劉春喜,田寶奇,劉志樂(lè),趙昱誠(chéng),張?zhí)扃?/p>
(遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,葫蘆島 125105)
近年來(lái),隨著新能源發(fā)電技術(shù)的大力發(fā)展,并網(wǎng)逆變器成為新能源發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備[1]。與兩電平逆變器相比,二極管中點(diǎn)箝位NPC(neutral point clamped)型三電平逆變器具有更大的帶寬和更高的電壓范圍,能夠有效改善波形質(zhì)量,因此,它在高電壓等級(jí)的工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。有限控制集模型預(yù)測(cè)電流控制FCS-MPCC(finite control set model predictive current control)具有快速瞬態(tài)響應(yīng)、易于實(shí)現(xiàn)、靈活可控等特點(diǎn),因此成為并網(wǎng)逆變器的一種常見(jiàn)控制方法。然而由于模型預(yù)測(cè)依賴(lài)于模型參數(shù),當(dāng)模型參數(shù)出現(xiàn)誤差時(shí),會(huì)使得系統(tǒng)的控制精度降低[3-8],動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能變差[9]。另外,由于三電平逆變器開(kāi)關(guān)矢量多,導(dǎo)致處理器運(yùn)算量增加,加重了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)[10-12]。
針對(duì)模型參數(shù)誤差對(duì)系統(tǒng)控制精度的影響,文獻(xiàn)[3]針對(duì)兩電平逆變器,基于無(wú)差拍電流控制方案通過(guò)簡(jiǎn)化系統(tǒng)模型來(lái)緩解控制器的參數(shù)敏感性問(wèn)題,消除了模型誤差對(duì)系統(tǒng)的影響;文獻(xiàn)[4]采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)側(cè)的阻抗敏感度進(jìn)行分析,提出了一種適用于不同的控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略;文獻(xiàn)[5]在三電平PWM整流器的基礎(chǔ)上引入了多模型反饋校正環(huán)節(jié),通過(guò)設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制器在線(xiàn)辨識(shí)系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型,解決了因參數(shù)誤差導(dǎo)致的電流畸變問(wèn)題;文獻(xiàn)[6]通過(guò)優(yōu)化求解線(xiàn)性矩陣不等式問(wèn)題,利用全狀態(tài)觀(guān)測(cè)器來(lái)消除模型誤差對(duì)系統(tǒng)的影響;文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種基于輸出電壓的二階自抗擾控制方法,用來(lái)提高控制系統(tǒng)的擾動(dòng)觀(guān)測(cè)能力;文獻(xiàn)[8]對(duì)于兩電平逆變器求解系統(tǒng)預(yù)測(cè)和實(shí)測(cè)狀態(tài)下誤差的最小值來(lái)更新系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,提高了系統(tǒng)在參數(shù)擾動(dòng)情況下模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度,消除了參數(shù)突變對(duì)系統(tǒng)的干擾。上述文獻(xiàn)從多個(gè)方面對(duì)減小模型參數(shù)誤差進(jìn)行了研究,但涉及NPC型三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)涞难芯坎⒉欢唷a槍?duì)三電平并網(wǎng)逆變器采用FCS-MPCC造成計(jì)算量大的問(wèn)題,文獻(xiàn)[10]利用系統(tǒng)模型方程預(yù)測(cè)出最優(yōu)控制向量,通過(guò)減小最優(yōu)向量與可用向量之間的距離來(lái)選擇逆變器輸出向量,減小了計(jì)算次數(shù);文獻(xiàn)[11]根據(jù)逆變器電壓矢量與參考矢量的距離,選擇最優(yōu)矢量參與預(yù)測(cè)模型的遍歷尋優(yōu)和價(jià)值函數(shù)的計(jì)算,達(dá)到減小計(jì)算量的目的,但上述兩種方法均沒(méi)有考慮計(jì)算延時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響;文獻(xiàn)[12]利用單目標(biāo)代價(jià)函數(shù)簡(jiǎn)化尋優(yōu)步驟方法,通過(guò)選擇冗余小矢量減小預(yù)測(cè)次數(shù),從而提高了尋優(yōu)效率,但這種方法的預(yù)測(cè)精度低。
