本发明公开了一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法及装置，采集光伏变流器当前时刻直流侧的光伏输入电压电流、交流侧输出电压电流和交流滤波器电流，建立光伏变流器的预测模型，计算下一采样时刻的光伏预测电压和交流预测电压；然后根据光伏出力状态和当前交流电压幅值确定光伏变流器运行模式以及下一采样时刻交流电压参考值；最后设计成本函数跟踪输出电压参考值，并在成本函数中加入惩罚函数用于舍弃不满足要求的开关状态。本发明可使光伏变流器在光伏出力充足时，独立构建交流电压，实现构网控制；当光伏出力不足无法满足负荷需求时，光伏变流器自适应调节输出电压幅值，同时稳定输出电压频率，并保持光伏最大功率输出。
1.一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采集光伏变流器直流侧输入光伏电压、输入光伏电流、交流侧输出三相电压、输出三相电流和交流滤波器三相电流，并将三相量变换至两相静止αβ坐标系分别得到交流输出电压、交流输出电流和交流滤波器电流，建立αβ坐标系下的光伏变流器预测模型，计算预测交流输出电压和预测光伏电压；
其中，Ts表示采样周期，k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，Vo(k)为当前采样时刻的交流输出电压，Io(k)为当前采样时刻的交流输出电流，If (k)为当前采样时刻的交流滤波器电流，Vo(k+1)，If(k+1)分别为预测交流输出电压和预测交流滤波器电流，Vpv(k)为当前采样时刻的光伏变流器直流侧输入光伏电压，Ipv(k)为当前采样时刻的光伏变流器直流侧输入光伏电流，Vpv(k+1)为预测光伏电压，Cpv为直流侧滤波器的电容值，Sa(k)、Sb(k)、Sc(k)分别为a、b、c三相对应的开关管状态，Ifα(k)、Ifβ(k)分别为If(k)在α轴和β轴上的分量，Vn(k)为光伏变流器交流出口电压矢量，n取1到8，与8组光伏变流器开关状态相对应，Lf为交流侧滤波器的电感值，Cf为交流侧滤波器的电容值，T为转置符号；
步骤2：计算参考相角和参考幅值，生成参考输出电压；
步骤3：根据步骤2的参考输出电压，并基于步骤1中的光伏变流器预测模型得到的预测交流输出电压和预测光伏电压，计算模型预测控制的成本函数，模型预测控制的成本函数具体如下：其中，Voα(k+1)、Voβ(k+1)分别为预测交流输出电压Vo(k+1)在α轴和β轴上的分量，和 分别为参考输出电压 在α轴和β轴上的分量，为惩罚函数，用于舍弃不满足要求的开关状态；所述惩罚函数 取值的
具体方法为：若光伏变流器选择功率爬坡模式，并且预测光伏电压Vpv(k+1)相较于Vpv(k)的变化方向与功率爬坡下光伏电压的变化方向相反时，对应开关状态的成本函数中取无穷大；否则 取0；若光伏变流器选择下垂控制模式， 取0；
遍历光伏变流器的开关状态选取最小成本函数对应的开关状态执行，完成本周期的控制动作。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，其特征在于，计算参考相角 的过程如下：其中， 为当前相角， 为参考频率，由频率‑无功下垂控制得出， 、r和
分别为频率‑无功下垂控制中的额定频率、无功下垂系数和当前无功功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，其特征在于，所述步骤2中计算参考幅值时选择下垂控制模式下幅值或功率爬坡模式下幅值，具体选择方法为：根据光伏变流器当前输入的Vpv(k)、Ipv(k)，上一时刻输入的Vpv(k‑1)、Ipv(k‑1)计算光伏当前出力Ppv(k)和上一时刻出力Ppv(k‑1)；若Ppv(k)大于Ppv(k‑1)且Vo(k)大于上一时刻交流输出电压Vo(k‑1)，或Ppv(k)小于Ppv(k‑1)且Vo(k)小于Vo(k‑1)，则光伏运行于光伏电压‑出力曲线的上坡区，此时光伏变流器选择功率爬坡模式运行；若Ppv(k)大于Ppv(k‑
