孫澤廷

NPC型并網(wǎng)變換器的預(yù)測(cè)控制研究

孫澤廷

（天津港保稅區(qū)益誠(chéng)電力設(shè)備有限公司，天津 300450）

三相三電平NPC型并網(wǎng)變換器器具有功率密度高、開關(guān)電壓應(yīng)力低、網(wǎng)側(cè)電流諧波小等優(yōu)勢(shì)，在微網(wǎng)中獲得了廣泛應(yīng)用。采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)，并網(wǎng)電流性能對(duì)于控制器參數(shù)取值依賴性強(qiáng)，網(wǎng)側(cè)電流畸變且系統(tǒng)抗干擾性差。為有效改善并網(wǎng)電流動(dòng)靜態(tài)性能，提出并采用了基于模型預(yù)測(cè)的直接功率控制環(huán)路，通過完整的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析證明了該策略的可靠性。

NPC并網(wǎng)變換器；模型預(yù)測(cè)；直接功率控制；延時(shí)補(bǔ)償

1 引言

NPC型并網(wǎng)變換器作為一種典型的三電平結(jié)構(gòu)，由于具有分立元件少、系統(tǒng)可靠性高、電流畸變小等優(yōu)點(diǎn)，在中小功率PFC模塊中獲得了廣泛應(yīng)用[1]，因此如何改善并網(wǎng)性能具有重要研究意義。模型預(yù)測(cè)算法作為一種高效的多目標(biāo)跟蹤算法，有效規(guī)避了并網(wǎng)性能高度依賴于傳統(tǒng)控制器參數(shù)的缺陷，具有易于理解且可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤等優(yōu)勢(shì)，引起了廣大學(xué)者的普遍關(guān)注[2-3]。

文中以NPC變換器為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了模型預(yù)測(cè)與直接功率控制策略的有效結(jié)合，給出了適用于NPC型變換器的直接功率模型預(yù)測(cè)控制（DPC-MPC），并進(jìn)一步針對(duì)中點(diǎn)電位波動(dòng)，給出了新型預(yù)測(cè)算法實(shí)現(xiàn)方案。最后，基于實(shí)時(shí)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了完善的驗(yàn)證分析。

2 三電平NPC并網(wǎng)變換器電路拓?fù)渑c數(shù)學(xué)模型

文中采用的三相三電平NPC型并網(wǎng)變換器電路拓?fù)淙鐖D1所示。其中sx（=，，）為三相交流電網(wǎng)電壓，為交流側(cè)升壓電感，x1-4（=，，）為電流開關(guān)，直流側(cè)輸出電容由1與2構(gòu)成，L1與L2為負(fù)載電阻，0為直流輸出電壓。

圖1 三電平NPC變換器電路拓?fù)?/p>

3 基于模型預(yù)測(cè)的直接功率控制策略

3.1 直接功率控制原理

根據(jù)圖1所示的電路拓?fù)?，可得靜止坐標(biāo)系下NPC變換器狀態(tài)表達(dá)方程為：

式（1）中：gα與gβ分別為并網(wǎng)電流在坐標(biāo)系下的、分量；gα與gβ為三相并網(wǎng)電壓在坐標(biāo)下的、分量；α與β為輸出電壓在坐標(biāo)下的、分量。

據(jù)瞬時(shí)功率理論，列寫坐標(biāo)下瞬時(shí)功率方程為：

由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于網(wǎng)側(cè)電壓周期，相鄰周期內(nèi)電壓采樣值近似相等，則引入離散化可將式（2）寫為：

式（3）中：gα（+1）與gβ（+1）為（+1）s時(shí)刻的采樣值的、分量；gα（）與gβ（）為并網(wǎng)電流在s時(shí)刻的、分量；gα（）與gβ（）為輸入電壓在坐標(biāo)下的、分量。

