蔣 蔚， 劉 碧， 曹夢(mèng)華， 謝望玉， 宋文勝

(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2. 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛所， 北京 100081)

單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器有限集模型預(yù)測(cè)電流控制

蔣 蔚1， 劉 碧1， 曹夢(mèng)華1， 謝望玉2， 宋文勝1

(1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院， 四川 成都 610031；2. 中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛所， 北京 100081)

本文以基于電力電子變壓器的高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)中的單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器為控制對(duì)象，以提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、減小網(wǎng)側(cè)電流諧波含量為控制目標(biāo)，提出了一種基于兩矢量的有限集模型預(yù)測(cè)電流控制算法。首先，推導(dǎo)單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器的α-β靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型；然后，基于空間矢量調(diào)制思想，對(duì)單相級(jí)聯(lián)多電平整流器進(jìn)行基本電壓矢量定義與空間扇區(qū)劃分；在此基礎(chǔ)上，建立包含最小電流誤差的目標(biāo)函數(shù)，通過對(duì)其求導(dǎo)實(shí)時(shí)計(jì)算出兩個(gè)矢量的最優(yōu)占空比，同時(shí)為了保證各模塊直流側(cè)電容電壓的平衡關(guān)系，設(shè)計(jì)了選取冗余矢量的原則。與基于PI的瞬態(tài)電流控制算法相比，所提出的模型預(yù)測(cè)控制算法無需內(nèi)環(huán)PI控制器，顯著提高了電流內(nèi)環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；最后，對(duì)所提算法與傳統(tǒng)的瞬態(tài)電流控制算法進(jìn)行硬件在環(huán)半實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，結(jié)果表明了所提算法的可行性與有效性。

級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器； 單相； 模型預(yù)測(cè)控制； 電容電壓平衡； 直接電流控制

1 引言

在高速鐵路技術(shù)發(fā)展過程中，傳統(tǒng)的工頻牽引變壓器存在著體積龐大、笨重、效率低下等缺點(diǎn)，嚴(yán)重阻礙了高速列車動(dòng)力與速度的提升，因此，實(shí)現(xiàn)高速列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的輕量化是亟待解決的難題之一[1,2]。基于電力電子變壓器的牽引傳動(dòng)技術(shù)是目前較為典型的解決方案。在該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，作為前級(jí)輸入的單相級(jí)聯(lián)H橋整流器，具有模塊化、易于維護(hù)、電壓均衡易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，其控制性能的優(yōu)越性將對(duì)后級(jí)的全橋隔離DC-DC變換器乃至整個(gè)負(fù)載系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的影響，因此對(duì)其研究具有重要的意義[3,4]。

在單相脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation，PWM)整流器眾多控制方法中，按照內(nèi)環(huán)被控對(duì)象的不同可分為直接電流控制與直接功率控制。目前直接電流控制已在單相PWM整流器中得到廣泛應(yīng)用，它包括滯環(huán)電流控制[5]、瞬態(tài)電流控制[6]、dq電流解耦控制[7-9]、預(yù)測(cè)電流控制[10-12]等。其中，滯環(huán)電流控制結(jié)構(gòu)比較簡單，電流跟蹤和控制特性非常好，但其電流諧波含量大，且開關(guān)頻率具有隨機(jī)性，容易造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。瞬態(tài)電流控制具有良好的動(dòng)態(tài)特性，并且由于電流內(nèi)環(huán)的存在，過流保護(hù)非常容易實(shí)現(xiàn)。dq電流解耦控制方法通過獨(dú)立控制交流側(cè)電流有功和無功分量，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)有功和無功功率的解耦控制，其零穩(wěn)態(tài)誤差均能達(dá)到較高要求，但由于存在多個(gè)PI控制器，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢。

