基于優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預(yù)測(cè)控制方法

王楠 竇智峰 李琰琰 武潔

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)三電平有源中點(diǎn)鉗位（ANPC）并網(wǎng)逆變器有限控制集模型預(yù)測(cè)控制存在的計(jì)算流程復(fù)雜、中點(diǎn)電壓波動(dòng)較大、輸出電流諧波較大的問(wèn)題，提出了一種基于優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預(yù)測(cè)控制方法.該方法簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制方法中建立直流側(cè)中點(diǎn)電壓偏移量ΔUdc與三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)Sx中間變量的步驟，在靜止αβ坐標(biāo)系下，利用負(fù)載電流i、ΔUdc與Sx之間的關(guān)系直接建立數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)的實(shí)時(shí)計(jì)算，確定最優(yōu)輸出開(kāi)關(guān)狀態(tài).仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法有效降低了電流諧波畸變率，達(dá)到了抑制中點(diǎn)電壓波動(dòng)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(guān)鍵詞：ANPC并網(wǎng)逆變器;有限控制集模型預(yù)測(cè);中點(diǎn)電壓波動(dòng);三相開(kāi)關(guān)狀態(tài)

Key words：ANPC grid|connected inverter;finite control set model prediction;mid|point voltage fluctuation;three|phase switching state

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-1553（2021）02-0092-10

0 引言

近年來(lái)，隨著能源需求的不斷擴(kuò)大和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益增強(qiáng)，電力領(lǐng)域內(nèi)高轉(zhuǎn)換效率和低諧波含量的分布式可再生能源發(fā)電需求不斷增加.三電平并網(wǎng)逆變器作為電能轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備之一，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電、儲(chǔ)能、微型智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域.三電平有源中點(diǎn)鉗位（ANPC）并網(wǎng)逆變器具有較高的轉(zhuǎn)換效率和靈活的運(yùn)行方式，在太陽(yáng)能發(fā)電、海上風(fēng)力發(fā)電等新型可再生能源的中高壓交流傳動(dòng)、柔性輸電、電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償和吸收等方面都有重要應(yīng)用[1-3].但中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題一直是三電平并網(wǎng)逆變器的研究熱點(diǎn)，具體表現(xiàn)為中點(diǎn)電壓直流偏置和中點(diǎn)電壓低頻紋波增加，進(jìn)而對(duì)電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的可靠性造成嚴(yán)重危害[4-6].

在不改變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，有效的控制策略是解決中點(diǎn)電壓不平衡問(wèn)題的主要方式，其中有限控制集模型預(yù)測(cè)控制（FCS|MPC）方法已經(jīng)在兩電平逆變器領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和深入研究，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益.相比傳統(tǒng)兩電平并網(wǎng)逆變器，三電平并網(wǎng)逆變器具有輸出負(fù)載電流諧波少、控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，是中壓大功率逆變器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[7-12]，如何將FCS|MPC方法應(yīng)用于三電平并網(wǎng)逆變器成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn).FCS|MPC方法基于三電平并網(wǎng)逆變器有限的27種開(kāi)關(guān)組合矢量狀態(tài)，通過(guò)建立三電平ANPC并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)模型并采用滾動(dòng)計(jì)算代價(jià)函數(shù)最優(yōu)解的方法，選擇使系統(tǒng)定義的目標(biāo)函數(shù)最小的開(kāi)關(guān)狀態(tài)作用于逆變器，達(dá)到抑制中點(diǎn)電壓波動(dòng)和減少輸出電流諧波的目的，具有控制簡(jiǎn)單、靈活、無(wú)需脈寬調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)[4-5].針對(duì)三電平電壓源并網(wǎng)逆變器的中點(diǎn)電壓波動(dòng)問(wèn)題，在對(duì)三電平ANPC并網(wǎng)逆變器建模過(guò)程中，傳統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制方法需要對(duì)每相開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判斷，不能直接采用27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其控制流程復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，而且控制效率不高，容易導(dǎo)致逆變器開(kāi)關(guān)損耗的增加和中點(diǎn)電壓的波動(dòng).文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種在線修正分支定界的方法，其中優(yōu)化計(jì)算部分包含系統(tǒng)跟蹤性和開(kāi)關(guān)損耗優(yōu)化項(xiàng)的指標(biāo)函數(shù)，通過(guò)函數(shù)來(lái)實(shí)施滾動(dòng)優(yōu)化以達(dá)到控制目的.該方法魯棒性好，在系統(tǒng)多變量受約束的情況下，減少了高次諧波的含量，但計(jì)算量較大、控制方法較復(fù)雜，對(duì)中點(diǎn)電壓波動(dòng)的控制并不理想.文獻(xiàn)[14]通過(guò)引入基于遞推最小二乘法的電感在線辨識(shí)算法，提高了三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)的參數(shù)魯棒性，但所辨識(shí)的電感參數(shù)與電感實(shí)際值有差異，計(jì)算方法稍顯復(fù)雜.鑒于此，本文擬提出一種基于優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預(yù)測(cè)控制方法，直接以逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)代價(jià)函數(shù)進(jìn)行計(jì)算和求值，以期減少輸出電流的諧波含量，降低中點(diǎn)電壓波動(dòng)，減小總諧波畸變率.

