混合控制方法的三電平整流器

賀婭莉， 戴成梅， 支聯(lián)合， 郭艷花

(周口師范學(xué)院 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，河南 周口 466000)

0 引 言

三電平整流器由于具有低成本、低電流諧波和低電壓應(yīng)力和高效率等優(yōu)勢得到關(guān)注[1-3]，其已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中[4-7]。目前，針對三電平整流器的研究主要包括調(diào)制策略和控制策略兩部分，調(diào)制策略主要包括空間矢量調(diào)制和載波調(diào)制兩部分[8-12]。文獻(xiàn)[8]中針對基于LCL濾波器的三電平整流器，提出空間矢量調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡控制。文獻(xiàn)[10]中提出DPWM方法實(shí)現(xiàn)T型三電平整流器的開關(guān)損耗和中點(diǎn)平衡控制。文獻(xiàn)[11]根據(jù)空間矢量調(diào)制和載波調(diào)制方法的等效性，提出載波調(diào)制方法。文獻(xiàn)[12]中提出了DPWM方法實(shí)現(xiàn)三電平維也納整流器開關(guān)損耗抑制。

在控制方面，文獻(xiàn)[13]中采用PI控制器實(shí)現(xiàn)d軸和q軸電流控制。文獻(xiàn)[14]中提出單周控制實(shí)現(xiàn)三電平整流器控制，但是該方法的電壓利用率低，而且該方法沒有涉及中點(diǎn)電位平衡控制。為了解決該問題，文獻(xiàn)[15]中提出一種改進(jìn)的單周控制，該方法不僅提高了電壓利用率，而且增加了中點(diǎn)電位平衡控制。

模型預(yù)測控制由于具有快速性和控制簡單等優(yōu)勢在風(fēng)力發(fā)電等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，文獻(xiàn)[16]中將其應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電永磁同步發(fā)電系統(tǒng)，采用模型預(yù)測控制+空間矢量調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的控制。但是上述方法未將其應(yīng)用到T型三電平整流器的相關(guān)報(bào)道。

本文針對T型三電平整流器提出一種PI+模型預(yù)測控制方法。內(nèi)環(huán)有限集模型預(yù)測控制采用電流和中點(diǎn)電位電壓控制；外環(huán)采用PI控制器實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓控制。該方法和傳統(tǒng)的方法相比，不僅需要較少的PI參數(shù)，而且具有動態(tài)響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。最后，通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了提出模型預(yù)測控制能夠同時實(shí)現(xiàn)T型三電平整流器的電流快速跟蹤和中點(diǎn)平衡控制。

1 三電平整流器建模

T型三電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，包括電網(wǎng)電壓、三相濾波電容、T型三電平拓?fù)湟约澳妇€電容。T型三電平整流器的輸出接負(fù)載。以直流側(cè)的N點(diǎn)為參考點(diǎn)，T型三電平整流器在三相靜止坐標(biāo)系下的關(guān)系為：

(1)

式中：ia,ib,ic分別為T型三電平整流器的輸入電流；ua,ub,uc是電網(wǎng)電壓；uNO為直流側(cè)中點(diǎn)到電網(wǎng)中性點(diǎn)N點(diǎn)電壓；uiN為T型三電平整流器三相輸入電壓。

圖1 T型三電平整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)T型三電平整流器的控制，首先需要將式(1)坐標(biāo)變換做clark變換:將abc變換到靜止α-β坐標(biāo)軸下的關(guān)系式為

(2)

T型三電平整流器的電網(wǎng)電壓矢量、電流矢量、輸出電壓矢量表示為[1]：

(3)

式中，a=ej2/3π。

T型三電平整流器的輸入電流離散化可表示為

(4)

將式(4)代入(2)離散化為：

(5)

T型三電平整流器的輸出延遲會影響控制器的準(zhǔn)確控制，故本文的有限集模型預(yù)測控制需要考慮延遲，新的表達(dá)式為：

(6)

式中：u1(k+1),i(k+1)通過拉格朗日插值表示為：

(7)

為了控制T型三電平整流器的輸入電流，本文設(shè)計(jì)的價值函數(shù)為1：

(8)

由式(8)可以看出，通過價值函數(shù)能夠跟蹤給定電流。但是T型三電平整流器存在中點(diǎn)電位不平衡問題，因此本文在上述基礎(chǔ)上加上中點(diǎn)電位平衡控制。

2 T型三電平整流器雙環(huán)控制

T型三電平整流器的控制目標(biāo)包括：①輸入電流正弦；②獲取中點(diǎn)電位平衡；③獲得期望的輸出電壓。本文提出的控制框圖如圖2所示，外環(huán)是PI控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是有限集模型預(yù)測控制。

圖2 本文方法控制流程圖

2.1 外環(huán)PI控制

2.2 內(nèi)環(huán)預(yù)測控制

有限集模型預(yù)測控制不需要調(diào)制策略和PI控制，故該方法可以快速地跟蹤給定電流和保持中點(diǎn)電壓平衡。首先，需要控制輸入電流，價值函數(shù)如式(8)所示；其次，需要控制中點(diǎn)電位平衡。

