三電平NPC整流器預測直接功率控制研究

摘要：提出了一種適用于三電平NPC整流器的預測直接功率控制策略，將系統(tǒng)有功功率、無功功率和中性點電壓作為控制目標，既不需要滯環(huán)比較器也不需要開關(guān)表，提高了輸入電流質(zhì)量，也實現(xiàn)了有功功率、無功功率和中性點電壓的平滑調(diào)節(jié)。最后，通過Matlab/Simulink仿真結(jié)果驗證了所提預測直接功率控制策略的可操作性和有效性。

關(guān)鍵詞：三電平;整流器;預測直接功率控制

中圖分類號：TM461 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0021-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.005

0 引言

在過去近20年中，功率轉(zhuǎn)換器廣泛應用于工業(yè)部門、交通部門、可再生能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等多個領(lǐng)域。三電平中性點箝位（NPC）變換器由于其具有輸出功率大、輸入電流諧波畸變小、開關(guān)電壓應力小等優(yōu)點，已成為多電平變換器中應用最廣泛的一種變換器[1]。但是，該變換器存在電壓漂移和中性點電壓波動等固有問題，限制了其實際應用。

近年來，有限控制集模型預測控制（FCS-MPC）、直接模型預測控制（DMPC）等先進控制策略在電力變流器、電機驅(qū)動和可再生能源系統(tǒng)等許多領(lǐng)域得到了應用[2-4]。FCS-MPC具有多個優(yōu)點，例如消除了線性PI控制器和調(diào)制解調(diào)器。

本文提出了一種三電平NPC整流器預測直接功率控制（P-DPC）策略，旨在消除傳統(tǒng)的開關(guān)表式直接功率控制策略的缺點，提高系統(tǒng)的整體性能，即消除無功功率波動，精準調(diào)節(jié)有功功率、無功功率、中性點電壓和直流母線電壓。最后，利用Matlab/Simulink軟件對所提出的P-DPC策略性能進行了仿真驗證。

1 三電平NPC整流器

三電平NPC整流器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，電網(wǎng)電壓e通過濾波電阻R、電感L與三電平NPC整流器連接，i為輸入整流器的電網(wǎng)電流，v為整流器輸出電壓。系統(tǒng)數(shù)學模型可表示為：

e=Ri+L+v（1）

系統(tǒng)輸出復功率S可由有功功率P、無功功率Q、電網(wǎng)電壓e和電網(wǎng)電流i確定，即：

S=P+jQ=（i×e）（2）

2 預測直接功率控制策略

預測控制策略，是對系統(tǒng)模型中待控制變量的未來行為進行預測。根據(jù)三電平NPC整流器的控制需要，將功率（即有功功率、無功功率）和中性點直流電壓同時作為控制目標，預測直接功率控制（P-DPC）策略的控制框圖如圖2所示。

將式（2）中的復功率S求導可得：

=[（|e|2-v×e）-（R-jωL）S]（3）

式中：ω為角頻率。

將復功率導數(shù)分解為實部（Re）和虛部（Im），可得有功功率P、無功功率Q的導數(shù)為：

=

[（|e|2-Re（v×e）]-

P-ωQ，

=

Im（-v×e）-

Q+ωP（4）

將式（4）轉(zhuǎn)化為d-q坐標系下的導數(shù)：

=

[ed 2-vded]-

edid-

ωediq，

=

[edeq-vqed]-

ediq+

ωedid（5）

設(shè)系統(tǒng)采樣周期為Ts，當前采樣時刻為k，下一個采樣周期為k+1，則每一個采樣周期內(nèi)有功功率P、無功功率Q的變化量可表示為：

=

，

=

（6）

將式（6）代入式（5）可得k+1時刻有功功率P、無功功率Q的預測值為：

P（k+1）=P（k）+

[ed 2-vded]-

edid-

ωediq，

Q（k+1）=Q（k）+

[edeq-vqed]-

ediq+

ωedid（7）

根據(jù)電流的流向和上下電容電壓（Udc1和Udc2）之間的誤差，中點電壓U0可以寫成：

U0=（iabc）T|uacb|（8）

式中：C為C1與C2和的平均值;iabc為輸入整流器電流;uabc為三電平NPC整流器的開關(guān)狀態(tài)。

將式（8）離散化求得一階導數(shù)后展開，可得k+1時刻的中點電壓為：

U0（k+1）=U0（k）+[i（k）abc]T|u（k）abc|（9）

預測直接功率控制的目的是通過滾動預測，使有功功率P（k+1）、無功功率Q（k+1）和中點電壓U0（k+1）的預測值跟蹤它們各自的參考值（即有功功率、無功功率和直流電壓差）變化，從而確保實際輸出有功功率、無功功率與參考值保持一致，中點電壓保持為零。為實現(xiàn)這些控制目標，設(shè)定價值函數(shù)：

