并网变流器电感参数在线估计方法、预测控制方法及系统

本发明属于新能源及储能并网系统、电力电子领域，尤其涉及一种并网变流器电感参数在线估计方法、预测控制方法及系统。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

大力发展可再生能源(诸如风能、太阳能、波浪能等)是解决能源和环境问题的根本手段。储能系统(如制氢、超级电容储能、飞轮储能等)可有效实现电力系统需求侧管理，减少可再生能源间歇性导致的电力系统稳定性问题。并网变流器是可再生能源和储能系统的核心部件之一，其工作特性直接影响系统整体性能。可再生能源和储能系统在物理结构上具有多时间尺度、非线性与多目标强耦合等特点，这对并网变流器的控制策略提出了更加严苛的要求。并网变流器的两类传统控制策略，即线性矢量定向式控制和非线性直接控制，均存在以下原理性缺陷：(1)属于“误后校正”型控制；(2)属于控制目标有限的优化方法，难以兼顾新能源和储能系统多个控制目标；(3)无法灵活包含多种非线性约束(如，开关频率、散热需求等)。模型预测控制作为新兴的第三代控制策略，具有动态性能好、设计简单、结构灵活、可同时包含系统多个控制目标及非线性约束等优点。因此，模型预测控制已成为新能源和储能并网变流器系统更有前景的控制方法。

传统模型预测控制利用现有系统模型预测系统状态衍变轨迹，并选择最优的开关动作。作为基于模型的控制方法，其控制性能高度依赖精确的系统模型和参数。滤波器电感等系统参数易随系统运行状态等因素发生改变。控制器参数与系统参数的不匹配将导致状态变量存在预测误差。因此，控制器无法选择最优的开关状态，降低了系统控制性能(如被控变量出现稳态偏置和较大纹波)。为此，改善模型预测控制的参数鲁棒性对提高并网系统控制性能至关重要。

针对此问题，学术和工业界提出了一些改进参数鲁棒性的预测控制方法，分为①无模型预测控制、②状态变量平均法和③参数在线估计三类。无模型预测控制不需要系统的模型和参数，根据电流实际值和预测值的衍变轨迹实现状态变量的预测。状态变量平均法将状态变量测量值和预测值取平均，作为新的状态变量参与预测。该方法具有对预测误差和采样噪声的“滑动滤波”效果，因此提高了鲁棒性。现有参数估计方法往往通过比较电流测量值和预测值的误差，经过一系列计算和处理后得到准确的电感参数。然后将准确的电感参数用于状态变量的预测，可有效提高预测控制的参数鲁棒性。

发明人发现，现有的三类鲁棒的预测控制方法分别存在以下问题。

①无模型预测控制需要精确的电流测量，才可构建准确的状态变量衍变轨迹。微小的测量噪声/偏置会大幅影响预测的准确性，进而影响系统控制性能。

②状态变量平均法仅通过修改状态变量提高鲁棒性，仍然使用错误的系统参数进行预测。该方法鲁棒性提升有限，当参数变化较大时控制性能仍不能满足要求。

③现有参数在线估计方法根据预测误差计算电感参数。然而，由电感参数不准确所导致的预测误差相当小。电流传感器噪声和漂移所导致的测量误差将在预测误差中占相当大的比重。这将导致估计的电感参数存在较大的偏差，影响预测控制的性能。

技术实现要素：

为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种并网变流器电感参数在线估计方法、预测控制方法及系统，其首先利用虚拟磁链方法估计变流器向电网输送的无功功率，并与由实际测量计算所得的无功功率进行比较。然后，利用无功功率的估计误差计算实际电感值，并用于状态变量预测，能够更准确、快速地估计电感值，受电流测量误差影响较小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的第一个方面提供一种并网变流器电感参数在线估计方法。

一种并网变流器电感参数在线估计方法，其包括：

获取并网变流器运行参数及实际无功功率，利用虚拟磁链方法计算并网变流器电网侧无功功率估计值；

根据电网侧无功功率估计值及实际无功功率，得到无功功率的估计误差；

根据无功功率的估计误差与电感参数偏差的正比关系，得到计算电感参数偏差；

将已知的电感铭牌值参数与电感参数偏差累加，得到估计的电感参数。

本发明的第二个方面提供一种并网变流器预测控制方法。

一种并网变流器预测控制方法，其包括：

获取历史时刻电网侧电流和电压；

基于延时补偿模型来延时补偿当前时刻的电网侧电流；

根据延时补偿后的电网侧电流值，遍历并网变流器的预设八个电压矢量，基于预测模型来预测下一时刻所有可能出现的电网侧电流值；

根据控制目标电流所建立的系统代价函数及预测的下一时刻所有可能电网侧电流值，筛选出系统代价函数最小所对应的最优电压矢量，将最优电压矢量所对应的最优开关状态输出给并网变流器，以控制并网变流器开关管的通断；