隨著人們對(duì)PWM整流器的研究深入，越來越多的預(yù)測(cè)控制方案被提出。模型預(yù)測(cè)控制(Model Predictive Control, MPC)作為一種新穎的控制方式，具有控制方式靈活、動(dòng)態(tài)性能良好、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來已逐漸推廣應(yīng)用于電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域。傳統(tǒng)MPC中，利用電力電子器件開關(guān)的離散特性，分別計(jì)算出不同的電壓矢量對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的影響，在線優(yōu)化尋求最小的目標(biāo)函數(shù)，并進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，從而預(yù)測(cè)出下一個(gè)控制周期的最優(yōu)開關(guān)序列[13]。文獻(xiàn)[14]通過構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，選出系統(tǒng)所期望的最優(yōu)電壓矢量，該方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、控制靈活，易處理約束優(yōu)化；但是其矢量個(gè)數(shù)有限，必須采用較高開關(guān)頻率，造成系統(tǒng)開關(guān)損耗過大，而且其開關(guān)頻率不固定，造成電流諧波分布不規(guī)律。針對(duì)上述問題，文獻(xiàn)[15]通過加入數(shù)字濾波器有效地實(shí)現(xiàn)了定頻控制，但采樣頻率同樣過高。文獻(xiàn)[16]提出一種基于占空比優(yōu)化的模型預(yù)測(cè)控制方法，它將零矢量與非零矢量以占空比的方式相結(jié)合，獲得了更好的功率跟蹤效果；但該方法難以解決有功、無功功率同時(shí)優(yōu)化的問題。基于MPC的單相PWM整流器近年來受到了廣泛關(guān)注，而MPC在級(jí)聯(lián)H橋多電平整流器上的應(yīng)用卻鮮有研究。

本文以單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器為研究對(duì)象，為了提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提出了基于有限集的模型預(yù)測(cè)電流控制(Finite Control Set Model Predictive Current Control，F(xiàn)CS-MPCC)，并針對(duì)傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制中電流諧波含量大、開關(guān)頻率不固定等缺點(diǎn)進(jìn)行改善。所提算法首先劃分了單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器的空間矢量扇區(qū)，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)以及各模塊之間的電容電壓平衡關(guān)系，選擇出扇區(qū)邊界的兩個(gè)矢量，合成等效參考電壓矢量。最后，本文對(duì)所提出的優(yōu)化算法和傳統(tǒng)瞬態(tài)電流控制算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真與半實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，驗(yàn)證了所提算法的有效性與可行性。

2 單相級(jí)聯(lián)H橋整流器數(shù)學(xué)模型

單相級(jí)聯(lián)H橋七電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。三個(gè)H橋整流器輸入端通過級(jí)聯(lián)的形式疊加起來，并通過網(wǎng)側(cè)電感和網(wǎng)側(cè)等效電阻接入電網(wǎng)，每個(gè)H橋直流側(cè)相互獨(dú)立。為了方便分析該結(jié)構(gòu)的工作原理，本文先對(duì)單個(gè)功率模塊進(jìn)行分析。

圖1 基于H全橋結(jié)構(gòu)的PET列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.1 Topology of PET train traction transmission system based on H-bridge structure

由于單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器網(wǎng)側(cè)電阻很小，可以忽略，其基爾霍夫電壓平衡方程可以表示為：

(1)

式中，LN為網(wǎng)側(cè)電感器與線路等效電感之和；RN為網(wǎng)側(cè)電阻與線路電阻之和；uN與iN分別為網(wǎng)側(cè)電壓和電流；uabk為第k個(gè)H橋的輸入端電壓。

通過正交延遲構(gòu)造的網(wǎng)側(cè)電壓與電流在靜止坐標(biāo)系下的方程為：

(2)

(3)

式中，UNm和INm分別為網(wǎng)側(cè)電壓電流的幅值；uNα、iNα分別為網(wǎng)側(cè)電壓和電流在α軸上的分量；uNβ、iNβ分別為網(wǎng)側(cè)電壓和電流在β軸上的分量；φ為網(wǎng)側(cè)電壓電流的相位差。單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器在αβ靜止坐標(biāo)系下的方程為：

(4)

式中，uabα、uabβ為輸入端電壓uab在α軸和β軸上的分量。為了便于分析，定義第k個(gè)模塊的理想二值邏輯開關(guān)函數(shù)Ski(k=1, 2, …,n；i=a, b)：

(5)

(6)

第k個(gè)模塊輸入端電壓uabk可由開關(guān)函數(shù)Ski表示為：

uabk=(Ska-Skb)udck

(7)

式中，udck為第k個(gè)模塊直流側(cè)電壓。

則級(jí)聯(lián)H橋整流器的輸入端電壓uab為：

(8)

根據(jù)級(jí)聯(lián)H橋整流器與每個(gè)功率模塊的拓?fù)潢P(guān)系，可以推出級(jí)聯(lián)H橋整流器在α-β坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

(9)

式中，Skaα、Skaβ為Ska在α軸與β軸上的坐標(biāo)分量；Skbα、Skbβ為Skb在α軸與β軸上的坐標(biāo)分量。

由式(9)可以得到網(wǎng)側(cè)電壓電流的變化率為：

(10)

采用前向歐拉法，可以得到式(10)的離散化表達(dá)式為：

(11)