gPDPC=K1|Pref-P（k+1）|+K2|Qref-Q（k+1）|+

K3|U0-U0（k+1）|（10）

式中：K1、K2、K3分別為有功功率、無功功率和直流電壓平衡的權(quán)重因子;Pref、Qref分別為有功功率、無功功率參考值。

3 仿真試驗

為了驗證所提三電平NPC整流器預測直接功率控制策略的有效性，進行了Matlab/Simulink仿真試驗。系統(tǒng)仿真參數(shù)為：電網(wǎng)電壓e=170 V，濾波器電阻R=0.3 Ω，濾波器電感L=0.01 H，系統(tǒng)頻率f=50 Hz，負載電阻RL=60 Ω，直流側(cè)電容C1=C2=680 μF，直流側(cè)電壓Udc=500 V。

為了評估整個系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)性能，將所提控制策略試驗結(jié)果與文獻[5]提出的傳統(tǒng)開關(guān)表式直接功率控制試驗結(jié)果進行了對比。設(shè)定在t=0.225 s時刻輸出負載RL由60 Ω降低至52 Ω，在0.45 s時刻再由52 Ω增大至60 Ω。在0—0.5 s期間無功功率參考值Qref設(shè)定為0 var，在0.5 s時刻參考值由0 var突增至500 var，在0.6 s時刻又突降至0 var。圖3、圖4分別為基于開關(guān)表的直接功率控制策略仿真結(jié)果和所提基于預測控制的直接功率控制策略仿真結(jié)果。

從圖3可以看出，采用傳統(tǒng)的基于開關(guān)表策略的直接功率控制方法，無功功率波形會出現(xiàn)異常波動，直流側(cè)上端電容電壓Udc1和下端電容電壓Udc2控制不夠精準，輸入整流器電流質(zhì)量不是很高，波形畸變較高，穩(wěn)態(tài)運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時的總諧波失真（THD）分別為2.65%、3.27%、2.78%。從圖4可以看出，采用基于預測控制的直接功率控制策略，在穩(wěn)態(tài)運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時，系統(tǒng)有功功率、無功功率、直流母線電壓、直流側(cè)上端電容電壓Udc1和下端電容電壓Udc2均能跟隨參考值精準變化，具有很好的動穩(wěn)態(tài)性能。同時，輸出波形畸變率低，穩(wěn)態(tài)運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時的總諧波失真（THD）分別為0.23%、0.20%、0.23%。

4 結(jié)論

本文提出并討論了一種三電平NPC整流器的預測直接功率控制策略，其目的是保證對整流器有功功率、無功功率和上下電容電壓的精確控制。所提方法消除了傳統(tǒng)開關(guān)表式直接功率控制策略的不足，有功功率和無功功率能很好地跟隨參考值變化，表現(xiàn)出了很高的動穩(wěn)態(tài)性能，具有很好的工業(yè)應用價值。

[參考文獻]

[1] 蔣佳琛，一政.一種三電平NPC變換器中點電位平衡控制策略[J].電氣傳動自動化，2023，45（6）：1-5.

[2] 席裕庚，李德偉，林姝.模型預測控制——現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].自動化學報，2013，39（3）：222-236.

[3] KOURO S，CORTES P，VARGAS R，et al.Model Predictive Control—A Simple and Powerful Method to Control Power Converters[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56（6）：1826-1838.

[4] 霍智偉，裴旭東.基于FCS-MPC的風力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[J].機電信息，2023（13）：78-81.

[5] KULIKOWSKI K，SIKORSKI A.New DPC Look-Up Table Methods for Three-Level AC/DC Converter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics：2016，63（12）：7930-7938.

收稿日期：2024-05-27

作者簡介：田野（1994—），男，甘肅人，助理工程師，研究方向：高低壓電器產(chǎn)品檢測。

通信作者：裴旭東（1990—），男，甘肅人，高級工程師，研究方向：發(fā)輸變電工程及高電壓技術(shù)。