其中，延时补偿模型和预测模型均由如上述所述的并网变流器电感参数在线估计方法所估计的并网变流器电感参数构建而成。

本发明的第三个方面提供一种并网变流器电感参数在线估计系统。

一种并网变流器电感参数在线估计系统，其包括：

无功功率计算模块，其用于获取并网变流器运行参数及实际无功功率，利用虚拟磁链方法计算并网变流器电网侧无功功率估计值；

无功功率误差估计模块，其用于根据电网侧无功功率估计值及实际无功功率，得到无功功率的估计误差；

电感参数偏差计算模块，其用于根据无功功率的估计误差与电感参数偏差的正比关系，得到计算电感参数偏差；

电感估计参数模块，其用于将已知的电感铭牌值参数与电感参数偏差累加，得到估计的电感参数。

本发明的第四个方面提供一种并网变流器预测控制系统。

一种并网变流器预测控制系统，其包括：

电流电压获取模块，其用于获取历史时刻电网侧电流和电压；

延时补偿模块，其用于基于延时补偿模型来延时补偿当前时刻的电网侧电流；

电流值预测模块，其用于根据延时补偿后的电网侧电流值，遍历并网变流器的预设八个电压矢量，基于预测模型来预测下一时刻所有可能出现的电网侧电流值；

电压矢量筛选模块，其用于根据控制目标电流所建立的系统代价函数及预测的下一时刻所有可能电网侧电流值，筛选出系统代价函数最小所对应的最优电压矢量，将最优电压矢量所对应的最优开关状态输出给并网变流器，以控制并网变流器开关管的通断；

其中，延时补偿模型和预测模型均由如上述所述的并网变流器电感参数在线估计方法所估计的并网变流器电感参数构建而成。

本发明的第五个方面提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的并网变流器电感参数在线估计方法中的步骤。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述所述的并网变流器预测控制方法中的步骤。

本发明的第六个方面提供一种计算机设备。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的并网变流器电感参数在线估计方法中的步骤。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述所述的并网变流器预测控制方法中的步骤。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明首先利用虚拟磁链方法估计变流器向电网输送的无功功率，并与由实际测量计算所得的无功功率进行比较。然后，利用无功功率的估计误差计算实际电感值，并用于状态变量预测，该方法可快速、准确地估计电感参数，减少了预测控制对系统参数的依赖，提高了鲁棒性；而且本发明的电感参数在线估计的通用方案，适用于各类型并网变流器拓扑(两电平、三电平、模块化多电平变流器等)，还可推广至四象限电机驱动等场景。

(2)本发明采用模型预测控制方法，其中，延时补偿模型和预测模型均由并网变流器电感参数在线估计方法所估计的并网变流器电感参数构建而成，根据控制目标电流所建立的系统代价函数及预测的下一时刻所有可能电网侧电流值，筛选出系统代价函数最小所对应的最优电压矢量，将最优电压矢量所对应的最优开关状态输出给并网变流器，来控制并网变流器开关管的通断，一方面可灵活处理新能源系统多控制目标和各种非线性约束条件；另一方面可充分发挥变流器的物理极限，动态响应快。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中新能源及储能并网变流器系统电路拓扑图；

图2是本发明实施例所提基于虚拟磁链的电感参数在线估计方法框图；

图3是本发明实施例所提基于电感在线估计的鲁棒预测控制框图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

图1是本实施例的新能源四象限并网系统功率变流器的电路拓扑图。电路前级为新能源发电系统，如光伏发电系统的太阳能电池板，风电、波浪能发电系统的发电机和前级整流器，等等。前级新能源发电系统的输出电能为直流形式，经过并网变流器系统转化为交流电并入电网。此外，该变流器还可实现能量的双向流动，即四象限运行。该并网变流器具体拓扑不限，包括三相/单相两电平变流器、三电平变流器、模块化多电平变流器等等。

