王楠 竇智峰 李琰琰 武潔

摘要：針對傳統(tǒng)三電平有源中點鉗位（ANPC）并網(wǎng)逆變器有限控制集模型預測控制存在的計算流程復雜、中點電壓波動較大、輸出電流諧波較大的問題，提出了一種基于優(yōu)化代價函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預測控制方法.該方法簡化了傳統(tǒng)模型預測控制方法中建立直流側(cè)中點電壓偏移量ΔUdc與三相開關狀態(tài)Sx中間變量的步驟，在靜止αβ坐標系下，利用負載電流i、ΔUdc與Sx之間的關系直接建立數(shù)學模型，通過對27種開關狀態(tài)的實時計算，確定最優(yōu)輸出開關狀態(tài).仿真和實驗結(jié)果表明，該方法有效降低了電流諧波畸變率，達到了抑制中點電壓波動的效果.

Abstract：Aiming at the problems of complicated calculation process， large neutral pointe potential fluctuation and large output current harmonic of the traditional three|level ANPC grid|connected inverter limited control set model predictive control， a current control method of three|level ANPC grid|connected inverter based on optimized cost function was proposed. This method simplified the steps of establishing the intermediate variable of the DC side mid|point voltage offset ΔUdc and the three|phase switching state Sx in the traditional model predictive control method.Under the static αβ coordinate system， the relationship between load current i， ΔUdc and Sx was used to directly establish a mathematical model.Through the real|time calculation of 27 switch states， the optimal output switch state was selected.Simulation and experiment result showed that the method effectively reduced the total harmonic distortion rate and achieved the effect of suppressing midpoint voltage fluctuations.

關鍵詞：ANPC并網(wǎng)逆變器;有限控制集模型預測;中點電壓波動;三相開關狀態(tài)

Key words：ANPC grid|connected inverter;finite control set model prediction;mid|point voltage fluctuation;three|phase switching state

中圖分類號：TM464

文獻標識碼：A文章編號：2096-1553（2021）02-0092-10

0 引言

近年來，隨著能源需求的不斷擴大和環(huán)境保護意識的日益增強，電力領域內(nèi)高轉(zhuǎn)換效率和低諧波含量的分布式可再生能源發(fā)電需求不斷增加.三電平并網(wǎng)逆變器作為電能轉(zhuǎn)換的主要設備之一，廣泛應用于風力發(fā)電、儲能、微型智能電網(wǎng)、電動汽車等領域.三電平有源中點鉗位（ANPC）并網(wǎng)逆變器具有較高的轉(zhuǎn)換效率和靈活的運行方式，在太陽能發(fā)電、海上風力發(fā)電等新型可再生能源的中高壓交流傳動、柔性輸電、電網(wǎng)無功補償和吸收等方面都有重要應用[1-3].但中點電壓不平衡問題一直是三電平并網(wǎng)逆變器的研究熱點，具體表現(xiàn)為中點電壓直流偏置和中點電壓低頻紋波增加，進而對電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性造成嚴重危害[4-6].

在不改變系統(tǒng)結(jié)構的前提下，有效的控制策略是解決中點電壓不平衡問題的主要方式，其中有限控制集模型預測控制（FCS|MPC）方法已經(jīng)在兩電平逆變器領域得到了廣泛應用和深入研究，并取得了較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益.相比傳統(tǒng)兩電平并網(wǎng)逆變器，三電平并網(wǎng)逆變器具有輸出負載電流諧波少、控制效果好等優(yōu)點，是中壓大功率逆變器的主要拓撲結(jié)構[7-12]，如何將FCS|MPC方法應用于三電平并網(wǎng)逆變器成為當前的研究熱點.FCS|MPC方法基于三電平并網(wǎng)逆變器有限的27種開關組合矢量狀態(tài)，通過建立三電平ANPC并網(wǎng)逆變器數(shù)學預測模型并采用滾動計算代價函數(shù)最優(yōu)解的方法，選擇使系統(tǒng)定義的目標函數(shù)最小的開關狀態(tài)作用于逆變器，達到抑制中點電壓波動和減少輸出電流諧波的目的，具有控制簡單、靈活、無需脈寬調(diào)制等優(yōu)點[4-5].針對三電平電壓源并網(wǎng)逆變器的中點電壓波動問題，在對三電平ANPC并網(wǎng)逆變器建模過程中，傳統(tǒng)的模型預測控制方法需要對每相開關狀態(tài)進行判斷，不能直接采用27種開關狀態(tài)，其控制流程復雜，計算過程時間長，而且控制效率不高，容易導致逆變器開關損耗的增加和中點電壓的波動.文獻[13]設計了一種在線修正分支定界的方法，其中優(yōu)化計算部分包含系統(tǒng)跟蹤性和開關損耗優(yōu)化項的指標函數(shù)，通過函數(shù)來實施滾動優(yōu)化以達到控制目的.該方法魯棒性好，在系統(tǒng)多變量受約束的情況下，減少了高次諧波的含量，但計算量較大、控制方法較復雜，對中點電壓波動的控制并不理想.文獻[14]通過引入基于遞推最小二乘法的電感在線辨識算法，提高了三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的參數(shù)魯棒性，但所辨識的電感參數(shù)與電感實際值有差異，計算方法稍顯復雜.鑒于此，本文擬提出一種基于優(yōu)化代價函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預測控制方法，直接以逆變器開關狀態(tài)對代價函數(shù)進行計算和求值，以期減少輸出電流的諧波含量，降低中點電壓波動，減小總諧波畸變率.

