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三相并网逆变器预测控制 　　摘 要： 并网逆变器作为分布式发电系统的重要组成部分，其控制性能直接影响发电系统的并网电能质量。在分析模型预测控制的工作原理的基础上，提出一种新型的预测电流控制来进行并网逆变器控制。这种控制方法补偿一般模型预测控制造成的并网电流相位滞后的问题，提高并网功率因数。仿真结果表明采用这种改进后，逆变器的并网电流纹波满足并网要求的同时，无功功率也有明显的降低，提高并网功率因数。 　　关键词： 并网逆变器；模型预测控制；电流控制；功率因数 　　中图分类号：TM464 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2012）0310012－03 　　 　　0 引言 　　随着世界能源紧缺和环境污染等问题的日趋严重，由各种可再生能源如太阳能、风能、燃料电池等构成的分布式发电系统得到了广泛的研究和应用。并网逆变器作为可再生能源发电系统与电网的接口，对整个分布式发电系统起着至关重要的作用，其控制性能直接影响发电系统的发电质量。因此选择适宜的逆变器控制方法对于分布式发电系统是至关重要的[1]。 　　并网一般通过电压型逆变器实现电流控制，将电流控制成与电网同频、同相的正弦波再送入电网，实现单位功率因数送电。常用的控制方法有非线性的滞环控制，以及线性的PI控制。滞环控制具有很快的动态响应，但由于较高的开关频率带来了较大的开关损耗，影响并网逆变器的效率；同时滞环控制会产生很大的稳态误差[2]。传统的PI控制，在同步旋转坐标系下能够实现电压、电流的无静差调节，但模型的相互耦合对动态性能不利；同时PI控制器的设计需要经过一些的测试才能获得性能较优的参数[3]。近年来，随着数学处理器的迅速发展，原本只用在过程控制领域的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）开始在电力变换器控制方面暂露头角[4]。MPC应用在逆变器控制时，充分利用逆变器的离散特性，在预测系统状态变量时只需考虑有限个开关状态，因此能在一个合理的采样时间内完成算法，满足电力变换快速响应的特性[5]。与传统的控制方法相比，模型预测控制能够很容易地将系统的非线性和限制条件考虑进控制器，避免一般控制方法??线性化处理时引入的误差，保证控制过程无过冲[6]；另外模型预测控制在一个采样周期内每个开关管最多动作一次，所以可以大大减少开关损耗，提高并网逆变器的效率。 　　由于电网具有巨大的电压平衡作用，本文采用模型预测电流控制来控制并网逆变器的并网电流。在MPC算法执行过程中，通过最优规划函数选择最优控制信号时，需要比较预测得到的多个未来电流值与未来的电流指令值的差值，但是未来指令值是未知的。一般在对相位要求不高的场合，比如电机调速系统，近似采用当前时刻的指令作为未来时刻的指令，但是在并网逆变器这种对相位要求比较高的场合，需要对指令值进行修正，降低稳态的相位误差，提高并网功率因数。本文分别采用拉格朗日外插和旋转矢量的方法对指令值进行修正，仿真证明了这两种方法的有效性，能够使并网电流很好的跟踪电网电压的相位，实现单位功率因数并网[7]。 　　1 三相并网逆变器的预测模型 　　 图1示出并网逆变器的基本拓扑结构。为了讨论方便，这里把逆变器左边的可再生能源发电环节等效成一个直流环节Udc。并网逆变器通过滤波电感L与电网相连，R为系统的等效阻尼电阻，包括线路电阻和电感内阻等形成的线路等效电阻。 　　该并网逆变器具有三个桥臂，每个桥臂上有两个开关管，不考虑安全死区时，任何时候每个桥臂有且仅有一个开关管开通，另一个开关管关断，可以将负载端短接到P点或者N点，分别对应开关函数SX=1和SX=0（x=a，b，c）。对于两电平三相逆变器，共有23种开关组合方式。定义电压空间矢量为： 　　 　　式中 ；不同的开关组合方式可以获得8个电压空间矢量（V0，…，V7），由于V0与V7同为零矢量，故该逆变器可以向负载提供7个不同电压空间矢量，如图2所示[8]。 　　 系统的模型是用来预测系统未来时刻系统状态变量，是模型预测控制算法的核心。在这里，系统模型相当于系统的动态方程： 　　 式中L为滤波电感，R为线路等效电阻，V是逆变器输出电压空间矢量，E为网侧电压矢量，i为并网电流矢量。V由式1定义，E和i的定义如下： 　　 其中 。 　　并网逆变器是工作在高频特性下，其采样周期一般是us级，可以采用欧拉近似离散方法，即： 　　 将式5代入式2便得到了离散化后的空间状态方程为： 　　 式6便是用来预测未来并网电流 的预测模型， 和 分别是 时刻并网电流和网侧电压， 则是当前 时刻逆变器产生的电压矢量[9]。考虑到逆变器产生的电压空间矢量只有7种可能的电压矢量，所以对于 的预测也只有7种情况。 　　2 预测电流控制策略 　　 根据上文分析，根据