基于優化代價函數的三電平ANPC并網逆變器電流預測控制方法

王楠 竇智峰 李琰琰 武潔

摘要：針對傳統三電平有源中點鉗位（ANPC）并網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，提出了一種基于優化代價函數的三電平ANPC并網逆變器電流預測控制方法.該方法簡化了傳統模型預測控制方法中建立直流側中點電壓偏移量ΔUdc與三相開關狀態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學模型，通過對27種開關狀態的實時計算，確定最優輸出開關狀態.仿真和實驗結果表明，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并網逆變器;有限控制集模型預測;中點電壓波動;三相開關狀態

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境保護意識的日益增強，電力領域內高轉換效率和低諧波含量的分布式可再生能源發電需求不斷增加.三電平并網逆變器作為電能轉換的主要設備之一，廣泛應用于風力發電、儲能、微型智能電網、電動汽車等領域.三電平有源中點鉗位（ANPC）并網逆變器具有較高的轉換效率和靈活的運行方式，在太陽能發電、海上風力發電等新型可再生能源的中高壓交流傳動、柔性輸電、電網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逆變器的研究熱點，具體表現為中點電壓直流偏置和中點電壓低頻紋波增加，進而對電能轉換系統的可靠性造成嚴重危害[4-6].

在不改變系統結構的前提下，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，并取得了較好的經濟效益和環境效益.相比傳統兩電平并網逆變器，三電平并網逆變器具有輸出負載電流諧波少、控制效果好等優點，是中壓大功率逆變器的主要拓撲結構[7-12]，如何將FCS|MPC方法應用于三電平并網逆變器成為當前的研究熱點.FCS|MPC方法基于三電平并網逆變器有限的27種開關組合矢量狀態，通過建立三電平ANPC并網逆變器數學預測模型并采用滾動計算代價函數最優解的方法，選擇使系統定義的目標函數最小的開關狀態作用于逆變器，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、無需脈寬調制等優點[4-5].針對三電平電壓源并網逆變器的中點電壓波動問題，在對三電平ANPC并網逆變器建模過程中，傳統的模型預測控制方法需要對每相開關狀態進行判斷，不能直接采用27種開關狀態，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，其中優化計算部分包含系統跟蹤性和開關損耗優化項的指標函數，通過函數來實施滾動優化以達到控制目的.該方法魯棒性好，在系統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，提高了三電平并網逆變器系統的參數魯棒性，但所辨識的電感參數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化代價函數的三電平ANPC并網逆變器電流預測控制方法，直接以逆變器開關狀態對代價函數進行計算和求值，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并網逆變器建模

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

由圖2可知，三電平ANPC并網逆變器三相可產生27種開關狀態，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.

3 基于優化代價函數的電流預測控制方法

傳統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、直流側兩個電容電壓的絕對值得到代價函數，求得該代價函數的極小值，即得系統最優解，并輸出最佳的開關狀態.但是傳統方法中增加了電容電壓差和開關狀態關系的中間變量，使得三電平并網逆變器系統中點電壓振蕩較高.因此本文直接利用開關狀態與電容電壓差的關系，建立數學模型，優化傳統方法.通過Clark變換，在αβ坐標系下通過系統數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 仿真結果與分析

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

由圖5可知，在某一段時刻，由于ANPC并網逆變器系統中以某一種開關矢量狀態的持續輸出作為最優解，造成這段時間內其中點電壓波動較大;本文優化方法建立的模型直流側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，并且波形整體波動更有規律、更加對稱，說明其27種開關狀態都得到應用.由圖6和圖7可知，傳統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%）;本文優化方法使得三電平ANPC并網逆變器的輸出負載電流諧波畸變率減小至1.14%.

5 實驗結果與分析

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：直流側電源采用MywayAPL-II的可編程雙向直流電源，交流側并網部分采用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果.實驗所用參數與上述仿真參數一致，實驗結果如圖8—9所示.

由圖8可知，優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 結論

本文提出了一種基于優化代價函數的三電平ANPC并網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.仿真和實驗結果表明，本文方法有較好的控制效果，直流側母線電容電壓波動由60 V 降到了1 V以內;改進的有限控制集模型預測控制有良好的穩態性能和優越的動態性能，仿真結果顯示電流諧波畸變率由1.89%降至1.14%，實驗結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.

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