有源中點鉗位型三電平并網逆變器多目標優化預測控制

李倩倩 夏蓉花 劉 戰 鄧 斌 夏正龍

有源中點鉗位型三電平并網逆變器多目標優化預測控制

李倩倩1夏蓉花2劉 戰3鄧 斌3夏正龍3

（1. 江蘇師范大學科文學院，江蘇 徐州 221000； 2. 江蘇職業安全技術學院，江蘇 徐州 221000； 3. 江蘇師范大學電氣工程及自動化學院，江蘇 徐州 221000）

有源中點鉗位型（ANPC）三電平變換器作為并網逆變器能夠實現功率器件的熱損耗平衡，適用于光伏發電系統。針對傳統中點鉗位型（NPC）三電平并網逆變器開關管發熱不均衡等問題，本文提出一種ANPC三電平并網逆變器的多目標模型優化預測控制方法，基于三電平輸出的開關狀態需要遵循單位電平跳變的原則，剔除不符合跳變原則的開關狀態，減少模型滾動優化的次數。針對開關管的發熱不均衡問題，根據ANPC三電平并網逆變器的結構特點，通過對開關管的開通和關斷損耗進行線性擬合，實時計算各開關管的功率損耗，把各開關管的不均衡損耗加入目標價值函數以實現不均衡損耗的最小化。最后通過ANPC三電平并網逆變器直接功率控制的實驗結果驗證了所提控制方法的正確性和有效性。

有源中點鉗位型（ANPC）三電平并網逆變器；多目標優化；預測控制；均衡損耗

0 引言

在光伏發電系統中，有源中點鉗位型（active neutral-point-clamped, ANPC）三電平并網逆變器相比傳統二極管鉗位式三電平并網逆變器可輸出多種零開關狀態，能夠平衡橋臂中各開關管的功率損耗，實現并網逆變器更大功率的輸出[1-3]。

自從Jose Rodriguez把有限控制集模型預測控制理論應用于兩電平逆變裝置以來，預測控制在電力電子變換器領域得到了廣泛關注[4-7]。模型預測直接功率控制應用在三電平并網逆變器領域具有功率響應快、能夠實現多目標優化等特點[8-10]。但當模型預測控制應用于多電平變換器時，整個模型預測滾動優化的次數和運算時間也隨之增加。因此傳統預測控制的通用性受到限制[11]。

針對中點鉗位型（neutral-point-clamped, NPC）三電平變換器各開關管功率損耗不平衡的問題，本文以ANPC三電平逆變器為研究對象，提出一種多目標模型優化預測控制（multi-objective optimal model predictive control, MO2-MPC）方法，有效減少了模型預測滾動優化的次數，并縮短整個預測控制的計算時間，同時在目標價值函數中還考慮了開關管功率損耗的問題，實現ANPC三電平并網逆變器各開關管的損耗均衡，進而達到增大裝置輸出功率的目的。最后通過仿真和實驗對所提控制方法進行驗證。

1 ANPC三電平并網逆變器數學模型

ANPC三電平并網逆變器拓撲結構如圖1所示。圖1中，a、b、c為交流網側電壓，s為三相進線電感，s為網側雜散電阻，up和down分別為上、下母線電容，v為光伏陣列。

圖1 ANPC三電平并網逆變器拓撲結構

表1為ANPC三電平并網逆變器開關狀態。相比NPC三電平并網逆變器，ANPC三電平并網逆變器在輸出0電平時多出三組開關狀態。其中，=a, b, c。

表1 ANPC三電平并網逆變器開關狀態

設三相電網電壓理想，系統在兩相靜止ab坐標系下的電壓方程為

式中：s、s為并網逆變器交流側電感和網側雜散電阻；a,b為電網電壓在ab坐標系下的分量；a,b為并網逆變器交流側電壓在ab坐標系下的分量；a,b為網側電流在ab坐標系下的分量。

