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基于储能型准Z源光伏并网逆变器的FCS-MPC策略研究

1.引言

储能型准Z源光伏并网逆变器背景及意义

随着可再生能源的广泛应用，光伏并网系统成为了重要的研究课题。其中，储能型准Z源光伏并网逆变器具有高效率、高稳定性及良好的输出波形等优势，可以有效提高光伏发电系统的性能。储能型准Z源光伏并网逆变器通过其独特的电路结构，实现了对光伏发电系统中能量的有效存储与管理，对于提高光伏发电系统的并网性能具有非常重要的意义。

FCS-MPC策略简介

FCS-MPC（FixedControlSetModelPredictiveControl）策略是一种模型预测控制方法，具有控制策略简单、易于实现、控制效果优良等特点。该方法通过预先设定控制集，以系统模型为基础，预测未来一段时间内的系统状态，进而优化控制策略，实现系统的高效运行。将FCS-MPC策略应用于储能型准Z源光伏并网逆变器，可以进一步提高系统的控制性能，降低并网过程中的功率损耗。

文献综述

近年来，关于储能型准Z源光伏并网逆变器的研究已经取得了一系列的成果。文献[1]提出了一种基于准Z源逆变器的新型光伏并网系统，有效提高了系统的功率因数和转换效率。文献[2]针对储能型准Z源光伏并网逆变器，提出了一种基于神经网络的控制策略，实现了对系统的高精度控制。然而，目前针对储能型准Z源光伏并网逆变器的FCS-MPC策略研究尚不充分，仍有很大的研究空间和实际应用价值。

2储能型准Z源光伏并网逆变器系统建模

2.1储能型准Z源逆变器数学模型

储能型准Z源逆变器是一种具有优良性能的电力电子设备，它结合了传统Z源逆变器和准Z源逆变器的优点，同时引入了储能元件，提高了系统的稳定性和灵活性。在此部分，我们将详细描述其数学模型。

该逆变器的数学模型主要包括以下部分：直流侧电容电压平衡方程、交流侧输出电流方程、储能元件的动态方程以及控制方程。首先，直流侧电容电压平衡方程可表示为：

C

其中，C1是直流侧电容值，Vdc是电容电压，Vpv是光伏阵列输出电压，R

交流侧输出电流方程可以表示为：

L

其中，L2是交流侧电感值，RL是电感等效串联电阻，ia

储能元件的动态方程描述了储能元件（如电池）的充放电过程，可以表示为：

d

其中，S是储能元件的荷电状态，Pc是充电功率，Pd是放电功率，

2.2光伏并网系统建模

光伏并网系统的建模主要包括光伏阵列模型、并网接口模型和控制系统模型。光伏阵列模型通常采用单二极管模型，该模型可以准确描述光伏阵列的非线性特性。并网接口模型主要包括并网变压器、滤波器和开关器件等。

光伏阵列的输出电流可表示为：

I

其中，Isc是短路电流，I0是二极管饱和电流，R

2.3系统仿真模型建立

为了对储能型准Z源光伏并网逆变器进行详细分析，我们使用仿真软件（如MATLAB/Simulink）搭建了系统仿真模型。该模型包括了上述数学模型的所有组成部分，并考虑了实际运行过程中可能出现的各种情况，如输入电压变化、负载扰动、开关器件的非理想特性等。

在仿真模型中，我们采用了模块化设计，将各个功能模块分别搭建，然后进行集成。通过调整模型参数，可以模拟不同工况下的系统性能，为后续的FCS-MPC策略设计提供依据。

通过以上建模过程，我们为储能型准Z源光伏并网逆变器的设计和分析提供了一个详细且具体的数学模型和仿真模型。这为后续的策略设计、性能分析和实验验证奠定了基础。

3FCS-MPC策略设计

3.1FCS-MPC策略原理

FCS-MPC（FiniteControlSet-ModelPredictiveControl）策略是基于模型预测控制的一种控制策略。它通过预测系统在未来有限时间内的状态，以实现对并网逆变器的优化控制。在储能型准Z源光伏并网逆变器系统中，FCS-MPC策略主要包括以下原理：

模型预测：建立储能型准Z源光伏并网逆变器的数学模型，通过模型预测未来一段时间内系统的状态变量。

目标函数：根据系统性能指标，构造目标函数，通常包括并网电流的总谐波失真（THD）、并网功率因数、储能元件的电压应力等。

优化控制：通过求解目标函数的最优化问题，得到未来有限控制时段内的最优控制序列。

3.2策略实施步骤

FCS-MPC策略在储能型准Z源光伏并网逆变器中的实施步骤如下：

建立数学模型：根据储能型准Z源逆变器的结构和工作原理，建立相应的数学模型。

选择优化变量：选取并网电流、电容电压等作为优化变量。

构造目标函数：根据系统性能要求，构造包含并网电流THD、功率因数等指标的目标函数。

约束条件设置：考虑系统稳定性、安全性和硬件限制，设置控制变量和状态变量的约束条件。

求解最优控制序列：利用优化算法（如梯度下降法、内点法等）求解目标函数的最优化问题，得到最优控制序列。

实施控制：将最优控制