1)且Vo(k)小于Vo(k‑1)，或Ppv(k)小于Ppv(k‑1)且Vo(k)大于Vo(k‑1)，则光伏运行于光伏电压‑出力曲线的下坡区，能够进行构网控制，如果实测交流电压幅值 小于， 为下垂控制模式下幅值， 为额定幅值，则光伏当前亟需增大出力以增大电压幅值，光伏变流器选择功率爬坡模式，反之则当前光伏出力足以满足构网控制功率需求，选择下垂控制模式运行；根据选择的运行模式，选择对应模式下的下垂控制模式下幅值 或功率爬坡模式下幅值 作为参考幅值 。
4.根据权利要求3所述的一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，其特征在于，下垂控制模式下幅值 的具体计算如下：其中， 为额定幅值，m为下垂系数， 为当前有功功率。
5.根据权利要求3所述的一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，其特征在于，功率爬坡模式下幅值 的具体计算如下：其中， 为功率爬坡值， 和 分别为Io(k)在α轴和β轴上的分量，
6.根据权利要求3所述的一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，其特征在于，生成参考输出电压 后计算其在α轴和β轴上的分量为：其中， 和 分别为 在α轴和β轴上的分量，
7.一种实现权利要求1‑6任一项所述基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法的装置，其特征在于，该装置包括光伏变流器预测模型构建模块、参考输出电压生成模块和开关状态选择模块；
所述光伏变流器预测模型构建模块用于采集光伏变流器直流侧输入光伏电压、输入光伏电流、交流侧输出三相电压、输出三相电流和交流滤波器三相电流，并将三相量变换至两相静止αβ坐标系分别得到交流输出电压、交流输出电流和交流滤波器电流，建立αβ坐标系下的光伏变流器预测模型，计算预测交流输出电压和预测光伏电压；
所述参考输出电压生成模块用于计算参考相角和参考幅值，生成参考输出电压；
所述开关状态选择模块用于根据参考输出电压生成模块得到的参考输出电压，并基于光伏变流器预测模型构建模块得到的预测交流输出电压和预测光伏电压，计算模型预测控制的成本函数，遍历光伏变流器的开关状态选取最小成本函数对应的开关状态执行，完成本周期的控制动作。
一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及新能源发电并网控制技术领域，尤其涉及一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法及装置。
背景技术
[0002] 近年来，随着光伏面板的成本不断下探以及光伏发电技术的日趋成熟，光伏正成为最有前景的可再生能源之一。然而现有光伏发电大多采用跟网型控制方法，需要锁相环测量并网点的相位信息，在弱电网中存在稳定问题，制约了光伏渗透率的提升。在弱电网甚至离网状态下，变流器宜采用构网型控制，主动建立母线电压保障系统稳定运行。对于光伏变流器，由于光伏出力具有随机性，其构网控制需要考虑光伏出力不足时的电压控制问题。
[0003] 模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）具有参数整定难度小、鲁棒性强、适应多约束下多目标优化等优点，被广泛应用于新能源发电并网、变流器控制、轨迹跟踪等领域。在新能源发电并网控制领域中，变流器作为常见控制对象具有开关状态数目有限且离散的特点，将所有开关状态代入变流器预测模型，并将成本函数最小的开关状态作为最优开关状态，执行切换动作，便可跟踪相应的参考交流电压，实现构网控制。然而对于光伏变流器，其输入的直流电压随光伏面板运行点移动而变化，其输出功率也受光伏面板出力的限制，因此如何综合考虑光伏的最大出力、运行区间等物理约束，实现光伏变流器的构网控制是新能源发电并网控制领域的研究热点。
