一种基于有限控制集模型预测的光伏系统直流母线电压控制方法

摘要

本发明提供了一种基于有限控制集模型预测的光伏系统直流母线电压控制方法，首先，确定光伏恒压模式的最优工作区，建立基于光伏系统离散模型，对光伏输出电流、电容电流、Boost变换器高压侧输出电流及其参考值、负荷电流及负荷电流参考值进行预测，然后，依据光伏i‑u特性曲线线性化处理，建立其戴维南等效电路，从而预测光伏输出电压值，最后，基于功率误差与电流误差之和的成本函数，对光伏Boost变换器进行有限控制集的模型预测控制，以实现直流母线电压恒定。本发明不仅保证直流微网功率平衡，而且能够抑制各种系统扰动，提高系统动态性能、增强系统鲁棒性，从而保证直流负荷的正常供电，易于实现和易于执行，具有实用性强的工程价值。

说明书

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，涉及一种基于有限控制集模型预测的光伏系统直流母线电压控制方法。

背景技术

随着社会经济发展，对能源的需求量日益增加，大量化石能源消耗造成能源枯竭，带来严重环境污染。作为一种清洁的可再生能源，光伏发电能够减少能源电力系统的碳排放，对实现碳达峰、碳中和具有重大的战略意义。

在直流微电网系统中，直流母线电压是评估直流微电网稳定性的唯一标准，而光伏发电的间歇性、不确定以及负荷的多变性，导致系统功率不平衡，引起直流母线电压波动，降低了系统供电的可靠性，因此直流母线电压控制是保证直流微网系统稳定运行需要解决的关键问题。光伏直流微电网中直流母线电压的控制主要通过两种途径，包括储能单元控制和光伏系统恒压控制。

当储能单元处于正常工作时，光伏系统采用最大功率追踪(MPPT)控制，借助于储能单元双向DC-DC控制，实现直流母线电压的恒定控制；当储能单元过充或者出现故障等原因无法稳定直流母线电压时，通过对光伏Boost变换器控制，实现直流母线电压的恒定控制。针对后一种情况，本发明提出了一种新的光伏系统恒压控制方法。

目前光伏系统恒压控制方法主要有：基于PI的电压单闭环控制、基于PI的电压电流双闭环控制、PI与下垂控制结合的双闭环控制、基于PI的改进双电压闭环控制等，不难看出已有控制策略基本上都是基于PI，但是这些方法分别存在以下问题：

(1)基于PI的电压单环控制方式有可能使系统不能正常工作。原因分析如下：当系统功率平衡时，负荷功率曲线与光伏P-u特性曲线相交形成两个工作点。如果光照强度变弱，系统工作点发生变化，有可能迁移到光伏i-u特性曲线的电流源区，此时光伏输出功率小于负荷功率，直流母线电压就会减小，从而Boost变换器占空比增加，导致光伏输出电压减小，继而导致光伏输出功率进一步减小，加剧系统功率不平衡程度，直至光伏输出电压为零、直流微网系统停止运行。

(2)当短时间出现系统功率缺额时，尽管基于PI的恒压控制策略能够使直流母线电压恢复到其受短时负荷干扰之前的电压值，但恢复时间较长；当长时间出现系统功率缺额时，会加剧系统功率不平衡程度，直至光伏输出电压为零、直流微网系统停止运行。

(3)在有些光伏系统恒压控制研究中，将电流源区的工作点作为系统功率平衡点，这导致系统工作点稳定性变差、光伏内耗增加。

(4)基于PI的双闭环控制器需要整定四个参数，调参过程费时，且系统抗干扰能力弱、鲁棒性差。

为了避免PI控制的缺陷和问题，保证光伏系统稳定可靠工作，且具有较好的动态性能和较强的鲁棒性，本发明提出了一种基于有限控制集模型预测的光伏系统直流母线电压控制方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术存在的问题，提供一种基于有限控制集模型预测的光伏系统直流母线电压控制方法，解决了光储直流微网系统中储能单元因过充或者故障等原因无法稳定直流母线电压的问题。

为此，本发明采取以下技术方案：

一种基于有限控制集模型预测的光伏系统直流母线电压控制方法，包括如下步骤：

a.基于光伏特性曲线，选取电压源区为光伏恒压模式下的最优工作区，并根据基尔霍夫电压定律和欧拉向前差分法，建立光伏系统离散数学模型；

b.基于步骤a中的光伏系统离散数学模型，对电容电流、Boost变换器高压侧输出电流及其参考值、负荷电流及负荷电流参考值进行预测；

c.建立光伏i-u特性线性化的戴维南等效电路，并与步骤b结合预测光伏电压；

d.基于直流微网功率波动和负荷电流波动，并且为了补偿数字控制器固有的一步时延，采用两步预测的成本函数；

e.通过比较步骤d成本函数中每个工作周期的不同开关状态的值，选择最小成本函数对应的S1开关状态作为Boost变换器的最优控制信号，以达到稳定直流母线电压的目的，并建立基于有限控制集的光伏模型预测恒压控制数学模型。