為降低參數(shù)擾動(dòng)的影響,減小系統(tǒng)計(jì)算量,該文研究了一種改進(jìn)的NPC型三電平并網(wǎng)逆變器自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)電流控制A-FCS-MPCC(adaptive finite control set model predictive current control)策略,給出了方案設(shè)計(jì)和開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化方法,并基于Lyapunov判據(jù)分析了系統(tǒng)穩(wěn)定性,最后通過(guò)時(shí)域模型仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖1為NPC型三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)?,圖中,Udc為直流側(cè)電源電壓,Cdc1、Cdc2為直流側(cè)穩(wěn)壓電容,Da1、Da2為a相的鉗位二極管,Sa1~4、Sb1~4、Sc1~4分別為三相的開(kāi)關(guān)管,L為并網(wǎng)側(cè)濾波電感,R為并網(wǎng)側(cè)線(xiàn)路電阻,ea、eb、ec為三相電網(wǎng)電壓,M、N分別為直流側(cè)和并網(wǎng)側(cè)電壓中性點(diǎn),ia、ib、ic分別為三相的并網(wǎng)電流。
圖1 NPC型三電平并網(wǎng)逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of NPC-type three-level grid-connected inverter
當(dāng)三相電網(wǎng)平衡時(shí),根據(jù)基爾霍夫定律并進(jìn)行Clark/Park變換,建立逆變器的數(shù)學(xué)模型為
式中:,id、iq為dq坐標(biāo)系下的并網(wǎng)電流;ud、uq為dq坐標(biāo)系下的輸出電壓;ed、eq為dq坐標(biāo)系下的并網(wǎng)電壓;ω為角頻率。
NPC型三電平并網(wǎng)逆變器根據(jù)三相橋臂的不同狀態(tài)可以產(chǎn)生27種開(kāi)關(guān)組合,19種不同的電壓矢量,其基本電壓矢量分布見(jiàn)圖2。
圖2 NPC型三電平并網(wǎng)逆變器基本電壓矢量分布Fig.2 Distribution of basic voltage vectors of NPC-type three-level grid-connected inverter
對(duì)式(1)進(jìn)行離散化,可得到基于dq坐標(biāo)系下交流側(cè)三相電流的離散數(shù)學(xué)模型為
式中:id(k)、iq(k)、ud(k)、uq(k)和ed(k)、eq(k)分別為第k個(gè)采樣周期的并網(wǎng)電流、輸出電壓和并網(wǎng)電壓;為第(k+1)個(gè)采樣周期的并網(wǎng)電流;Ts為采樣頻率。
由于三電平并網(wǎng)逆變器直流側(cè)中點(diǎn)電位波動(dòng)會(huì)對(duì)逆變器的輸出波形產(chǎn)生影響[12],需要對(duì)直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡進(jìn)行控制。因此,根據(jù)逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)分別對(duì)電容電壓進(jìn)行預(yù)測(cè),預(yù)測(cè)電壓為
式中:Δudc=udc1-udc2,udc1和udc2為直流側(cè)穩(wěn)壓電容Cdc1和Cdc2的電壓;Sd和Sq為電壓矢量在dq坐標(biāo)系下的分量。
在NPC型三電平并網(wǎng)逆變器的價(jià)值函數(shù)中,除了考慮傳統(tǒng)的dq軸跟蹤電流外,還需考慮中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題。為此,可將價(jià)值函數(shù)設(shè)計(jì)為
式中:上角標(biāo)ref表示電流的參考值;λ為直流側(cè)中點(diǎn)電壓平衡的權(quán)重系數(shù),可通過(guò)試湊法得到[13]。FCS-MPCC策略是選擇最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài),在每個(gè)周期針對(duì)不同的開(kāi)關(guān)組合狀態(tài)執(zhí)行27次計(jì)算,得出最佳成本函數(shù)。
考慮系統(tǒng)模型式(2)的參數(shù)受外部干擾,實(shí)際的網(wǎng)側(cè)阻抗動(dòng)態(tài)模型可以表示為
式中:x=1-TsR/L;y=Ts/L;U(k-1)=u(k-1)-u*(k-1),u*(k-1)為預(yù)測(cè)的電壓擾動(dòng)矢量。在實(shí)際控制系統(tǒng)中,參數(shù)x和y都是未知的,需要通過(guò)參數(shù)估計(jì)器對(duì)他們進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