下面以两电平并网变流器为例：

三相两电平拓扑包括三相电感器la＝lb＝lc＝l,寄生电阻ra＝rb＝rc＝r；三相全桥功率开关sa，s′a，sb，s′b，sc，s′c；直流母线电容cdc。将电流从变流器流入电网的方向定义为正方向，记为ia，ib，ic，电网电压为ea，eb，ec,直流侧电压为vdc。变流器相对参考地点的输出电压为va，vb，vc，以两电平变流器为例，可由直流母线电压与变流器开关状态计算得：

此处为三相开关状态矢量。例如，sa＝1表示开关sa导通，开关s′a关断；sa＝0表示开关sa关断，开关s′a导通。

据图1可建立变流器交流侧基尔霍夫电压方程：

为便于后续分析，将所有变量通过clarke变换到αβ坐标系：

此处

在并网变流器系统中，虚拟磁链通常被用于实现无电网电压传感器的有功功率和无功功率估计。下面简单介绍虚拟磁链的实现步骤。

将式(3)等号左右同时积分，可得：

此处我们把并网变流器的电网侧等效为交流电机。为电网电压的积分，即电机的磁链。电网电压看作由磁链感应出的反向电动势。l和r分别看作交流电机的绕组电感和内阻。在实时控制器中，式(4)中的和两项可分别由下式计算：

此处ts为控制器的采样周期。根据式(4)-(6)，可以实时计算出电网电压的虚拟磁链

根据虚拟磁链计算值，电网电压估计值可写为：

此处ω为电网电压角频率。根据瞬时功率理论(8)，变流器电网侧的有功和无功功率估计值如式(9)所示。

由式(4)可知，并网变流器的滤波电感参数l的不准确将影响虚拟磁链的估计结果，使功率估计存在误差。由于滤波电感内阻r相对很小，所以由r参数偏差导致的估计误差可以忽略。下面定量分析电感参数偏差与功率估计误差的关系，并利用此关系求解电感参数偏差和准确的电感参数。

电感参数偏差与功率估计误差的关系：

定义并网变流器滤波器实际电感值为l，铭牌值参数(即控制器预测模型所使用的参数)为l0。铭牌值参数与实际电感参数存在偏差δl，即l＝l0+δl。根据式(4)，当电感参数存在偏差时，估计的虚拟磁链可表示为：

将含有估计误差的虚拟磁链代入式(8)，可得含有误差的有功和无功功率估计值：

此处im为电网侧电流幅值。由式(11)和(12)可知，电感参数的偏差不会影响有功功率的估计，而会导致无功功率存在一个较大的估计误差稳态下ω和im恒定不变且已知。因此，无功功率的估计误差与电感参数的偏差δl成正比。

分析得到了电感参数偏差与无功功率估计误差的关系。根据此关系，可以在线估计电感参数。电感参数估计方法如图2所示，并网变流器电感参数的在线估计过程为：

获取并网变流器运行参数及实际无功功率，利用虚拟磁链方法计算并网变流器电网侧无功功率估计值；

根据电网侧无功功率估计值及实际的无功功率，得到无功功率的估计误差；

根据无功功率的估计误差与电感参数偏差的正比关系，得到计算电感参数偏差；

将已知的电感铭牌值参数与电感参数偏差累加，得到估计的电感参数。

其中，无功功率的估计误差与电感参数偏差的比值为常数，该常数为电网侧电流幅值的平方与电网电压角频率的乘积值。

如图2所示，根据由式(1)计算变流器输出端电压将传感器采样的电网侧电流和电压及端电压经clarke变换到αβ坐标系，得和根据式(4)-(6)、(9)，及电感铭牌值参数l0，计算电网侧无功功率估计值根据瞬时功率理论(8)，计算实际的无功功率q。计算无功功率的估计误差，根据式(12)计算电感参数的偏差δl，即根据式计算估计的电感参数如图2所示，为消除电感估计的稳态误差，可替换为比例积分pi控制器。

所提电感估计方法的分析：由电感参数变化导致的无功功率估计误差为该误差对电感偏差δl非常敏感，这意味着非常小的δl就可以导致相当大的估计误差。因此，利用此估计误差更加快速和准确地计算电感偏差值，且受电流采样误差影响较小。