进一步地，所述步骤a中光伏系统离散数学模型为：

式中，T

进一步地，所述步骤b中电容电流预测值为：

式中，C

所述Boost变换器高压侧输出电流预测值为：

式中，I

所述负荷电流预测值为：

I

式中，I

所述负荷电流预测值的参考值为：

式中，I

所述Boost变换器高压侧输出电流预测值的参考值为：

I

式中，I

进一步地，所述步骤c中预测光伏电压数值为：

式中，U

进一步地，所述步骤d中成本函数为：

其中，λ

进一步地，所述步骤e中基于有限控制集的光伏模型预测恒压控制数学模型为：

式中，S1

本发明的有益效果在于：

1.本发明由于采用的成本函数同时考虑了功率误差和负荷电流误差，故此，不仅光伏输出功率能够尽快匹配负荷功率，而且负荷电流能够尽快跟踪其参考电流值，本发明具有响应速度快、稳态性能好、鲁棒性强的特点；

2.本发明在光伏系统长时间功率缺额时，依然能够稳定运行，当切除部分负荷，使光伏输出功率匹配负荷功率时，系统直流母线电压能够快速恢复到其理想参考值；

3.本发明当光伏系统短时间功率缺额时，系统直流母线电压波动显著减小，且能快速恢复到理想参考值；

4.本发明方法省去了PWM调制过程，需整定的参数少，控制算法简单、易于执行、成本低，为光伏系统直流微网母线电压的恒定控制提供了一种有效的新方法，具有实用性强的工程价值。

附图说明

图1为本发明中直流微电网功率流示意图；

图2是本发明中光伏系统P-u特性曲线示意图；

图3是本发明中光伏系统i-u特性曲线示意图；

图4是本发明中忽略了光伏内阻的简化光伏系统拓扑结构图；

图5是本发明光伏系统中Boost变换器S1导通状态下的拓扑结构图；

图6是本发明光伏系统中Boost变换器S1断开状态下的拓扑结构图；

图7是本发明中光伏i-u特性曲线的电压源区工作点附近变化情况示意图；

图8是本发明中基于有限控制集的光伏模型预测直流母线电压控制系统框图；

图9是传统PI恒压控制法与本发明下光伏输出电压对比示意图；

图10是传统PI恒压控制法与本发明下直流母线电压对比示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施方法对本发明的技术方案进行相关说明。

如图1所示，图中C

P

直流母线电压U

由上式可知，当系统功率平衡时，则直流母线电压恒定；当系统功率过剩或不足时，则直流母线电压将上升或下降。因此，为了实现直流微网系统的功率平衡，直流母线电压必须保持在恒定的参考值。

图2和图3分别为光伏系统P-u特性曲线示意图和i-u特性曲线示意图。由图2和图3可知，光伏系统工作在恒压模式时，对同一负荷功率，系统存在分别位于电压源区和电流源区的两个功率平衡点(以下简称工作点)，以下分析这两个工作点情况，以便选择工作点的最优工作区。

光伏恒压模式下，光伏功率匹配负荷功率P

一方面，已有文献从频域和时域两个角度给出了稳定性分析。从频域角度分析，光伏系统原始增益函数的对数频率特性分析表明：对负荷功率P

另一方面，由光伏i-u特性可知，对负荷功率P

综上所述，光伏i-u特性电流源区和电压源区的工作点稳定性及光伏内耗两个方面对比分析表明，对同一负荷功率，电压源区工作点的性能优于电流源区工作点的性能，因此本发明选取电压源区为光伏恒压模式下的最优工作区。

通过上述分析，本发明提出一种基于有限控制集模型预测的光伏模型预测恒压控制方法，以保证直流母线电压的恒定，具体包括如下步骤：

图4为忽略了光伏内阻的简化光伏系统拓扑结构图，图5和图6是光伏系统中Boost变换器S1导通及断开状态下的拓扑结构图。

a.根据基尔霍夫电压定律、欧拉向前差分法和图4-6，建立光伏系统离散数学模型：

式中，T

b.基于步骤a中的光伏系统离散数学模型，对电容电流、Boost变换器高压侧输出电流及其参考值、负荷电流及负荷电流参考值进行预测，由图5、图6和式(1)可得(k+1)T

由图4可知电容电流为I

式中，U

因为直流母线电压U

根据直流母线电压U

由基尔霍夫电流定律可得(k+1)T

I

由式(2)和式(4)可得(k+1)T

I

c.建立光伏i-u特性线性化的戴维南等效电路，并与步骤b结合预测光伏电压，首先，对光伏i-u特性进行线性化处理，可得其等效戴维南模型为：

式中，R

由式(8)中第二式可得kT

U

由图7光伏i-u特性曲线的电压源区B点附近变化情况可见，在采样周期足够小时，在相邻采样时刻的等效电阻可认为不变，以图7的B点为例，(k-1)T

式中，U

d.考虑直流微网功率波动和负荷电流波动，成本函数定义为

P

式中,λ

为了补偿数字控制器固有的一步时延，本发明采用两步预测的成本函数：

式中，λ

e.通过比较步骤d成本函数中每个工作周期的J

式中，S1

为了验证本发明所提方法的有效性和可行性，搭建了基于MATLAB/Simulink的光伏系统仿真模型进行验证。涉及到的参数有:光伏最大功率点电压U

本实施例的试验工况为：t＝0.1～0.3s，光照强度为1000W/m

在光照强度、负荷功率和环境温度同时发生突变情况下，图9-10为基于PI和本发明的光伏系统恒压控制对比结果，可以看出，前者控制的系统，无论是光伏输出电压还是直流母线电压，其超调量都大、响应时间都长，后者控制的系统几乎无超调且响应速度快，另外，后者控制的系统对外界干扰如光照强度变化、环境温度变化和负荷功率变化具有较强的鲁棒性。总体而言，本发明优于目前基于PI光伏恒压传统控制方法。