設中點電位偏差o=up-down，則中點電位的電壓通過輸出的開關狀態可以描述為

式中：為直流側半母線電容，且=up=down；a、b為并網逆變器輸出的三相開關狀態在ab坐標系下的分量。

設微處理器采樣間隔周期為s，根據前項差分原理對式（1）和式（2）的微分項進行離散化可推出

式中，為系統第次采樣。

把式（3）代入式（1），前推一拍，忽略雜散電阻的影響，可推出a,b第+1次的預測值為

式中，a,b(+1)為第+1次電網電壓在ab坐標系下的分量值。采用二階外推法對+1時刻的a,b進行在線預測，可有效減少數字控制系統的延時問題。

同理，由式（2）和式（4）可得三電平中點電位離散化的預測模型，即

2 ANPC三電平并網逆變器MO2-MPC 原理

2.1 ANPC三電平并網逆變器滾動優化控制

MO2-MPC在兩個方面進行了優化：①利用二階外推法對電網電壓進行在線預測，減少數字控制系統的延時問題；②對預測模型的滾動進行優化。圖2為三電平并網逆變器電平狀態優化圖，圖中虛線代表無效的電平切換狀態，實線代表有效的電平切換狀態。

圖2 三電平并網逆變器電平狀態優化

篩選方法如下：如果第+1次采樣時刻三相輸出的電平狀態分別為a(+1)、b(+1)、c(+1)，則第+1次采樣時刻并網逆變器輸出的線電壓電平跳變ab(+1)、bc(+1)、ca(+1)為

式中，abs( )為絕對值函數。

如果并網逆變器輸出的線電壓電平跳變ab(+1)、bc(+1)、ca(+1)存在任意一個電平跳變的幅值大于2，則此電平狀態為無效電平，不再進入模型的滾動優化。以當前電平狀態(0, 0, 0)為例，優化前所需滾動的優化次數是33=27次，而優化后所需的滾動優化次數為15次，滾動次數減少近一半，處理器的運行時間也將縮短近一半。圖3為三電平并網逆變器滾動優化控制的流程。

圖3 三電平并網逆變器滾動優化流程

2.2 ANPC三電平并網逆變器開關管損耗均衡控制

根據某型號IGBT參數擬合出的開通與關斷所產生的能量on、off與集電極電流c的關系，如圖4所示。

圖4 IGBT損耗擬合曲線

所得擬合方程為

以A相開關管Sa1為例，其功率損耗為

ANPC三電平并網逆變器的平均開關損耗為

其功率損耗的方均根值為

2.3 ANPC三電平并網逆變器多目標模型優化預測控制

三電平并網逆變器在兩相靜止ab坐標系中的瞬時功率為

式中，(+1)、(+1)分別為系統在第+1次采樣時刻的預測值。根據系統的有功功率、無功功率及中點電位偏差的給定值與實際值的偏差建立三電平并網逆變器目標價值函數為

式中：P、Q、o、S分別為有功功率、無功功率、中點電位偏差及平均損耗的加權系數，用于調整所需控制目標在目標價值函數中的比重；*(1)、*(1)分別為系統有功功率與無功功率的給定值。

基于前述控制方法，ANPC三電平并網逆變器MO2-MPC框圖如圖5所示。

3 實驗驗證

針對上述控制方法，通過Matlab仿真及搭建ANPC三電平并網逆變器實驗平臺分別進行了控制算法的仿真和實驗驗證。仿真和實驗參數為：交流側線電壓有效值260V，電抗器1.5mH，直流側上、下母線電容均為4 000mF，直流電壓給定450V，采樣間隔s=0.1ms。

圖6為MO2-MPC穩態時直流母線電壓dc、網側電壓a、網側電流a及A相端口電壓ao實驗波形，從波形上看，直流母線電壓平穩、波動較小，網側電壓、電流同相位，電流正弦度較高，對電網污染小，A相端口電壓沒有出現過高電平跳變，同時可以看出整個系統的開關頻率也較低。

圖7為MO2-MPC動態實驗波形，從波形上看當并網功率突變時，dc經過較小跌落后能夠迅速恢復到給定值，同時有功功率也能夠迅速達到穩定狀態，表明控制算法具有快速的動態響應能力。