式中，Ts為系統(tǒng)的采樣周期；iNα(k)、iNβ(k)分別為當(dāng)前k時(shí)刻αβ軸的電流值；iNα(k+1)、iNβ(k+1)分別為k+1時(shí)刻αβ軸的電流值。

由式(5)和式(6)可知，每個(gè)H橋模塊有四種開關(guān)模式，它們對(duì)直流側(cè)電容電壓的影響如表1所示?？梢钥闯觯诓煌拈_關(guān)模式下，各模塊對(duì)直流側(cè)電容電壓的影響不同。例如，當(dāng)輸入電流為正時(shí)，若某模塊開關(guān)模式為01，則其電容電壓會(huì)下降，且下降程度最為明顯。

表1 不同工作狀態(tài)對(duì)直流側(cè)電壓的影響Tab.1 Influence of different operating conditions on DC voltage

3 本文所提FCS-MPCC算法

FCS-MPCC算法的基本原理為：在每一個(gè)控制周期的開始時(shí)刻，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)和采樣參數(shù)，利用離散化表達(dá)式得到下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)值，通過構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，在線尋優(yōu)得到使目標(biāo)函數(shù)最小所對(duì)應(yīng)的開關(guān)矢量，作用于下一時(shí)刻。本文所提出的FCS-MPCC算法中建立的目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

(12)

由于整流器的開關(guān)狀態(tài)有限，傳統(tǒng)的FCS-MPCC在每個(gè)開關(guān)周期只選取了一個(gè)開關(guān)矢量，其控制精度難以保證，且開關(guān)頻率不固定，電流諧波含量大。為了克服以上缺點(diǎn)，本文所提 FCS-MPCC算法通過對(duì)級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器進(jìn)行空間矢量扇區(qū)劃分，在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)選用所選扇區(qū)的兩個(gè)矢量，從而減小電流諧波含量，同時(shí)保持較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

3.1扇區(qū)劃分與判斷

借鑒單相SVPWM的思想，這里對(duì)單相n電平級(jí)聯(lián)H橋整流器進(jìn)行扇區(qū)劃分，如圖2所示。

圖2 扇區(qū)劃分與基本矢量定義示意圖Fig.2 Sector partition diagram

?

?

3.2矢量合成與占空比計(jì)算

根據(jù)單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器的2n+1種電平狀態(tài)，定義對(duì)應(yīng)的2n+1個(gè)基本矢量，如圖2所示。在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，可通過選擇某個(gè)扇區(qū)內(nèi)兩個(gè)基本矢量Vg和Vg+1來合成該扇區(qū)的參考電壓矢量Vref，其中，Vg和Vg+1的幅值|Vg|和|Vg+1|的幅值滿足：

(13)

式中，g為區(qū)間[-n,n-1]內(nèi)的整數(shù)。

根據(jù)式(10)可知，矢量Vg+1和Vg對(duì)應(yīng)的電流變化率分別為：

(14)

式中，Udc為各模塊直流側(cè)電壓之和，即

(15)

在實(shí)際系統(tǒng)中，β軸調(diào)制信號(hào)uabβ為零。在當(dāng)前k時(shí)刻，任意一個(gè)扇區(qū)內(nèi)的兩個(gè)基本矢量分別作用一段時(shí)間后，可以預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻的電流為：

(16)

由式(16)可知，矢量Vg作用的時(shí)間tg決定了下一時(shí)刻的電流值，當(dāng)矢量Vg作用時(shí)間tg取得最優(yōu)時(shí)，對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)能夠取得最小值，此時(shí)，目標(biāo)函數(shù)J的導(dǎo)數(shù)為零，表示如下：

(17)

將式(12)和式(16)代入式(17)中，可以得到矢量Vg+1與Vg的作用時(shí)間tg+1、tg分別為：

(18)

若矢量Vg+1作用時(shí)間tg+1大于控制周期Ts，則取tg+1=Ts，若tg+1小于Ts，則取tg+1=0。

將Vg+1與Vg的最優(yōu)作用時(shí)間tg+1、tg代入目標(biāo)函數(shù)，可得：

(19)

式中，J(g)(k)為矢量Vg所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。

比較各個(gè)扇區(qū)邊界基本矢量Vg對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，并選擇其中最小的目標(biāo)函數(shù)Jmin。Jmin對(duì)應(yīng)于扇區(qū)內(nèi)的基本矢量作用最優(yōu)時(shí)間，可以使靜止坐標(biāo)軸電流分量快速精確地跟蹤上給定值。