根據(jù)式(5)構(gòu)造出參數(shù)估計(jì)器的第k時(shí)刻預(yù)測(cè)電流為
式中,x*和y*分別為估計(jì)器參數(shù)。其收斂性可以通過(guò)使用電流預(yù)測(cè)誤差參數(shù)自適應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn),即
電流誤差主要由參數(shù)擾動(dòng)引起,可作為中間變量去調(diào)整估計(jì)器參數(shù),使電流誤差達(dá)到最小。采用迭代梯度法將d軸電流表示為
式中:D(k-1)=[id(k-1),Ud(k-1)]T,τ(k)=[x(k),y(k)]T;Ud(k-1)為第(k-1)時(shí)刻d軸電壓向量;x(k)和y(k)為第k時(shí)刻參數(shù)動(dòng)態(tài)模型。
參數(shù)估計(jì)器的收斂性可以通過(guò)使用估計(jì)誤差進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn),將參數(shù)誤差定義為
預(yù)測(cè)向量τ*(k+1)可通過(guò)τ*(k)遞歸表示為
式中:ψ為自適應(yīng)還原因子;為d軸的參數(shù)預(yù)測(cè)誤差;τ*(k)為第k時(shí)刻預(yù)測(cè)的系統(tǒng)參數(shù)。
電壓擾動(dòng)導(dǎo)致電流的預(yù)測(cè)過(guò)程表現(xiàn)為非線(xiàn)性,在此采用一種自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器結(jié)構(gòu)來(lái)解決該問(wèn)題。因?yàn)轭A(yù)測(cè)的參數(shù)矢量收斂于實(shí)際的參數(shù)矢量,即τ(k)=τ*(k),所以可構(gòu)造出自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器,即
為了保證收斂性,定義離散型二次誤差函數(shù)為
式中:Ed(k)和Eq(k)分別為dq坐標(biāo)系下的誤差函數(shù);和分別為dq坐標(biāo)系下的電流預(yù)測(cè)誤差。在預(yù)測(cè)測(cè)量誤差中,采用共軛梯度法使誤差函數(shù)E(k)最小化,誤差函數(shù)為
根據(jù)式(13)估計(jì)擾動(dòng)電壓,電壓預(yù)測(cè)量等效為
式中:u*(k)=e(k)-ωLi(k);Δu*(k)為預(yù)測(cè)電壓變化量;ρ為自適應(yīng)增益。將預(yù)測(cè)的u*反饋到式(5)中,用來(lái)消除電壓干擾。因此,參數(shù)預(yù)測(cè)量τ*可以用于式(11)自適應(yīng)觀(guān)測(cè)器參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)優(yōu)。即使在參數(shù)變化的情況下,也能準(zhǔn)確地觀(guān)測(cè)到擾動(dòng)電壓向量。根據(jù)式(10)和式(14)的遞歸函數(shù),電壓擾動(dòng)量和參數(shù)擾動(dòng)量將會(huì)收斂到它們的實(shí)際值。
輸出電壓可用電流參考值及電壓預(yù)測(cè)量進(jìn)行估計(jì),表達(dá)式為
式(15)也可以用于提取并網(wǎng)逆變器的交流線(xiàn)路電壓。
由于NPC型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較特殊,在控制系統(tǒng)中,直流側(cè)的兩個(gè)電容在一個(gè)采樣周期內(nèi)的充放電情況并不均勻,在直流中性點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生中點(diǎn)電位差,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
為了可以更好地平衡中點(diǎn)電壓,在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下,使得中點(diǎn)電位差盡可能小。根據(jù)式(4),將價(jià)值函數(shù)改寫(xiě)為
式中,λ的取值范圍與所控制變量在價(jià)值函數(shù)中的優(yōu)先級(jí)有關(guān),前兩項(xiàng)分別為(k+1)時(shí)刻dq坐標(biāo)系下電流參考值與電流預(yù)測(cè)值之間誤差的平方,后一項(xiàng)為(k+1)時(shí)刻直流側(cè)兩電容中點(diǎn)電位差的平方。
在NPC型三電平并網(wǎng)逆變器中,逆變器中性點(diǎn)M與網(wǎng)側(cè)中性點(diǎn)N之間的輸出電壓可以表示為
式中,Sa、Sb和Sc為逆變器各相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。根據(jù)式(17),NPC型三電平逆變器中點(diǎn)輸出電壓幅值可在27種工作狀態(tài)下獲得,具體數(shù)值見(jiàn)表1。
表1 開(kāi)關(guān)狀態(tài)與輸出電壓Tab.1 Switching status and output voltage