1 三電平ANPC并網(wǎng)逆變器建模

三電平ANPC并網(wǎng)逆變器簡化電路如圖1所示.由圖1可知，三電平ANPC并網(wǎng)逆變器主體結(jié)構為三相，每相包括6個開關管，其中2個開關管的中點都連接到直流側(cè)母線電容的中點上.所以，ANPC的每一相相對于直流側(cè)母線電容中性點產(chǎn)生3個相位（Udc/2，0，-Udc/2）.以開關狀態(tài)變量Sx表示x相的開關狀態(tài)，這里的x∈{a，b，c}，用符號P、O和N分別表示每相產(chǎn)生的3個相位.三電平ANPC并網(wǎng)逆變器三相產(chǎn)生的空間矢量相位如圖2所示.

由圖2可知，三電平ANPC并網(wǎng)逆變器三相可產(chǎn)生27種開關狀態(tài)，其對應電壓矢量中有8個冗余矢量（包括2個冗余零矢量），表1為逆變器某一相的開關狀態(tài).

3 基于優(yōu)化代價函數(shù)的電流預測控制方法

傳統(tǒng)模型預測控制的基本原理是由逆變器輸出電流預測值與參考電流值差的絕對值、直流側(cè)兩個電容電壓的絕對值得到代價函數(shù)，求得該代價函數(shù)的極小值，即得系統(tǒng)最優(yōu)解，并輸出最佳的開關狀態(tài).但是傳統(tǒng)方法中增加了電容電壓差和開關狀態(tài)關系的中間變量，使得三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中點電壓振蕩較高.因此本文直接利用開關狀態(tài)與電容電壓差的關系，建立數(shù)學模型，優(yōu)化傳統(tǒng)方法.通過Clark變換，在αβ坐標系下通過系統(tǒng)數(shù)學模型充分利用逆變器的離散化特征進行預測算法設計.變換公式可表示為

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗證本文基于優(yōu)化代價函數(shù)的電流預測控制方法的有效性，對傳統(tǒng)電流預測控制方法和本文方法進行建模仿真.仿真參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖5—7所示.

由圖5可知，在某一段時刻，由于ANPC并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中以某一種開關矢量狀態(tài)的持續(xù)輸出作為最優(yōu)解，造成這段時間內(nèi)其中點電壓波動較大;本文優(yōu)化方法建立的模型直流側(cè)中點電壓波動顯著減小，由改進前的60 V降到了改進后的1 V以內(nèi)，并且波形整體波動更有規(guī)律、更加對稱，說明其27種開關狀態(tài)都得到應用.由圖6和圖7可知，傳統(tǒng)方法的輸出負載電流波形總體良好，但電流諧波畸變率較高（1.89%）;本文優(yōu)化方法使得三電平ANPC并網(wǎng)逆變器的輸出負載電流諧波畸變率減小至1.14%.

5 實驗結(jié)果與分析

為驗證本文方法在實際工程應用中的有效性，設計如下實驗平臺：直流側(cè)電源采用MywayAPL-II的可編程雙向直流電源，交流側(cè)并網(wǎng)部分采用Ametek型號為MX30的可編程交流電源，并采用橫河DLM4000系列8通道示波器記錄實驗結(jié)果.實驗所用參數(shù)與上述仿真參數(shù)一致，實驗結(jié)果如圖8—9所示.