发明内容
[0004] 本发明针对上述问题，提出一种基于模型预测控制的光伏变流器新型构网控制方法及装置，该方法及装置的控制对象是连接光伏面板和交流母线的光伏变流器，当光伏出力充足时，光伏变流器可不依赖于储能或电网提供电压支撑的条件下，构建交流电压，实现构网控制。
[0005] 为了实现上述目的，本发明提供了一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法，包括如下步骤：
[0006] 步骤1：采集光伏变流器直流侧输入光伏电压、输入光伏电流、交流侧输出三相电压、输出三相电流和交流滤波器三相电流，并将三相量变换至两相静止αβ坐标系分别得到交流输出电压、交流输出电流和交流滤波器电流，建立αβ坐标系下的光伏变流器预测模型，计算预测交流输出电压和预测光伏电压；
[0007] 步骤2：计算参考相角和参考幅值，生成参考输出电压；
[0008] 步骤3：根据步骤2的参考输出电压，并基于步骤1中的光伏变流器预测模型得到的预测交流输出电压和预测光伏电压，计算模型预测控制的成本函数，遍历光伏变流器的开关状态选取最小成本函数对应的开关状态执行，完成本周期的控制动作。
[0009] 进一步地，所述αβ坐标系下的光伏变流器预测模型如下：
[0010]
[0011] 其中，
[0012]
[0013] 其中，Ts表示采样周期，k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，Vo(k)为当前采样时刻的交流输出电压，Io(k)为当前采样时刻的交流输出电流，If (k)为当前采样时刻的交流滤波器电流，Vo(k+1)，If(k+1)分别为预测交流输出电压和预测交流滤波器电流，Vpv(k)为当前采样时刻的光伏变流器直流侧输入光伏电压，Ipv(k)为当前采样时刻的光伏变流器直流侧输入光伏电流，Vpv(k+1)为预测光伏电压，Cpv为直流侧滤波器的电容值，Sa(k)、Sb(k)、Sc(k)分别为a、b、c三相对应的开关管状态，Ifα(k+1)、Ifβ(k+1)分别为If(k+1)在α轴和β轴上的分量，Vn(k)为光伏变流器交流出口电压矢量，n取1到8，与8组光伏变流器开关状态相对应，Lf为交流侧滤波器的电感值，Cf为交流侧滤波器的电容值，T为转置符号。
[0014] 进一步地，计算参考相角 的过程如下：
[0015]
[0016] 其中， 为当前相角， 为参考频率，由频率‑无功下垂控制得出， 、r和分别为频率‑无功下垂控制中的额定频率、无功下垂系数和当前无功功率。
[0017] 进一步地，所述步骤2中计算参考幅值时选择下垂控制模式下幅值或功率爬坡模式下幅值，具体选择方法为：
[0018] 根据光伏变流器当前输入的Vpv(k)、Ipv(k)，上一时刻输入的Vpv(k‑1)、Ipv(k‑1)计算光伏当前出力Ppv(k)和上一时刻出力Ppv(k‑1)；若Ppv(k)大于Ppv(k‑1)且Vo(k)大于上一时刻交流输出电压Vo(k‑1)，或Ppv(k)小于Ppv(k‑1)且Vo(k)小于Vo(k‑1)，则光伏运行于光伏电压‑出力曲线的上坡区，此时光伏变流器选择功率爬坡模式运行；若Ppv(k)大于Ppv(k‑1)且Vo(k)小于Vo(k‑1)，或Ppv(k)小于Ppv(k‑1)且Vo(k)大于Vo(k‑1)，则光伏运行于光伏电压‑出力曲线的下坡区，能够进行构网控制，如果实测交流电压幅值 小于， 为下垂控制模式下幅值， 为额定幅值，则光伏当前亟需增大出力以增大电压幅值，光伏变流器选择功率爬坡模式，反之则当前光伏出力足以满足构网控制功率需求，选择下垂控制模式运行；根据选择的运行模式，选择对应模式下的下垂控制模式下幅值 或功率爬坡模式下幅值 作为