由于預(yù)測(cè)過(guò)程的每個(gè)步驟中需要計(jì)算27次,存在較大的計(jì)算量。根據(jù)表1中的數(shù)值,將UMN限制在±Udc/6范圍內(nèi)[14],使遍歷的開(kāi)關(guān)組合減少到19次,從而降低了系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)。圖3顯示了開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化后的可用開(kāi)關(guān)組合。
圖3 開(kāi)關(guān)序列優(yōu)化后的可用開(kāi)關(guān)組合Fig.3 Combination of available switches after the switch sequence is optimized
由于實(shí)際系統(tǒng)存在采樣和控制延時(shí),影響系統(tǒng)的控制性能,因此采用兩步預(yù)測(cè)法來(lái)補(bǔ)償這部分延時(shí)。將式(2)和式(3)進(jìn)行改寫(xiě),在第k時(shí)刻預(yù)測(cè)第(k+1)時(shí)刻的電流,并以該值為起點(diǎn)再進(jìn)行一次預(yù)測(cè),得到第(k+2)時(shí)刻的并網(wǎng)電流和中點(diǎn)電壓預(yù)測(cè)模型,即
針對(duì)補(bǔ)償后的預(yù)測(cè)電流和中點(diǎn)電位對(duì)價(jià)值函數(shù)進(jìn)行重新評(píng)估,可得
式中:前兩項(xiàng)分別為(k+2)時(shí)刻dq坐標(biāo)系下電流參考值與電流預(yù)測(cè)值之間誤差的平方,后一項(xiàng)為(k+2)時(shí)刻直流側(cè)兩電容中點(diǎn)電位差的平方。當(dāng)采樣周期足夠小時(shí),可以近似認(rèn)為第k時(shí)刻電網(wǎng)參考電流等于第(k+2)時(shí)刻電網(wǎng)參考電流。
將上述優(yōu)化算法加入到NPC型三電平并網(wǎng)逆變器的控制過(guò)程中,得到A-FCS-MPCC策略結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖4。圖中虛線(xiàn)框內(nèi)分別標(biāo)注了FCS-MPCC方法部分、自適應(yīng)策略部分以及A-FCS-MPCC方法部分。
圖4 A-FCS-MPCC策略結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of A-FCS-MPCC strategy
將式(7)和式(9)的兩個(gè)函數(shù)作為控制輸入,設(shè)計(jì)一個(gè)基于系統(tǒng)誤差的Lyapunov函數(shù)為
為了使式(21)收斂,其必須滿(mǎn)足的條件為
由于電壓擾動(dòng)的連續(xù)性,采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶寬,根據(jù)式(11)和式(15)中的自適應(yīng)規(guī)律,的變化量為
為滿(mǎn)足式(24)的穩(wěn)定性,自適應(yīng)增益ρ的取值為0<ρ<(2/y2)。將式(23)代入到式(24)中,表示為
若ψ∈[0,2],則式(27)中括號(hào)項(xiàng)為負(fù),滿(mǎn)足了收斂性和穩(wěn)定性條件,即
為了驗(yàn)證A-FCS-MPCC算法的有效性,使用MATLAB/Simulink建立了A-FCS-MPCC的實(shí)例仿真模型,參數(shù)見(jiàn)表2。在無(wú)參數(shù)擾動(dòng)情況下,將所提控制方法并網(wǎng)電流與比例積分-空間矢量脈寬調(diào)制PISVPWM(proportional integral-space vector pulse width modulation)方法和傳統(tǒng)FCS-MPCC方法并網(wǎng)電流進(jìn)行對(duì)比,分析三者的穩(wěn)態(tài)性能、動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能以及開(kāi)關(guān)頻率分布情況,表3給出了PI-SVPWM控制參數(shù)和A-FCS-MPCC控制參數(shù)。此外為驗(yàn)證參數(shù)突變導(dǎo)致的參數(shù)偏移適應(yīng)性,將不同濾波電感的參數(shù)辨識(shí)情況與參考值進(jìn)行了對(duì)比。
表2 并網(wǎng)逆變器參數(shù)Tab.2 Parameters of grid-connected inverter
表3 控制參數(shù)Tab.3 Control parameters
由于網(wǎng)側(cè)等效電阻擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響較小[15],因此以下僅分析濾波電感出現(xiàn)擾動(dòng)的情形,將電感擾動(dòng)范圍控制在±50%。3種控制方法的三相并網(wǎng)電流波形見(jiàn)圖5。從圖5(a)中可以知,PI-SVPWM控制下的三相并網(wǎng)電流控制精度低,諧波含量大,總諧波失真THD(total harmonic distortion)值約為5.72%;從圖5(b)中可知,傳統(tǒng)FCS-MPCC控制下的三相并網(wǎng)電流波形得到明顯改善,但由于系統(tǒng)存在延時(shí)影響,電流控制精度依然較低,THD值約為2.91%;從圖5(c)中可知,在A-FCS-MPCC方法下的三相并網(wǎng)電流控制精度顯著提高,諧波含量很小,THD值約為0.87%。圖6為NPC型逆變器輸出側(cè)ab相間的輸出電壓波形。
