基于預(yù)測直接功率控制的三電平逆變并網(wǎng)

何鵬飛， 吳 雷

(江南大學(xué) 輕工過程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫214122)

在逆變并網(wǎng)系統(tǒng)中，逆變器是提高轉(zhuǎn)換效率和輸出波形質(zhì)量等性能的關(guān)鍵部分。在逆變器的控制方法中，傳統(tǒng)直接功率控制采用邏輯開關(guān)表，將瞬時有功和無功功率送入滯環(huán)比較器進(jìn)行比較，控制結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好［1］;但會使開關(guān)頻率不固定，且濾波器的設(shè)計變的復(fù)雜，同時產(chǎn)生頻率不定的諧波。將有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測控制［2］和直接功率控制相結(jié)合，組成預(yù)測直接功率控制，既能繼承直接功率的優(yōu)點(diǎn)，又可實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率的恒定，提高穩(wěn)定性。二極管箝位型三電平逆變器［3-4］可以使輸出波形諧波含量小，損耗小，系統(tǒng)效率高。

文中應(yīng)用二極管箝位型三電平逆變器，采用有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測直接功率控制對逆變并網(wǎng)進(jìn)行控制［5-6］。通過仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證控制策略的可行性和有效性。

1 三電平逆變器原理

1.1 三電平逆變器的電路拓?fù)?/h3>

由于二極管箝位型三電平逆變器結(jié)構(gòu)簡單，容易控制，逐漸成為多電平逆變器研究的熱點(diǎn)，二極管箍位式三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。定義三電平逆變器各橋臂的開關(guān)變量分別為Sa，Sb，Sc，用1 和0 分別表示各開關(guān)器件的開通和關(guān)斷。

圖1 二極管箝位式三電平逆變器拓?fù)銯ig.1 Topology of the diode-clamped three-level inverter

1.2 三電平逆變器的空間矢量

定義各橋臂開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)變量Sx的表示方式如下:

式中:x = a，b，c，Sx1～ Sx4分別為4 個器件的開關(guān)信號。

空間電壓矢量U 的方程為

1.3 并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型

并網(wǎng)逆變器輸出的交流電壓、電流經(jīng)濾波器并入電網(wǎng)側(cè)的等效電路，具體如圖3 所示［7］。

圖2 三電平逆變器空間矢量圖Fig.2 Space vector diagram of the three-level inverter

圖3 并網(wǎng)側(cè)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the grid-connected side

由圖3 可知，在三相靜止abc 坐標(biāo)系下，并網(wǎng)逆變器a，b，c 三相的電壓方程為

通過3s/2s 變換，得到兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

2 有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測直接功率控制的原理

在兩相靜止αβ 坐標(biāo)系中，三相并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電網(wǎng)輸出瞬時有功、無功功率為［8-9］

則瞬時功率的微分方程為

由式(4)可知:

理想條件下，瞬時電網(wǎng)電壓值可表示為

由式(8)可得瞬時電網(wǎng)電壓的變化率為

忽略阻抗的影響，將式(7)和式(9)代入式(6)可得:

由于瞬時電網(wǎng)電壓、電流，線圈電感在一個采樣周期內(nèi)為恒定值，由式(10)可知，功率變化率只受并網(wǎng)逆變器交流側(cè)輸出的電壓影響。

根據(jù)三維空間矢量調(diào)制方法，通過判斷三相電壓正負(fù)及大小可以判斷出三相電壓的合成矢量，即逆變器交流側(cè)輸出電壓矢量所在扇區(qū)，從而確定合成目標(biāo)矢量的3 個基本電壓矢量;再計算每個基本電壓矢量的作用時間，確定作用順序，以調(diào)制出開關(guān)管的觸發(fā)脈沖。

在一個采樣周期Ts時間內(nèi)，將瞬時有功、無功功率變化率離散化可表示為

每個控制周期Ts內(nèi)功率變化量為

在每個控制周期結(jié)束時，功率誤差變化率為

式中:ΔPk，ΔQk為第k 周期開始時的功率誤差。定義誤差目標(biāo)函數(shù):

由上式可知，只要使功率誤差變化率無限接近于零，即可使誤差目標(biāo)函數(shù)最小。根據(jù)極值求值法可得出各電壓矢量的作用時間如下:

式中:t1，t2t3分別為基本電壓矢量U1，U2，U3的作用時間。

電壓矢量作用順序要求每次變換都只有單相狀態(tài)發(fā)生變化，即按照類似0 →1 →0 →－1 →0 的形式進(jìn)行變換，以獲得較小開關(guān)損耗和電壓應(yīng)力。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

逆變并網(wǎng)控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

應(yīng)用Matlab 軟件搭建模型進(jìn)行仿真，參數(shù)設(shè)定為:直流母線電壓Udc= 550 V，采樣頻率10 kHz，電網(wǎng)電壓有效值220 V/50 Hz，濾波電感L = 6 mH，R =0.04 Ω，直流側(cè)電容C = 4 700 μF。逆變器輸出的A 相相電壓和AB 相線電壓如圖5 和圖6 所示。

由圖5 和圖6 波形可知，三電平逆變器輸出的相電壓和線電壓分別為三電平和五電平，滿足控制要求。

采用有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測直接功率控制方法逆變器輸出的三相電流波形如圖7 所示。