参考幅值 。
[0019] 进一步地，下垂控制模式下幅值 的具体计算如下：
[0020]
[0021] 其中， 为额定幅值，m为下垂系数， 为当前有功功率。
[0022] 进一步地，功率爬坡模式下幅值 的具体计算如下：
[0023]
[0024] 其中， 为功率爬坡值， 和 分别为Io(k)在α轴和β轴上的分量，为参考相角。
[0025] 进一步地，生成参考输出电压 后计算其在α轴和β轴上的分量为：
[0026]
[0027] 其中， 和 分别为 在α轴和β轴上的分量， 为选定的参考电压幅值， 为参考相角。
[0028] 进一步地，模型预测控制的成本函数具体如下：
[0029]
[0030] 其中，Voα(k+1)、Voβ(k+1)分别为预测交流输出电压Vo(k+1)在α轴和β轴上的分量，为惩罚函数，用于舍弃不满足要求的开关状态。
[0031] 进一步地，所述惩罚函数 取值的具体方法为：若光伏变流器选择功率爬坡模式，并且预测光伏电压Vpv(k+1)相较于Vpv(k)的变化方向与功率爬坡下光伏电压的变化方向相反时，对应开关状态的成本函数中 取无穷大；否则 取0；若光伏变流器选择下垂控制模式， 取0。
[0032] 本发明还提供了一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制装置，该装置包括光伏变流器预测模型构建模块、参考输出电压生成模块和开关状态选择模块；
[0033] 所述光伏变流器预测模型构建模块用于采集光伏变流器直流侧输入光伏电压、输入光伏电流、交流侧输出三相电压、输出三相电流和交流滤波器三相电流，并将三相量变换至两相静止αβ坐标系分别得到交流输出电压、交流输出电流和交流滤波器电流，建立αβ坐标系下的光伏变流器预测模型，计算预测交流输出电压和预测光伏电压；
[0034] 所述参考输出电压生成模块用于计算参考相角和参考幅值，生成参考输出电压；
[0035] 所述开关状态选择模块用于根据参考输出电压生成模块得到的参考输出电压，并基于光伏变流器预测模型构建模块得到的预测交流输出电压和预测光伏电压，计算模型预测控制的成本函数，遍历光伏变流器的开关状态选取最小成本函数对应的开关状态执行，完成本周期的控制动作。
[0036] 本发明的有益效果：
[0037] （1）本发明可使光伏变流器在光伏出力富余时，不依赖于储能或电网电压，独立构建交流电压。
[0038] （2）本发明中光伏变流器可在光伏出力不足时，自适应调节输出电压幅值，同时稳定输出电压频率，并保持光伏最大功率输出。
附图说明
[0039] 图1为本发明一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法流程图。
[0040] 图2是光伏面板经光伏变流器接入交流母线模型示意图。
[0041] 图3是生成参考交流输出交流电压的控制框图。
[0042] 图4是光伏面板的电压与出力特性曲线图。
[0043] 图5是采用本发明控制下，光伏变流器输出交流电压波形示意图。
[0044] 图6是采用本发明控制下，光伏变流器输出功率波形示意图。
[0045] 图7是采用本发明控制下，光伏变流器输出交流电压的频率波形示意图。
[0046] 图8为本发明一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制装置示意图。
具体实施方式
[0047] 以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
[0048] 如图1所示，本发明提供了一种基于模型预测控制的光伏变流器新型构网控制方法，包括如下步骤：