3.3電容電壓平衡控制與脈沖生成

由圖2可知，每個(gè)基本矢量存在冗余矢量，它們對(duì)直流側(cè)電容進(jìn)行充放電，影響著各個(gè)H橋模塊的直流側(cè)電壓大小，所以，需要根據(jù)各H橋模塊直流側(cè)電容電壓的大小關(guān)系來選取冗余電壓矢量。每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)作用的兩個(gè)基本矢量所對(duì)應(yīng)的冗余矢量對(duì)各模塊直流側(cè)電容電壓影響一致。例如，以iN>0和3個(gè)H橋?yàn)槔?dāng)扇區(qū)2對(duì)應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)時(shí)，若第一個(gè)H橋模塊電容電壓最大，則選擇兩個(gè)矢量(0 1 1)，(-1 1 1)，這樣可以保持各模塊電容電壓的動(dòng)態(tài)平衡。

當(dāng)確定了兩個(gè)矢量之后，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，為了減小電流諧波，矢量作用順序應(yīng)具有對(duì)稱性，矢量作用時(shí)序遵循：

Vg→Vg+1→Vg→Vg+1→Vg

(或Vg+1→Vg→Vg+1→Vg→Vg+1)

其對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間為：

tg/4→tg+1/2→tg/2→tg+1/2→tg/4

(或tg+1/4→tg/2→tg+1/2→tg/2→tg+1/4)

以3個(gè)H橋的扇區(qū)2和扇區(qū)6為例，若選擇扇區(qū)2的兩個(gè)矢量分別為Vg+1=V2(0 1 1)與Vg=V1(0 0 1)，扇區(qū)6的兩個(gè)矢量分別為Vg+1=V-2(-1 -1 0)與Vg=V-3(-1 -1 -1)，該調(diào)制算法在這兩個(gè)扇區(qū)下的矢量作用時(shí)序圖以及輸入端電壓與網(wǎng)側(cè)電流變化趨勢(shì)如圖3所示。

圖3 SVPWM調(diào)制算法示意圖Fig.3 Diagram of SVPWM modulation algorithm

從圖3可以看出，在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，網(wǎng)側(cè)電流變化了四次，該調(diào)制算法所引起的網(wǎng)側(cè)電流高次諧波分布在兩倍開關(guān)頻率附近。

3.4本文所提FCS-MPCC算法的實(shí)現(xiàn)

本文所提FCS-MPCC保留了傳統(tǒng)單矢量MPCC算法的基本框架，通過預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的電流信息來確定目標(biāo)函數(shù)。而針對(duì)單相級(jí)聯(lián)H橋整流器，本文所提FCS-MPCC算法對(duì)其劃分扇區(qū)，通過對(duì)目標(biāo)函數(shù)求導(dǎo)的方式來求解最優(yōu)占空比與最優(yōu)矢量，并通過選擇合適的冗余矢量實(shí)現(xiàn)電壓平衡控制，經(jīng)過SVPWM調(diào)制產(chǎn)生脈沖信號(hào)。其控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 模型預(yù)測(cè)電流控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Block diagram of adopted model predictive current control system

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提FCS-MPCC的正確性，以單相七電平級(jí)聯(lián)H橋整流器為例，對(duì)本文所提算法與傳統(tǒng)PI瞬態(tài)電流控制算法在基于TMS32028335的RT-LAB半實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。表2給出了半實(shí)物實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表2 半實(shí)物平臺(tái)參數(shù)Tab.2 Experimental system parameters

圖5給出了穩(wěn)態(tài)情況下傳統(tǒng)瞬態(tài)電流控制與本文所提FCS-MPCC算法的網(wǎng)側(cè)電壓與電流的波形。由圖5(b)可知，本文所提出的FCS-MPCC很好地實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流電壓同相位，且網(wǎng)側(cè)電流正弦度較高。

圖5 兩種算法穩(wěn)態(tài)電壓電流實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Experimental results of main voltage and line current in steady state

圖6為瞬態(tài)電流控制與兩矢量MPCC算法的直流側(cè)電壓與輸入端電壓“七電平”波形，可以清晰地看到，本文所提FCS-MPCC在穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)了電容電壓平衡。

圖6 兩種算法穩(wěn)態(tài)電容電壓與輸入端電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of DC-link three capacitors’ voltages and input voltage

圖7給出了穩(wěn)態(tài)情況下瞬態(tài)電流控制與本文所提FCS-MPCC的FFT分析電流諧波含量圖?？梢钥闯?，本文所提FCS-MPCC算法的高次諧波主要分布在2倍開關(guān)頻率5kHz附近，總諧波失真(THD)為3.77%，與瞬態(tài)電流控制近似。由此可知，本文所提FCS-MPCC算法能良好地保持穩(wěn)態(tài)精度。