由圖8可知，優(yōu)化的模型預測控制方法電流波形效果較好，電流諧波畸變率由3.72%降至3.34%，驗證了本文方法的有效性.由圖9可知，相比傳統(tǒng)有限控制集模型預測電流控制方法，本文方法中點電壓波動顯著減少，輸出電流諧波畸變率得到控制.

6 結(jié)論

本文提出了一種基于優(yōu)化代價函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預測控制方法，建立了三電平ANPC三相逆變器在靜止αβ坐標系下直流側(cè)母線電容中點電壓與逆變器輸出電流之間的關系，并對傳統(tǒng)有限控制集模型預測控制方法和改進的有限控制集模型預測控制方法進行對比.仿真和實驗結(jié)果表明，本文方法有較好的控制效果，直流側(cè)母線電容電壓波動由60 V 降到了1 V以內(nèi);改進的有限控制集模型預測控制有良好的穩(wěn)態(tài)性能和優(yōu)越的動態(tài)性能，仿真結(jié)果顯示電流諧波畸變率由1.89%降至1.14%，實驗結(jié)果顯示電流諧波畸變率由3.72% 降至3.34%.本文只針對單個目標進行預測控制，為了得到更好的控制效果，今后可以進行多個目標同時預測控制研究.

參考文獻：

[1] 汪楊俊.模型預測控制在大功率低開關頻率并網(wǎng)逆變器中的應用[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2015.

[2] ZHANG Y C，BAI Y N.Model predictive flux control of three|level inverter|fed induction motor drives based on space vector modulation[C]∥2017 IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia （IFEEC 2017|ECCE Asia）.Piscataway：IEEE，2017：986.

[3] BEKHOUCHA N，MESBAHI N，OUCHEN S.Predictive current control of three level neutral point clamped grid connected inverter in photovoltaic generation systems[C]∥2018 International Conference on Electrical Sciences and Technologies in Maghreb （CISTEM）.Piscataway：IEEE，2018：1.

[4] 許杭蓬，陳權，李國麗，等.基于改進SVPWM的三電平NPC逆變器中點電壓平衡的研究[J].現(xiàn)代電子技術，2019，42（4）：129.

[5] 黃競智，吳雷，沈佳燁.NPC型三電平逆變器的中點電位控制方法研究[J].電子測量技術，2019，42（3）：40.

[6] 潘鏡元，趙香花，朱大為，等.基于三電平NPC逆變器的并網(wǎng)控制策略[J].電氣自動化，2018，40（4）：9.

[7] 沈坤，章兢，王玲，等.三相電壓型逆變器模型預測控制[J].電工技術學報，2013，28（12）：283.

[8] 鄧知先，宋文勝，曹夢華.單相PWM整流器模型預測電流控制算法[J].中國電機工程學報，2016，36（11）：2996.

[9] 張永昌，蔡倩，彭玉賓，等.帶參數(shù)辨識功能的三電平變換器高效模型預測控制方法[J].電氣工程學報，2018，13（4）：1.

[10]PERANTZAKIS G，XEPAPAS F，PAPATHANASSIOU S，et al.A predictive current control technique for three|level NPC voltage source inverters[C]∥2005 IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference.Piscataway：IEEE，2005：1241.

[11]YARAMASU V，WU B.Predictive control of a three|level boost converter and an NPC inverter for high|power PMSG|based medium voltage wind energy conversion systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（10）：5308.

[12]CHEN X T，GAO N，WU W M，et al.Finite Control set model predictive control for LCL|filter|based grid|tied npc inverter[C]∥2018 IEEE International Power Electronics and Application Conference and Exposition （PEAC）.Piscataway：IEEE，2018：1.

[13]劉斌，夏龍清，李俊，等.并網(wǎng)逆變多目標約束預測控制器設計及在線算法[J].中國電機工程學報，2014，34（30）：5277.

[14]DADU A M，SOON T K，MEKHILEF S，et al.Lyapunov law based model predictive control scheme for grid connected three phase three level neutral point clamped inverter[C]∥2017 IEEE 3rd International Future Energy Electronics Conference and ECCE Asia （IFEEC 2017|ECCE Asia）.Piscataway：IEEE，2017：512.