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，既不需要滯環比較器也不需要開關表，提高了輸入電流質量，也實現了有功功率、無功功率和中性點電壓的平滑調節。最后，通過Matlab/Simulink仿真結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，功率轉換器廣泛應用于工業部門、交通部門、可再生能源系統、電力系統等多個領域。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、開關電壓應力小等優點，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、電機驅動和可再生能源系統等許多領域得到了應用[2-4]。FCS-MPC具有多個優點，例如消除了線性PI控制器和調制解調器。

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，旨在消除傳統的開關表式直接功率控制策略的缺點，提高系統的整體性能，即消除無功功率波動，精準調節有功功率、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整流器拓撲結構如圖1所示，電網電壓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電流，v為整流器輸出電壓。系統數學模型可表示為：

e=Ri+L+v（1）

系統輸出復功率S可由有功功率P、無功功率Q、電網電壓e和電網電流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，是對系統模型中待控制變量的未來行為進行預測。根據三電平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的導數為：

=

[（|e|2-Re（v×e）]-

P-ωQ，

=

Im（-v×e）-

Q+ωP（4）

將式（4）轉化為d-q坐標系下的導數：

=

[ed 2-vded]-

edid-

ωediq，

=

[edeq-vqed]-

ediq+

ωedid（5）

設系統采樣周期為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整流器的開關狀態。

將式（8）離散化求得一階導數后展開，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。為實現這些控制目標，設定價值函數：

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。系統仿真參數為：電網電壓e=170 V，濾波器電阻R=0.3 Ω，濾波器電感L=0.01 H，系統頻率f=50 Hz，負載電阻RL=60 Ω，直流側電容C1=C2=680 μF，直流側電壓Udc=500 V。

為了評估整個系統的動穩態性能，將所提控制策略試驗結果與文獻[5]提出的傳統開關表式直接功率控制試驗結果進行了對比。設定在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分別為基于開關表的直接功率控制策略仿真結果和所提基于預測控制的直接功率控制策略仿真結果。

從圖3可以看出，采用傳統的基于開關表策略的直接功率控制方法，無功功率波形會出現異常波動，直流側上端電容電壓Udc1和下端電容電壓Udc2控制不夠精準，輸入整流器電流質量不是很高，波形畸變較高，穩態運行、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，在穩態運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時，系統有功功率、無功功率、直流母線電壓、直流側上端電容電壓Udc1和下端電容電壓Udc2均能跟隨參考值精準變化，具有很好的動穩態性能。同時，輸出波形畸變率低，穩態運行、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開關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，表現出了很高的動穩態性能，具有很好的工業應用價值。

[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——現狀與挑戰[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的風力發電系統低電壓穿越技術研究[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：發輸變電工程及高電壓技術。