T型三電平整流器根據(jù)幅值能夠分為6個大矢量、6個中矢量和12個小矢量以及3個零矢量，共27個矢量。圖3為T型三電平整流器空間矢量圖，表1為T型三電平整流器的開關(guān)狀態(tài)以及電壓幅值。

圖3 T型三電平整流器空間矢量圖

對于矢量來說，可以根據(jù)上、下側(cè)電容的電壓幅值來選擇相應(yīng)的矢量控制中點(diǎn)電位。本文采用有限集模型預(yù)測控制，通過實(shí)時控制小矢量的選取，實(shí)現(xiàn)T型三電平整流器中點(diǎn)電位平衡控制，如圖4所示。

假設(shè)T型三電平整流器矢量位于I大區(qū)1小區(qū)，T型三電平整流器的上側(cè)電容大于下側(cè)電容電壓，選擇N型小矢量，這時會減少上側(cè)電容電壓，增加下側(cè)電容電壓，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡，如圖4(a)所示。T型三電平整流器的上側(cè)電容小于下側(cè)電容電壓，選擇P型小矢量，這時會減少下側(cè)電容電壓，增加上側(cè)電容電壓，實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)平衡控制，如圖4(b)所示。

T型三電平整流器的輸出矢量為零矢量[OOO]和大矢量[PNN]時，這不會影響中點(diǎn)電位，如圖4(c)和(d)所示；T型三電平整流器的輸出矢量為中矢量[PON]和[PNO]，其對上側(cè)電容電壓和下側(cè)電容電壓的影響和電流方向有關(guān)，因此可以通過小矢量對其控制，如圖4(e)和(f)所示。

(a) 冗余小矢量[POO](b) 冗余小矢量[ONN](c) 零矢量[OOO](d) 大矢量[PNN](e) 中矢量[PON](f) 中矢量[PNO]

圖4 T型三電平整流器開關(guān)狀態(tài)對中電電位影響

為了實(shí)現(xiàn)跟蹤電流和中點(diǎn)平衡控制，式(8)價值函數(shù)變換為：

(9)

式中：λ為權(quán)重因子，本文λ=0.2；uP和uN分別為上側(cè)電容電壓和下側(cè)電容電壓。通過該價值函數(shù)可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電流跟蹤和中點(diǎn)電位平衡控制。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

T型三電平整流器系統(tǒng)由三相濾波電感、T型三電平整流器、母線電容以及電阻組成，通過Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證算法的正確性。仿真參如下：ua、ub、uc220 V,電網(wǎng)頻率50 Hz,直流側(cè)電壓600 V/800 V,直流側(cè)電容3.3 mF,濾波器8 mH,權(quán)重系數(shù)0.2。

當(dāng)t=0.16 s時，為了測試動態(tài)性能，直流側(cè)電壓從600 V升到800 V。圖5為傳統(tǒng)方法和提出方法直流側(cè)電壓和輸入電流對比波形。通過對比可以看出，輸入電流和直流側(cè)電壓能夠快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6為T型三電平整流器給定電流為20 A時傳統(tǒng)方法和提出方法的仿真波形。通過仿真可以看出，提出方法的中點(diǎn)電位波動比傳統(tǒng)方法波形小，而且線電壓波形良好。

為了驗(yàn)證本文提出雙閉環(huán)控制的正確性，本文搭建了一臺10 kW T型三電平整流器的樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓220 V,電網(wǎng)頻率50 Hz，直流側(cè)電壓600 V/800 V，直流側(cè)電容3.3 mF，濾波器8 mH，死區(qū)時間2.5 μs，權(quán)重系數(shù)0.2。T型三電平整流器系統(tǒng)由三相濾波電感、T型三電平整流器、母線電容以及電阻組成。

圖7為采用傳統(tǒng)方法和提出方法輸入電流和電網(wǎng)電壓對比波形。通過實(shí)驗(yàn)可以看出，兩種方法均能快速跟蹤給定電流，但是本文提出方法THD較小。

(a) 傳統(tǒng)算法

(b) 本文算法

(a) 傳統(tǒng)算法

(b) 本文算法

圖8為T型三電平整流器給定電流為15 A時本文提出方法的實(shí)驗(yàn)波形，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，提出方法的線電壓波形為標(biāo)準(zhǔn)的五電平波形。

(a) 傳統(tǒng)算法(b) 提出算法

圖7 T型三電平整流器電網(wǎng)電壓和輸入電流波形

圖9為T型三電平整流器給定電流為15 A時提出方法的三相電流波形，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，提出方法的電流波形THD較小。

圖8 采用本文提出法的T型三電平整流器線電壓和電流波形圖9 采用本文提出法的T型三電平整流器輸入電流波形

4 結(jié) 語

針對T型三電平整流器，首先對T型三電平建模，然后提出雙閉環(huán)控制，外環(huán)采用PI控制，內(nèi)環(huán)采用模型預(yù)測控制，PI控制的輸出作為有功電流給定，預(yù)測控制函數(shù)包括中點(diǎn)電位平衡控制以及電流跟蹤控制。仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法具有快速的電流跟蹤和中點(diǎn)平衡控制。