实施例二

下面将电感估计与预测控制结合，介绍具有并网变流器预测控制方法，其具体包括如下步骤：

获取历史时刻电网侧电流和电压；

基于延时补偿模型来延时补偿当前时刻的电网侧电流；

根据延时补偿后的电网侧电流值，遍历并网变流器的预设八个电压矢量，基于预测模型来预测下一时刻所有可能出现的电网侧电流值；

根据控制目标电流所建立的系统代价函数及预测的下一时刻所有可能电网侧电流值，筛选出系统代价函数最小所对应的最优电压矢量，将最优电压矢量所对应的最优开关状态输出给并网变流器，以控制并网变流器开关管的通断；

其中，延时补偿模型和预测模型均由如实施例一所述的并网变流器电感参数在线估计方法在线估计的并网变流器电感参数构建而成。

控制框图如图3所示：

将传感器采样的电网侧电流和电压变换到αβ坐标系，得和

由于数字控制器存在一个控制周期的延时，预测控制需对这一延时进行补偿，延时补偿公式如下：

其中，为延时补偿后的k+1时刻的电网侧电流值，为在线估计的电感参数，为k时刻的电网侧电压，r为寄生电阻，ts为控制周期，为k时刻的电网侧电流。

根据延时补偿后的电流值遍历变流器的8个电压矢量，预测k+2时刻电流值的所有可能情况。预测方程如下：

其中，为k+2时刻的电网侧电流值，为延时补偿后的k+1时刻的电网侧电流值；j∈{1，2...8}为预先写好的变流器可输出的电压矢量，为k+1时刻的电网侧电压，为在线估计的电感参数，r为寄生电阻，ts为控制周期。

上式中可由前推得到。式(13)和(14)中电感参数均由上述电感在线估计所得。当电感铭牌值参数不准确或电感参数发生变化时，所提电感估计方法可以迅速估计出实际的电感值，并用于预测控制的延时补偿和模型预测两个步骤。因此，预测控制性能将不受电感参数不准确的影响，提高了系统鲁棒性。

根据控制目标(即电流)建立系统代价函数j：

式中和即步骤三中所得和为并网变流器输出电流的参考值，此参考可由并网变流器的前级控制器(如功率控制器、直流电压控制器等)产生。将步骤三中变流8个电压矢量后计算所得的8个电流预测值(和)代入式(15)，并找到能够使j最小的一个电压矢量，即最优电压矢量。

将最优电压矢量所对应的最优开关状态sa，sb，sc输出给变流器，以控制变流器开关管的通断。

实施例三

本实施例提供了一种并网变流器电感参数在线估计系统，其包括：

无功功率计算模块，其用于获取并网变流器运行参数及实际无功功率，利用虚拟磁链方法计算并网变流器电网侧无功功率估计值；

无功功率误差估计模块，其用于根据电网侧无功功率估计值及实际无功功率，得到无功功率的估计误差；

电感参数偏差计算模块，其用于根据无功功率的估计误差与电感参数偏差的正比关系，得到计算电感参数偏差；

电感估计参数模块，其用于将已知的电感铭牌值参数与电感参数偏差累加，得到估计的电感参数。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例一中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例四

本实施例提供了一种并网变流器预测控制系统，其具体包括如下模块：

电流电压获取模块，其用于获取历史时刻电网侧电流和电压；

延时补偿模块，其用于基于延时补偿模型来延时补偿当前时刻的电网侧电流；

电流值预测模块，其用于根据延时补偿后的电网侧电流值，遍历并网变流器的预设八个电压矢量，基于预测模型来预测下一时刻所有可能出现的电网侧电流值；

电压矢量筛选模块，其用于根据控制目标电流所建立的系统代价函数及预测的下一时刻所有可能电网侧电流值，筛选出系统代价函数最小所对应的最优电压矢量，将最优电压矢量所对应的最优开关状态输出给并网变流器，以控制并网变流器开关管的通断；

其中，延时补偿模型和预测模型均由如上述实施例一所述的并网变流器电感参数在线估计方法所估计的并网变流器电感参数构建而成。

此处需要说明的是，本实施例中的各个模块与实施例二中的各个步骤一一对应，其具体实施过程相同，此处不再累述。

实施例五

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的并网变流器电感参数在线估计方法中的步骤。

实施例六

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述实施例二所述的并网变流器预测控制方法中的步骤。

实施例七

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例一所述的并网变流器电感参数在线估计方法中的步骤。

实施例八

本实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述实施例二所述的并网变流器预测控制方法中的步骤。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-onlymemory，rom)或随机存储记忆体(randomaccessmemory，ram)等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。