[0049] 步骤1：如图2所示，基于光伏面板经光伏变流器接入交流母线模型，采集光伏变流器直流侧输入光伏电压Vpv(k)、输入光伏电流Ipv(k)，交流侧输出三相电压Voabc(k)、输出三相电流Ioabc(k)和交流滤波器三相电流Ifabc(k)，并将三相量变换至两相静止αβ坐标系分别得到Vo(k)、Io(k)和If (k)，建立αβ坐标系下的光伏变流器预测模型：
[0050]
[0051] 其中，
[0052]
[0053] 其中，Ts表示采样周期，k表示当前采样时刻，k+1表示下一采样时刻，Vo(k)为当前采样时刻的交流输出电压，Io(k)为当前采样时刻的交流输出电流，If (k)为当前采样时刻的交流滤波器电流，Vo(k+1)，If(k+1)分别为预测交流输出电压和预测交流滤波器电流，Vpv(k)为当前采样时刻的光伏变流器直流侧输入光伏电压，Ipv(k)为当前采样时刻的光伏变流器直流侧输入光伏电流，Vpv(k+1)为预测光伏电压，Cpv为直流侧滤波器的电容值，Sa(k)、Sb(k)、Sc(k)分别为a、b、c三相对应的开关管状态，Ifα(k+1)、Ifβ(k+1)分别为If(k+1)在α轴和β轴上的分量，Vn(k)为光伏变流器交流出口电压矢量，n取1到8，与8组光伏变流器开关状态相对应，Lf为交流侧滤波器的电感值，Cf为交流侧滤波器的电容值，T为转置符号。
[0054] 步骤2：如图3所示，计算光伏变流器采用无功‑频率下垂控制下参考相角的过程如下：
[0055]
[0056] 其中， 为当前相角， 为参考频率，由频率‑无功下垂控制得出， 、r和 分别为频率‑无功下垂控制中的额定频率、无功下垂系数和当前无功功率。
[0057] 若采用有功‑幅值下垂控制，计算采用有功‑幅值下垂控制模式的交流电压幅值：
[0058]
[0059] 其中，m为有功‑幅值下垂的下垂系数，P(k)为输出的当前有功功率， 为额定幅值。
[0060] 若光伏出力不足，无法实现下垂控制的参考电压，则光伏应尽量增大出力以接近参考电压，光伏变流器当前直流侧输入功率 ，根据功率平衡计算功率爬坡模式下的交流电压幅值 ：
[0061]
[0062] 其中， 为功率爬坡速率， 和 分别为Io(k)在α轴和β轴上的分量。
[0063] 根据光伏变流器当前输入电压电流Vpv(k)、Ipv(k)，上一时刻输入电压电流Vpv(k‑1)、Ipv(k‑1)计算光伏当前出力Ppv(k)和上一时刻出力Ppv(k‑1)。
[0064]
[0065] 若Ppv(k)大于Ppv(k‑1)且Vo(k)大于上一时刻交流输出电压Vo(k‑1)，或Ppv(k)小于Ppv(k‑1)且Vo(k)小于Vo(k‑1)，则光伏运行于附图4中左侧的上坡区，该区域是电流源区不适宜进行构网控制，需要越过最大功率点进入附图4中右侧的下坡区，此时光伏变流器选择功率爬坡模式运行；
[0066] 若Ppv(k)大于Ppv(k‑1)且Vo(k)小于Vo(k‑1)，或Ppv(k)小于Ppv(k‑1)且Vo(k)大于Vo(k‑1)，则光伏运行于附图4中右侧的下坡区，可进行构网控制，如果实测交流电压幅值小于 ，则光伏亟需增大出力以电压幅值，光伏变流器选择功率爬坡模式，反之则当前光伏出力满足构网控制功率需求，选择下垂控制模式运行。
根据运行模式，选择对应的 或 通过低通滤波器生成最终
的参考幅值 ，结合参考相角 ，生成参考输出电压 ，
其在α轴和β轴上的分量为：
[0067]
[0068] 其中， 和 分别为 在α轴和β轴上的分量， 为选定的参考电压幅值。
[0069] 步骤3：根据步骤2的参考输出电压，并基于步骤1中的光伏变流器预测模型得到的预测交流输出电压和预测光伏电压，计算模型预测控制的成本函数为：
[0070]