圖7 三相電流波形Fig.7 Three phase current waveform

逆變器輸出A 相電流的諧波分析如圖8 所示。

圖8 輸出電流FFT 分析Fig.8 FFT analysis of the output current

輸出電流諧波THD = 1.96%，諧波小，毛刺少，滿足并網(wǎng)電流的諧波要求。

控制電路部分采用TMS320F2812 芯片進(jìn)行控制。有功功率參考值設(shè)為P*= 4.5 kW，無功功率參考值設(shè)為Q*= 0 V·A。圖9 和圖10 分別為采用改進(jìn)預(yù)測直接功率控制和直接功率控制測得的AB 相線電壓的實(shí)驗(yàn)波形。

圖9 直接功率控制輸出波形Fig.9 Output waveform of the direct power control

圖10 改進(jìn)預(yù)測控制輸出波形Fig.10 Output waveform of the improved predicted direct power control

由圖9 和圖10 的輸出實(shí)驗(yàn)波形可知，改進(jìn)預(yù)測直接功率控制輸出的并網(wǎng)電壓諧波更小，更穩(wěn)定，輸出的并網(wǎng)電壓更接近電網(wǎng)電壓，直接功率控制輸出的波形則毛刺較大，不夠平滑。

圖11 為三電平逆變器改進(jìn)預(yù)測直接功率控制瞬時功率的輸出波形。

圖11 三電平逆變器瞬時功率輸出波形Fig.11 Instantaneous power output waveform of the three-level inverter

由圖11 可知，穩(wěn)態(tài)下三電平逆變器輸出的有功功率基本達(dá)到參考值，無功功率在零點(diǎn)上下略微擺動，功率振蕩較小，損耗小，滿足控制要求。

4 結(jié) 語

文中采用二極管箝位型三電平逆變器作為并網(wǎng)系統(tǒng)的逆變并網(wǎng)部分，應(yīng)用有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測直接功率控制對逆變器進(jìn)行控制，建立了αβ 坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型。針對直接功率控制頻率不固定，濾波設(shè)計復(fù)雜的缺點(diǎn)，采用有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測直接功率控制使開關(guān)頻率恒定，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)的控制，使并網(wǎng)性能得到提高。結(jié)果表明，所采用的方法可減小開關(guān)管承受的電壓，進(jìn)一步減小輸出波形諧波，降低了損耗。

［1］王繼東，蘇海濱，王玲花，等.基于虛擬磁鏈直接功率控制的光伏并網(wǎng)逆變器控制策略研究［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(11):70-74.

WANG Jidong，SU Haibin，WANG Linghua，et al.Study on grid-connected inverter used in PV generation system based on virtual fluxlinkage direct power control［J］.Power System Protection and Control，2009，37(11):70-74.(in Chinese)

［2］謝梁，姜建國，楊興武.基于有限開關(guān)狀態(tài)模型預(yù)測控制的STATCOM 控制策略研究［J］. 電測與儀表，2012，49(10):78-81.

XIE Liang，JIANG Jianguo，YANG Xingwu. Study of the control strategy of STATCOM based on finite-state model predictive control［J］.Electrical Measurement and Instrumentation，2012，49(10):78-81.(in Chinese)

［3］林磊，鄒云屏，鐘和清，等.二極管箝位型三電平逆變器控制系統(tǒng)研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25(15):33-39.

LIN Lei，ZOU Yunping，ZHONG Heqing，et al.Study of control system diode-clamped three-level inverter［J］.Proceedings of the CESS，2005，25(15):33-39.(in Chinese)

［4］張國月，曲軼龍，齊冬蓮，等.基于重復(fù)控制的三電平光伏逆變技術(shù)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2012，46(7):1339-1344.

ZHANG Guoyue，QU Yilong，QI Donglian，et al. Three-level photovoltaic inverter technology based on repetitive control［J］.Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2012，46(7):1339-1344.(in Chinese)

［5］Kamel Barra，Djamel Rahem. Predictive direct power control for photovoltaic grid connected system:an approach based on multilevel converters［J］.Energy Conversion and Management，2014，78:825-834.

［6］Hassaine L，OLias E，Salas V.Overview of power inverter topologies and control structures for grid connected photovoltaic systems［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2014，30:796-807.

［7］王鹿軍.分布式發(fā)電中三相三電平并網(wǎng)逆變器的若干關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.杭州:浙江大學(xué)，2013.

［8］尚磊，孫丹，胡家兵，等.三相電壓型并網(wǎng)逆變器預(yù)測直接功率控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2011，26(7):216-222.

SHANG Lei，SUN Dan，HU Jiabing，et al.Predictive direct power control of three-phase grid-connected voltage-sourced inverters［J］.Transactions of China Electro Technical Society，2011，26(7):216-222.(in Chinese)

［9］楊興武，姜建國.電壓型PWM 整流器預(yù)測直接功率控制［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2011，31(3):34-39.

YANG Xingwu，JIANG Jianguo.Predictive direct power control for voltage source PWM rectifiers［J］.Proceedings of the CSEE，2011，31(3):34-39.(in Chinese)