將式（3）代入式（2），則相鄰采樣周期內(nèi)瞬時(shí)功率表達(dá)方程可轉(zhuǎn)化為：

結(jié)合直接功率與模型預(yù)測(cè)控制策略，可列寫模型預(yù)測(cè)函數(shù)代價(jià)函數(shù)的表達(dá)方程為：

=[*－（+1）]2+[*－（+1）]2（5）

3.2 中點(diǎn)電位平衡控制

中點(diǎn)電位直流波動(dòng)作為三電平換流器固有問題，可能導(dǎo)致并網(wǎng)電流畸變，影響電容壽命甚至危害系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。模型預(yù)測(cè)作為一種多目標(biāo)跟蹤的控制算法，為中點(diǎn)電位控制提供了便捷方案。列寫直流側(cè)節(jié)點(diǎn)的電流與開關(guān)函數(shù)的關(guān)系表達(dá)工程為：附加的約束是中性點(diǎn)電壓的平衡。中性點(diǎn)電壓的偏差計(jì)算如下：

其中：

式（7）中：op（）與on（）為在第時(shí)刻的正負(fù)母線負(fù)載所流過的電流。

改進(jìn)型模型預(yù)測(cè)控制代價(jià)函數(shù)表達(dá)式為：

=[*－（+1）]2+[*－（+1）]2+△（+1）（8）

式（8）中：為權(quán)重系數(shù)，0.03。

綜合上述理論分析，文中所設(shè)計(jì)的DPC-MPC算法流程如圖2所示。

圖2 DPC-MPC算法流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析

為驗(yàn)證文中方案的正確性，搭建了三電平NPC型變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)涉及的參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓380 V/50 Hz，網(wǎng)側(cè)升壓電感2.5 mH，直流側(cè)濾波電容2 160 μF，直流側(cè)輸出電壓720 V，采樣/控制頻率為50 kHz，輸出功率6 kW，測(cè)試結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3為并網(wǎng)電壓、電流輸出響應(yīng)。并網(wǎng)電流為1.85%，有效說明了文中策略的優(yōu)越性。圖4為由滿載切換至半載時(shí)的暫態(tài)響應(yīng)波形，可以看到采用文中控制方案暫態(tài)性能良好，說明了文中控制方案的有效性。圖5為中點(diǎn)電位平衡輸出響應(yīng)。當(dāng)引入中點(diǎn)平衡控制后中點(diǎn)電位輸出可快速趨于平衡，也不需要添加額外的中點(diǎn)電位環(huán)路，避免了復(fù)雜的環(huán)路設(shè)計(jì)，同時(shí)保證了網(wǎng)側(cè)電流的輸出質(zhì)量。

圖3 滿載運(yùn)行時(shí)靜態(tài)響應(yīng)波形

圖4 動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形

圖5 中點(diǎn)電位平衡控制響應(yīng)波形

5 結(jié)論

提出了一種改進(jìn)型DPC-MPC雙閉環(huán)控制方法，并應(yīng)用于三相NPC并網(wǎng)變換器。給出了詳細(xì)的理論設(shè)計(jì)步驟，最后結(jié)合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了文中控制方案的可靠性。結(jié)果表明文中提出的改進(jìn)型DPC-MPC雙閉環(huán)控制方案可以有效改善并網(wǎng)電流動(dòng)靜態(tài)性能，網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率小，暫態(tài)響應(yīng)快速，具有較好的抗干擾能力。

［1］林珍君，劉永江，李華，等.一種基于可變虛擬中矢量的三電平SVPWM 調(diào)制策略［J］.控制與信息技術(shù)，2018. （3）：27-32.

［2］陳素華.T型三電平并網(wǎng)逆變器模型預(yù)測(cè)控制技術(shù)研究［J］.科技通報(bào)，2016，32（6）：76-83.

［3］王美齡，王麗梅，孫永亮.一種基于模型預(yù)測(cè)控制的NPC三電平逆變器中點(diǎn)電位平衡控制方法［J］.電氣工程學(xué)報(bào)，2015，10（9）：66-72.

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.007

2095－6835（2020）12－0019－02

〔編輯：張思楠〕