[0071] 其中，Voα(k+1)、Voβ(k+1)分别为步骤1中预测交流输出电压Vo(k+1) 在α轴和β轴上的分量， 为惩罚函数。遍历8组开关状态，若步骤2中光伏变流器选择功率爬坡模式，并且预测光伏电压Vpv(k+1)相较于Vpv(k)的变化方向与功率爬坡下光伏电压的变化方向相反时，对应开关状态下的 取无穷大，舍弃无法满足功率爬坡的开关状态；否则 取0。若光伏变流器选择下垂控制模式， 取0。最终选取最小成本函数对应的开关状态执行，完成本周期的控制动作。
[0072] 本发明方法的控制对象是连接光伏面板和交流母线的光伏变流器，当光伏出力充足时，光伏变流器可不依赖于储能或电网提供电压支撑的条件下，构建交流电压，实现构网控制。
[0073] 为体现本发明的控制效果，对采用本发明控制的光伏变流器与交流负荷相连进行仿真测试，光伏变流器采样频率为20k，输出交流电压额定幅值为311V，额定频率为50Hz，有功‑幅值下垂系数为0.5V/kW，无功‑频率下垂系数为0.1Hz/kVar，当前光照下光伏最大出力为32.8kW。在0.05秒开始采用本发明提出的控制方法，并在0.4秒、0.6秒和0.8秒分别并入10Ω/1mH、6Ω/0.6mH、8Ω/0.8mH的阻抗模拟负荷增大，其中0.6秒后光伏变流器的最大出力已无法满足负荷需求。附图5为a相交流输出电压波形，可以看出，0.6秒前光伏出力充足时，光伏变流器可实现构网控制，按照下垂控制参考值输出电压，0.6秒后光伏出力无法满足负荷需求，其输出电压幅值减小。附图6为光伏变流器输出功率波形，可以看出，0.6秒前光伏出力充足时，光伏变流器出力跟随负荷功率变化， 0.6秒后光伏出力无法满足负荷需求，光伏变流器持续最大功率输出。附图7为光伏变流器输出功率波形，可以看出，无论光伏出力时候充足，输出电压频率均维持在额定频率附近。
[0074] 综合图5‑图7，可以看出，采用本发明控制的光伏变流器在光伏出力充足时，可独立构建交流电压，实现构网控制，当负荷持续增大光伏出力不足时，光伏变流器自适应调节输出电压幅值，同时稳定输出电压频率，并保持光伏最大功率输出。
[0075] 与前述一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制方法的实施例相对应，本发明还提供了一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制装置的实施例。
[0076] 如图8所示，本发明还提供了一种基于模型预测控制的光伏变流器构网控制装置，该装置包括光伏变流器预测模型构建模块、参考输出电压生成模块和开关状态选择模块；
[0077] 所述光伏变流器预测模型构建模块用于采集光伏变流器直流侧输入光伏电压、输入光伏电流、交流侧输出三相电压、输出三相电流和交流滤波器三相电流，并将三相量变换至两相静止αβ坐标系分别得到交流输出电压、交流输出电流和交流滤波器电流，建立αβ坐标系下的光伏变流器预测模型，计算预测交流输出电压和预测光伏电压；
[0078] 所述参考输出电压生成模块用于计算参考相角和参考幅值，生成参考输出电压；
[0079] 所述开关状态选择模块用于根据参考输出电压生成模块得到的参考输出电压，并基于光伏变流器预测模型构建模块得到的预测交流输出电压和预测光伏电压，计算模型预测控制的成本函数，遍历光伏变流器的开关状态选取最小成本函数对应的开关状态执行，完成本周期的控制动作。
[0080] 上述装置中各个模块的功能和作用的实现过程具体详见上述方法中对应步骤的实现过程，在此不再赘述。
[0081] 对于装置实施例而言，由于其基本对应于方法实施例，所以相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本发明方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0082] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