圖7 網(wǎng)側(cè)電流波形FFT分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 FFT analysis result of line current of adopted scheme in experiment

圖8給出了負(fù)載由額定負(fù)載突變?yōu)閮杀额~定負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。與內(nèi)環(huán)相比，電壓外環(huán)PI控制器速度較慢，電流內(nèi)環(huán)對(duì)負(fù)載突變所產(chǎn)生的效果不明顯，因此，在這種情況下，電壓外環(huán)起主導(dǎo)作用。由圖8可知，兩種控制在經(jīng)歷8個(gè)工頻開關(guān)周期后達(dá)到穩(wěn)定。

圖8 兩種算法在負(fù)載突變情況下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results of dynamic response of both algorithms under load step-change condition

圖9 兩種算法在電流突變情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results of currents in these two schemes under current step-change condition

通過半實(shí)物實(shí)驗(yàn)，將瞬態(tài)電流控制與本文所提FCS-MPCC算法進(jìn)行性能對(duì)比，結(jié)果如表3所示。

表3 兩種控制算法的性能對(duì)比Tab.3 Comparison of performance for two control schemes

5 結(jié)論

本文以單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器為研究對(duì)象，以提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小電流諧波為控制目標(biāo)，提出了一種基于兩矢量的FCS-MPCC算法，并對(duì)級(jí)聯(lián)多電平整流器進(jìn)行空間扇區(qū)劃分。通過半實(shí)物實(shí)驗(yàn)對(duì)比研究，驗(yàn)證了該算法的可行性。本文所提FCS-MPCC算法的特點(diǎn)可總結(jié)如下：

(1)實(shí)現(xiàn)了單相級(jí)聯(lián)多電平H橋整流器的電容電壓平衡。

(2)與傳統(tǒng)瞬態(tài)電流控制算法相比，無需內(nèi)環(huán)PI控制器，簡化了參數(shù)設(shè)計(jì)。且電流內(nèi)環(huán)具有快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)電流誤差跟蹤。

(3)由于采用扇區(qū)劃分判斷，有效簡化了每個(gè)控制周期內(nèi)的最小評(píng)價(jià)函數(shù)估算次數(shù)。

(4)兩個(gè)矢量合成方法保證了該FCS-MPCC算法具有恒定開關(guān)頻率。

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Finite-control-setmodelpredictivecurrentcontrolschemeforsinglephasecascadedmultilevelHbridgerectifiers

JIANG Wei1， LIU Bi1， CAO Meng-hua1， XIE Wang-yu2， SONG Wen-sheng1

(1. School of Electrical Engineering， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031，China; 2. Locomotive & Car Research Institute， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

This paper focuses on a single phase cascaded multilevel H bridge rectifier adopted as the front-end converter in power electronic transformer (PET) in high-speed train application. A two-vector-based model predictive current control (MPCC) scheme is proposed to improve controller’s dynamic responsibility and reduce current harmonic distortion. Firstly, the single phase cascaded multilevel H bridge rectifier is modeled in α-β stationary coordinate frame. Secondly, the basic vectors and the corresponding sector definition are designed for single phase cascaded multilevel rectifiers based on the space vector modulation. On the basis of this principle, the optimal dwell time of two vectors is derived from minimizing the cost function which evaluates the current error. Then, the appropriate redundancy vector is selected according to the DC-link capacitor voltage balance rule in each module. Compared with the traditional instantaneous current control (ICC) based on proportional-integral (PI) controller, the proposed MPCC scheme can achieve fast dynamic response, keep DC-link capacitor voltage balance, and be free of PI current controller as the inner loop. Finally, the proposed MPCC and the traditional PI-ICC scheme are compared and verified by hardware-in-loop (HIL) experiment platform. HIL experimental results verify the feasibility and validity of the proposed MPCC scheme.

cascaded multilevel H bridge rectifier; single phase; model predictive control; capacitor voltage balance; direct current control

2017-01-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577160)

蔣 蔚(1993-)， 男， 四川籍， 碩士研究生， 研究方向?yàn)殡娏恳涣鱾鲃?dòng)及其控制；

宋文勝(1985-)， 男， 安徽籍， 副教授， 碩導(dǎo)， 博士， 研究方向?yàn)殡娏恳涣鱾鲃?dòng)及其控制(通訊作者)。

10.12067/ATEEE1701035

1003-3076(2017)11-0036-08

TM461