三相四開(kāi)關(guān)容錯(cuò)變換器調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略

呂恒志 張濤 章凱旋 何帥彪 金楠

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)三相四開(kāi)關(guān) TPFS容錯(cuò)變換器單矢量控制電流跟蹤精度不夠、易導(dǎo)致電流總諧波失真THD較大的問(wèn)題，提出了一種TPFS容錯(cuò)變換器在αβ靜止坐標(biāo)系下調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略.該策略基于TPFS容錯(cuò)變換器運(yùn)行機(jī)理建立了αβ靜止坐標(biāo)系a相故障電流預(yù)測(cè)模型，將TPFS容錯(cuò)變換器4個(gè)電壓矢量?jī)蓛山M合，用調(diào)制模型預(yù)測(cè)原理計(jì)算每個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間以減少計(jì)算量，每個(gè)控制周期選擇并使用兩個(gè)電壓矢量以減小電流紋波.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該策略的可行性和有效性，TPFS容錯(cuò)變換器控制跟蹤精度得到了改善，降低了電流諧波，保證了TPFS容錯(cuò)變換器的持續(xù)運(yùn)行.

Abstract：Aimed at the problem that the single|vector control current tracking accuracy of three|phase four|switch （TPFS） converter was not enough， which will lead to the total harmonic distortion （THD）， a TPFS fault|tolerant converter modulation model predictive control strategy was proposed in αβ stationary coordinate system. This strategy established the current prediction model under a|phase fault in αβ stationary coordinate system based on the operating mechanism of TPFS fault|tolerant converter. The four voltage vectors of TPFS fault|tolerant converter were combined with each other，and the action time of each voltage vector was calculatedby the modulation model prediction principle to reduce the calculation amount. Two voltage vectors were selected and used in each control period to reduce the current ripple. Simulation and experimental results showed that the feasibility and effectiveness of the proposed strategy.The tracking accuracy of the TPFS fault|tolerant converter was improved， the current harmonics were reduced， and the TPFS fault|tolerant converter was guaranteed to continue to operate.

關(guān)鍵詞：TPFS容錯(cuò)變換器;模型預(yù)測(cè)控制;總諧波失真

Key words：three|phase four|switch fault|tolerant converter;model predictive control;total harmonic distortion（THD）

中圖分類號(hào)：TM712文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.04.013

文章編號(hào)：2096-1553（2019）04-0087-09

0 引言

雙向交直流變換器作為雙向電能轉(zhuǎn)換的核心部件，一旦出現(xiàn)故障將會(huì)造成電源與電網(wǎng)的解列，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊.

因此，為保證混合微電網(wǎng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，對(duì)雙向交直流變換器故障容錯(cuò)機(jī)制及控制方法的研究具有重要意義[1-5].

為了實(shí)現(xiàn)變換器容錯(cuò)運(yùn)行，通常在雙向交直流變換器發(fā)生故障時(shí)，將變換器構(gòu)造成三相四開(kāi)關(guān)TPFS（three|phases four|switches）容錯(cuò)變換器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是將故障與直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連，使變換器可以在出現(xiàn)故障的情況下安全穩(wěn)定地運(yùn)行[6-9].模型預(yù)測(cè)控制是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一類控制算法，它采用多步測(cè)試、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正等控制策略，具有魯棒性高、動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)[10]，被廣泛應(yīng)用于同步電機(jī)、有源濾波器APF（active power filter）、并網(wǎng)逆變器等電力、電子領(lǐng)域[11].模型預(yù)測(cè)控制具有良好的自適應(yīng)性，勿需使用鎖相環(huán)和PWM調(diào)制，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快[12-13].文獻(xiàn)[14]采用模型預(yù)測(cè)電流控制，對(duì)模型預(yù)測(cè)的基本原理和工作過(guò)程進(jìn)行了具體分析.文獻(xiàn)[15]提出一種模型預(yù)測(cè)控制分層控制策略，對(duì)輸出電流及電容電壓等進(jìn)行分層控制，驗(yàn)證了模型預(yù)測(cè)控制策略優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能.但文獻(xiàn)[14-15]使用的是單矢量預(yù)測(cè)控制，電流控制精度不夠，電流諧波較大.文獻(xiàn)[16]研究了基于多電壓矢量的模型預(yù)測(cè)控制策略來(lái)控制雙向AC/DC轉(zhuǎn)換器，并且實(shí)現(xiàn)了令人滿意的控制性能.但是其計(jì)算較為復(fù)雜，且計(jì)算量大.為了減少計(jì)算量，文獻(xiàn)[17]提出了一種模型預(yù)測(cè)方法來(lái)控制雙向交直流故障容錯(cuò)轉(zhuǎn)換器，然而，由于每個(gè)控制周期僅使用一個(gè)電壓矢量，所以電流紋波非常大.

為了減小TPFS容錯(cuò)變換器電流紋波，減小計(jì)算量，進(jìn)而提高電流跟蹤精度，降低電流諧波，本文擬提出一種TPFS容錯(cuò)變換器在αβ靜止坐標(biāo)系下調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略，以期提高變換器的運(yùn)行可靠性和控制性能，保證TPFS容錯(cuò)變換器持續(xù)運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行.