圖5 三種控制方法的并網(wǎng)電流Fig.5 Grid-connected current for three control methods
圖6 輸出電壓波形Fig.6 Output voltage waveform
在1 s時(shí)將參考電流從20 A突變?yōu)?0 A,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)波形見(jiàn)圖7。圖7(b)中,PI-SVPWM方法的電流跟蹤時(shí)間為600 μs,跟蹤速度慢且超調(diào)大;圖7(d)中,傳統(tǒng)FCS-MPCC方法的電流跟蹤時(shí)間為380 μs,跟蹤速度有所提高,但超調(diào)依然較大;圖7(f)中,A-FCS-MPCC方法的電流跟蹤時(shí)間僅用240 μs,響應(yīng)速度更快,超調(diào)也更小。所以,A-FCSMPCC方法與PI-SVPWM和傳統(tǒng)FCS-MPCC方法相比,具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。
圖7 三種控制方法的并網(wǎng)電流動(dòng)態(tài)過(guò)程Fig.7 Dynamic process of grid-connected current for three control methods
為了對(duì)NPC型三電平并網(wǎng)逆變器的開(kāi)關(guān)次數(shù)進(jìn)行定量的分析,在3.0~3.5 s時(shí)間內(nèi),通過(guò)3種控制方法對(duì)開(kāi)關(guān)管Sa1的驅(qū)動(dòng)脈沖進(jìn)行說(shuō)明,見(jiàn)圖8。
圖8 三種控制方法的驅(qū)動(dòng)脈沖Fig.8 Drive pulse for three control methods
PI-SVPWM方法的開(kāi)關(guān)次數(shù)為3 021次,傳統(tǒng)FCS-MPCC方法的開(kāi)關(guān)次數(shù)為2 190次,而A-FCSMPCC方法的開(kāi)關(guān)次數(shù)為1 834次,比前2種控制方法分別減少了39.3%和16.3%。
為了更加直觀(guān)地表示3種方法的開(kāi)關(guān)次數(shù),圖9給出了3種控制方法在優(yōu)化與未優(yōu)化開(kāi)關(guān)序列情況下的開(kāi)關(guān)次數(shù)對(duì)比,可見(jiàn)A-FCS-MPCC方法有效地減少了開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)。
圖9 開(kāi)關(guān)次數(shù)對(duì)比Fig.9 Comparison of the number of switches
圖10為濾波電感分別取5 mH、10 mH和15 mH時(shí)的參數(shù)估計(jì)曲線(xiàn),可以看出參數(shù)估計(jì)辨識(shí)值十分接近參考值,驗(yàn)證了所提算法的準(zhǔn)確性。
圖10 濾波電感L估計(jì)曲線(xiàn)Fig.10 Estimation curves for filter inductor L
為了驗(yàn)證所提算法的直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡能力,圖11討論了中點(diǎn)電位平衡權(quán)重系數(shù)λ分別為0.5和5.0兩種狀態(tài)下的直流側(cè)電容電壓的仿真結(jié)果。從圖中可以看出,傳統(tǒng)FCS-MPCC方法的中點(diǎn)電位平衡能力比較差,而A-FCS-MPCC方法有效提高了中點(diǎn)電位控制能力。
圖11 直流側(cè)中點(diǎn)電位波形Fig.11 DC-side midpoint potential waveform
本文研究了一種改進(jìn)的自適應(yīng)模型預(yù)測(cè)控制策略,以解決負(fù)載參數(shù)擾動(dòng)和系統(tǒng)計(jì)算量大的問(wèn)題,通過(guò)仿真實(shí)例驗(yàn)證了A-FCS-MPCC算法的有效性,并得出以下結(jié)論。
(1)A-FCS-MPCC方法具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,響應(yīng)時(shí)間與PI-SVPWM和傳統(tǒng)FCS-MPCC方法相比,分別減少了60%和36.8%,超調(diào)也更小。
(2)A-FCS-MPCC方法具有更低的開(kāi)關(guān)頻率,開(kāi)關(guān)次數(shù)與PI-SVPWM和傳統(tǒng)FCS-MPCC方法相比,分別減少了39.3%和16.3%,在減小計(jì)算量的同時(shí)也減小了系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)損耗。
(3)A-FCS-MPCC方法具有更好的自適應(yīng)能力和抗干擾能力,能夠在線(xiàn)識(shí)別參數(shù)誤差。