引入Lyapunov稳定性约束条件的并网逆变器模型预测电流控制

摘要

在新能源发电中，并网逆变器作为新能源和电网之间的桥梁枢纽，其性能的好坏直接决定了新能源的利用效率和并网电能质量。模型预测控制以其良好的动态性能和易于通过增加约束实现多目标优化的特点而得到广泛关注，在并网逆变器中采用模型预测控制可有效提高逆变器的动态性能。 在介绍逆变器拓扑分类、控制策略、滤波装置以及稳定性分析方法的基础上，以两电平逆变器为研究对象，建立并网逆变器的数学模型，给出直流侧电容和交流侧滤波电感的参数选取方法，分析逆变器电流内环的PI控制和模型预测控制策略及其参数设计方法，并通过仿真对两种控制策略的稳态性能和暂态性能进行对比分析。 通过分析模型预测控制存在的不足，提出一种改进的模型预测电流控制策略。通过增加预测次数的方式对模型预测控制进行延时补偿，且延时补偿中的未来参考僮采用矢量角补偿法进行预估，以获得较好的阶跃响应性能，并结合仿真进一步验证改进策略的性能优越性。 针对并网逆变器的大信号稳定性问题，基于Lyapunov直接法和反步法的思想，推导出三相并网逆变器Lyapunov稳定性约束条件，并将其引入到改进后的模型预测电流控制策略中，以实现并网变流器的在线稳定性增强控制，同时也避免多目标模型预测控制权重系数选取困难的问题。 最后，基于RT-B0X实时仿真器搭建三相两电平并网逆变器的快速控制原型(Rapid Control Prototype)实验平台，实验结果表明，引入Lyapunov稳定性约束条件的改进模型预测电流控制策略可以有效地增强并网逆变器的稳定性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 并网逆变器研究现状

1.2.1 电路拓扑

1.2.2 控制策略

1.3 稳定性分析方法的研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 并网逆变器的建模与主电路参数设计

2.1 并网逆变器的主电路及输出滤波器

2.2 并网逆变器数学模型

2.2.1 三相静止坐标系

2.2.2 两相静止坐标系

2.2.3 两相旋转坐标系

2.3 并网逆变器主电路参数设计

2.3.1 滤波电感

2.3.2 直流侧电容

2.4 本章小结

3 并网逆变器电流控制策略研究

3.1 并网逆变器的PI电流控制

3.1.1 电流闭环控制

3.1.2 参数设计

3.2 模型预测控制

3.2.1 基本原理

3.2.2 设计方法

3.2.3 并网逆变器的模型预测电流控制

3.3 模型预测控制的改进

3.3.1 算法优化

3.3.2 未来参考值预测

3.3.3 延时补偿

3.4 仿真验证

3.5 本章小结

4 基于Lyapunov稳定性约束的并网逆变器的稳定性控制

4.1 并网逆变器的不稳定性现象

（1）直流电容值减小引起的不稳定现象

（2）直流侧引入LC 滤波器引起的不稳定现象

4.2 并网逆变器的Lyapunov稳定性约束条件

4.3 引入Lyapunov稳定性约束的模型预测控制

4.4 本章小结

5 实验系统设计与结果分析

5.1 RT-BOX介绍

5.2 逆变器控制电路设计

5.2.1开关管驱动电路设计

5.2.2采样电路及A/D转换电路设计

5.2.3保护电路设计

5.2.4死区设计

5.3 实验结果及分析

5.3.1离网逆变器正常运行工况

5.3.2并网逆变器正常运行工况

5.3.3并网逆变器的Lyapunov稳定性约束控制

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间主要研究成果