1 TPFS容錯(cuò)變換器故障容錯(cuò)模型

雙向交直流變換器常見(jiàn)的故障類型有直流母線接地短路、直流母線電容短路、功率器件觸發(fā)脈沖丟失、功率器件短路、開(kāi)路、橋臂短路、輸出交流側(cè)開(kāi)路、相間短路和單相對(duì)地短路等.假設(shè)a相發(fā)生故障后，重新構(gòu)建的TPFS容錯(cuò)變換器結(jié)構(gòu)如圖1所示，變換器通過(guò)濾波電感L，線路電阻R與電網(wǎng)相連，另一端由兩個(gè)電容值相等的電容器C1和C2作為級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的直流側(cè).在故障容錯(cuò)結(jié)構(gòu)下，變換器成為僅有4個(gè)開(kāi)關(guān)的器件[18-20].

4 仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文TPFS容錯(cuò)變換器調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略性能，將其與文獻(xiàn)[14]中傳統(tǒng)的單矢量TPFS容錯(cuò)變換器控制策略進(jìn)行仿真對(duì)比.仿真環(huán)境為Matlab/Simulink，設(shè)定a相發(fā)生故障，仿真系統(tǒng)參數(shù)為Udc=400 V，L=50 mH，e=110 V，Ts=100 μs，R=0.05 Ω.

傳統(tǒng)控制策略和本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖6所示.由圖6可知，傳統(tǒng)方案中發(fā)生橋臂故障后因?yàn)閱问噶扛櫨炔粔?，三相電流諧波失真較大，仿真輸出電流總諧波失真THD（total harmonic distortion）為6.55%;而相比單矢量跟蹤，運(yùn)用本文策略跟蹤精度得到了改善，諧波失真明顯減小，仿真輸出電流THD=2.65%.

傳統(tǒng)控制策略和本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略的動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果如圖7所示，電流采用5—10 A的跳變.對(duì)比圖7a）與圖7b）可知，電流由5 A經(jīng)過(guò)0.05 s后跳變?yōu)?0 A，采用調(diào)制模型預(yù)測(cè)電流響應(yīng)速度得到改善，且電流諧波失真明顯減小.

傳統(tǒng)控制策略和本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略的電流紋波對(duì)比如圖8所示.由圖8可知，當(dāng)電流參考值為5 A時(shí)，傳統(tǒng)控制策略輸出電流THD=6.55%，本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略輸出電流THD=2.65%.由于本文采用雙矢量控制，因此電流控制跟蹤精度得到改善，輸出電流明顯低于傳統(tǒng)方案的THD，且達(dá)到并網(wǎng)要求.

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證變換器的工作性能和調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略的有效性，進(jìn)行單矢量模型預(yù)測(cè)控制和調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制TPFS雙向交直流變換器穩(wěn)態(tài)及動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中a相為故障相.實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用Myway的APL-Ⅱ 型可編程雙向直流電源來(lái)作為直流側(cè)，采用Ametek的可編程交流電源來(lái)模擬交流反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，實(shí)驗(yàn)參數(shù)均與仿真參數(shù)一致.

4.2.1 穩(wěn)態(tài)分析

電流為5 A和10 A時(shí)，傳統(tǒng)控制策略和本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略的電流波形如圖9所示.由圖9可看出，傳統(tǒng)控制策略的控制精度不夠，電流諧波失真較大;本文控制策略三相電流相比單矢量跟蹤精度得到了改善，諧波失真明顯減小.

4.2.2 動(dòng)態(tài)分析

變換器工作在逆變模式時(shí)，能量由直流側(cè)流向電網(wǎng)側(cè)，某一時(shí)刻給定電流由5 A跳變到10 A，此時(shí)傳統(tǒng)控制策略和本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.由圖10可見(jiàn)，傳統(tǒng)控制策略在跳變過(guò)程中電流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢且電流產(chǎn)生了小的畸變;本文下電流很快達(dá)到給定值，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快，從而驗(yàn)證了良好的動(dòng)態(tài)性能.

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，TPFS容錯(cuò)變換器在傳統(tǒng)控制方案下，單矢量跟蹤精度不夠，三相電流

諧波失真較大，而采用本文調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制策略能夠保證變換器連續(xù)可靠運(yùn)行.實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出策略的有效性.

5 結(jié)語(yǔ)

為保證TPFS容錯(cuò)變換器持續(xù)運(yùn)行，提高變換器運(yùn)行可靠性和控制性能，本文提出了一種雙電壓矢量的模型預(yù)測(cè)控制策略.該策略基于TPFS容錯(cuò)轉(zhuǎn)換器的4個(gè)基本電壓矢量定義4個(gè)電壓矢量組合，采用調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制原理計(jì)算每個(gè)電壓矢量的持續(xù)時(shí)間，從而進(jìn)行模擬研究.理論分析和仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果均驗(yàn)證了該策略的可行性和有效性，以及具有電流THD較低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的控制性能.

此外，采用該策略增加了TPFS容錯(cuò)變換器的穩(wěn)定性，提高了電能質(zhì)量，從而降低了線路損耗，保障了電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性.

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