圖8為并網逆變器網側電流諧波的頻譜，網側電流總諧波含量僅為3.3%，滿足國家相關標準，說明本文所采用的多目標優化控制策略能夠很好地控制網側電流的波形質量。

圖9為使用本文所提算法前后IGBT損耗對比實驗圖，從實驗數據柱狀圖對比可以看出，本文所提算法能夠降低損耗。

圖5 ANPC三電平并網逆變器MO2-MPC框圖

圖6 MO2-MPC穩態時相關電壓電流的實驗波形

圖7 MO2-MPC動態實驗波形

圖8 并網逆變器網側電流諧波頻譜

圖9 使用本文所提算法前后IGBT損耗對比圖

4 結論

通過提出和分析ANPC三電平并網逆變器MO2- MPC的控制原理，給出了MO2-MPC實現的具體方法，采用MO2-MPC可以有效減少模型預測滾動優化的次數，大大減少了處理器所需的運算時間，同時很好地實現了三電平并網逆變器的單位功率因數控制，系統具備很好的動靜態性能；通過對ANPC三電平并網逆變器各開關管的損耗情況進行分析建模，推導了各開關管功率損耗的均衡計算公式，最后通過實驗結果進一步驗證了上述所提控制方法的有效性，達到了預期的實驗效果，證明了控制算法的正確性。

[1] 季寧一, 趙濤, 徐友, 等. T型三電平并網逆變器的設計與實現[J]. 電氣技術, 2018, 19(8): 11-15.

[2] 張興, 張崇巍. PWM并網逆變器及其控制[M]. 北京:機械工業出版社, 2012.

[3] 陳寧寧, 宋子豪, 汪澤州. 模型預測控制在光伏并網逆變器中的應用[J]. 電氣技術, 2017, 18(4): 79-83.

[4] PAPAFOTIOU G, KLEY J, PAPADOPOULOS K G, et al. Model predictive direct torque control-part II: implementation and experimental evaluation[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(6): 1906-1915.

[5] 鄭澤東, 王奎, 李永東, 等. 采用模型預測控制的交流電機電流控制器[J]. 電工技術學報, 2013, 28(11): 118-123.

[6] 閆涵, 呂建國, 丁金勇, 等. 非理想電網下NPC三電平逆變器多目標模型預測控制方法研究[J]. 電氣工程學報, 2019, 14(3): 23-32.

[7] 梁營玉, 張濤, 劉建政, 等. 模型預測控制在MMC- HVDC中的應用[J]. 電工技術學報, 2016, 31(1): 128-138.

[8] 曹曉冬, 譚國俊, 王從剛, 等. 三電平PWM并網逆變器多模型預測控制方法[J]. 電工技術學報, 2014, 29(8): 142-150.

[9] 羅德榮, 姬小豪, 黃晟, 等. 電壓型PWM并網逆變器模型預測直接功率控制[J]. 電網技術, 2014, 38(11): 3109-3114.

[10] 楊捷, 顧冬冬, 孫明浩, 等. 三相光伏并網逆變器多目標優化模型預測控制[J]. 電力系統保護與控制, 2016, 44(15): 112-119.

[11] BARROS J D, SILVA J F A, JESUS E G A. Fast- predictive optimal control of NPC multilevel con- verters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(2): 619-627.

Multi-objective optimal model predictive control for active neutral-point-clamped three-level inverter

LI Qianqian1XIA Ronghua2LIU Zhan3DENG Bin3XIA Zhenglong3

(1. Jiangsu Normal University Kewen College, Xuzhou, Jiangsu 221000; 2. Jiangsu College of Safety Technology, Xuzhou, Jiangsu 221000; 3. School of Electrical Engineering & Automation, Jiangsu Normal University, Xuzhou, Jiangsu 221000)

Active neutral-point-clamped (ANPC) three-level converter, as a grid-connected inverter, can realize the heat loss balance of power devices and is suitable for photovoltaic power generation system. Aiming at the unbalanced heating of switches in traditional neutral-point-clamped (NPC) three-level grid connected inverter, a multi-objective optimal model predictive control (MO2- MPC) method for ANPC three-level grid connected inverter is proposed, using the principle that three-level output switch state needs to follow the unit level jump to exclude the switch state which doesn’t follow the principle and reduce the number of model optimization. According to the structural characteristics of ANPC three-level grid-connected inverter, the power loss of each switch is calculated in real time by linear fitting of the on and off losses of switches, and the unbalanced loss of each switch is added to the objective value function to minimize the unbalanced loss. Finally, the correctness and effectiveness of the proposed control method are verified by the experimental results of direct power control of ANPC three-level grid-connected inverter.

active neutral-point-clamped (ANPC) three-level grid-connected inverter; multi- objective optimization; predictive control; equalization loss

國家自然科學基金（51707086，51907083）

2020-10-26

2020-12-13

李倩倩（1983—），女，講師，主要研究方向為電力電能治理。