeβ′-eα′eβqrefiβref=-eβ′eαeβ′-eα′eβqref---(27);]]>式中，iαref为输出电流参考值的α分量；iβref为输出电流参考值的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；eα′为电网电压α分量的90°延迟信号；eβ′为电网电压β分量的90°延迟信号；qref为有功功率给定值；S5，构造价值函数g；其中，iαref为输出电流参考值的α分量；iβref为输出电流参考值的β分量；λ为权重系数；iα(k+2)为tk+2时刻输出电流的α分量；iβ(k+2)为tk+2时刻输出电流的β分量；P(k+2)为tk+2时刻有功功率预测值；Q(k+2)为tk+2时刻无功功率预测值；S6，初始化，给定价值函数g的比较变量m，并给比较变量m和开关状态Si赋初值；S7，采集电网电压ea、eb、ec，进行Clark变换得到电网电压的α分量eα和β分量eβ，并对电网电压的α分量eα、电网电压的β分量eβ分别进行90°延迟，得到电网电压α分量的90°延迟信号和电网电压β分量的90°延迟信号；采集双向交直流变换器的输出电流ia、ib、ic并进行Clark变换得到双向交直流变换器输出电流的α分量iα和β分量iβ,并对输出电流的α分量iα和β分量iβ分别进行90°延迟，得到输出电流α分量的90°延迟信号和输出电流β分量的90°延迟信号；S8，结合步骤S2和S7计算当前开关状态下的双向交直流变换器的输出电压Uj；S9，结合步骤S3和步骤S8计算双向交直流变换器的第一次输出电流预测值和第一次功率预测值；S10，结合步骤S3、步骤S8和步骤S9计算双向交直流变换器的第二次输出电流预测值和第二次功率预测值；S11，结合步骤S4和步骤S7计算αβ静止坐标下的输出电流参考值iαref和iβref；S12，结合步骤S5、步骤S9和步骤S10计算价值函数g；S13，比较价值函数g与比较变量m的大小，并将最小值赋值给比较变量m；S14，判断循环次数是否达到设定值，当循环次数小于设定值时，改变开关状态值，重复步骤S7-S13；当循环次数等于设定值时，输出最小价值函数g所对应的输出电压矢量Uj；输出电压矢量Uj所对应的开关状态应用于下一时刻，实现直接功率控制。2.根据权利要求1所述的双向交直流变换器模型预测电流控制方法，其特征在于：在步骤S2中，具体步骤为，S2.1，在abc三相静止坐标系下，获取双向交直流变换器的输出电压与开关状态Si的计算公式，具体如下：uanubnucn=Udc32-1-1-12-1-1-12SaSbSc---(2);]]>其中，Udc为直流母线电压，uan为双向交直流变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流变换器的c相输出电压；Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值；S2.2，对步骤S2.1中的公式2进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下双向交直流变换器输出电压Uj与开关状态Si的表达式，具体如下：Uj=uαuβ=6Udc91-12-12032-322Sa-Sb-Sc-Sa+2Sb-Sc-Sa-Sb+2Sc---(3);]]>其中，uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；Udc为直流母线电压，Sa为a相的开关状态值；Sb为b相的开关状态值；Sc为c相的开关状态值。3.根据权利要求1所述的双向交直流变换器模型预测电流控制方法，其特征在于：在步骤S3中，具体步骤为，S3.1，根据基尔霍夫定律，得到并网逆变器在三相静止坐标系下的状态方程；Lddtiaibic+Riaibic=uanubnucn-eaebec---(4);]]>其中，uan为双向交直流变换器的a相输出电压；ubn为双向交直流变换器的b相输出电压；ucn为双向交直流变换器的c相输出电压；ia为双向交直流变换器的a相输出电流；ib为双向交直流变换器的b相输出电流；ic为双向交直流变换器的c相输出电流；ea为电网a相电压；eb为电网b相电压；ec为电网c相电压；L为电感；R为电阻；S3.2，对步骤S3.1中的公式4进行Clark变换，得到αβ两相静止坐标下的状态方程；具体如下：Lddtiαiβ+Riαiβ=uαuβ-eαeβ---(5);]]>其中，L为电感；R为电阻；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为双向交直流变换器的输出电流的α分量；iβ为双向交直流变换器的输出电流的β分量；uα为输出电压的α分量；uβ为输出电压的β分量；S3.3，对步骤S3.2中的公式5进行离散化并整理，得到双向交直流变换器在tk+1时刻预测电流：iα(k+1)iβ(k+1)=TsLuα(k)-eα(k)uβ(k)-eβ(k)+(1-RTsL)iα(k)iβ(k)---(6);]]>式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k)为tk时刻输出电流的α分量；iβ(k)为tk时刻输出电流的β分量；eα(k)为tk时刻电网电压的α分量；eβ(k)为tk时刻电网电压的β分量；uα(k)为tk时刻输出电压的α分量；uβ(k)为tk时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；S3.4，根据步骤S3.3中的公式6，得到tk+2时刻双向交直流变换器在tk+2时刻预测电流；iα(k+2)iβ(k+2)=TsLuα(k+1)-eαuβ(k+1)-eβ+(1-RTsL)iα(k+1)iβ(k+1)---(7);]]>式中，iα(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的α分量；iβ(k+1)为tk+1时刻输出电流预测值的β分量；iα(k+2)为tk+2时刻输出电流的α分量；iβ(k+2)为tk+2时刻输出电流的β分量；eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；uα(k+1)为tk+1时刻输出电压的α分量；uβ(k+1)为tk+1时刻输出电压的β分量；L为电感；R为电阻；Ts为采样频率；S3.5，根据瞬时功率理论，得到电网侧的有功功率p和无功功率q的计算公式，具体为：p=eαiα+eβiβq=eβiα-eαiβ---(8);]]>式中：eα为电网电压的α分量；eβ为电网电压的β分量；iα为输出电流的α分量；iβ为输出电流的β分量；p为有功功率，q为无功功率；S3.6，对于三相平衡电网，当采样频率Ts较高时，有：eα(k+1)=eα(k)eβ(k+1)=eβ(k)---(9);]]>S3.7，将步骤S3.6中的公式9代入步骤S3.5的公式8中，得到tk+1时刻双向交直流变换器的功率预测模型：P(k+1)Q(k+1)=TsLeαeβeβ-eαuα(k)-eα-Riα(k)uβ(k)-eβ-Ri&beta...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔汉，武洁，葛勋，金楠，江豪，申永鹏，曹玲芝，里昂·托伯特，衡龙雨，赵衡焱，
申请(专利权)人：郑州轻工业学院，
类型：发明
国别省市：河南;41