1 三電平ANPC并網(wǎng)逆變器建模

三電平ANPC并網(wǎng)逆變器簡(jiǎn)化電路如圖1所示.由圖1可知，三電平ANPC并網(wǎng)逆變器主體結(jié)構(gòu)為三相，每相包括6個(gè)開(kāi)關(guān)管，其中2個(gè)開(kāi)關(guān)管的中點(diǎn)都連接到直流側(cè)母線電容的中點(diǎn)上.所以，ANPC的每一相相對(duì)于直流側(cè)母線電容中性點(diǎn)產(chǎn)生3個(gè)相位（Udc/2，0，-Udc/2）.以開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量Sx表示x相的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，這里的x∈{a，b，c}，用符號(hào)P、O和N分別表示每相產(chǎn)生的3個(gè)相位.三電平ANPC并網(wǎng)逆變器三相產(chǎn)生的空間矢量相位如圖2所示.

由圖2可知，三電平ANPC并網(wǎng)逆變器三相可產(chǎn)生27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其對(duì)應(yīng)電壓矢量中有8個(gè)冗余矢量（包括2個(gè)冗余零矢量），表1為逆變器某一相的開(kāi)關(guān)狀態(tài).

3 基于優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的電流預(yù)測(cè)控制方法

傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的基本原理是由逆變器輸出電流預(yù)測(cè)值與參考電流值差的絕對(duì)值、直流側(cè)兩個(gè)電容電壓的絕對(duì)值得到代價(jià)函數(shù)，求得該代價(jià)函數(shù)的極小值，即得系統(tǒng)最優(yōu)解，并輸出最佳的開(kāi)關(guān)狀態(tài).但是傳統(tǒng)方法中增加了電容電壓差和開(kāi)關(guān)狀態(tài)關(guān)系的中間變量，使得三電平并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中點(diǎn)電壓振蕩較高.因此本文直接利用開(kāi)關(guān)狀態(tài)與電容電壓差的關(guān)系，建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化傳統(tǒng)方法.通過(guò)Clark變換，在αβ坐標(biāo)系下通過(guò)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型充分利用逆變器的離散化特征進(jìn)行預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì).變換公式可表示為

4 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文基于優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的電流預(yù)測(cè)控制方法的有效性，對(duì)傳統(tǒng)電流預(yù)測(cè)控制方法和本文方法進(jìn)行建模仿真.仿真參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖5—7所示.

由圖5可知，在某一段時(shí)刻，由于ANPC并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中以某一種開(kāi)關(guān)矢量狀態(tài)的持續(xù)輸出作為最優(yōu)解，造成這段時(shí)間內(nèi)其中點(diǎn)電壓波動(dòng)較大;本文優(yōu)化方法建立的模型直流側(cè)中點(diǎn)電壓波動(dòng)顯著減小，由改進(jìn)前的60 V降到了改進(jìn)后的1 V以內(nèi)，并且波形整體波動(dòng)更有規(guī)律、更加對(duì)稱，說(shuō)明其27種開(kāi)關(guān)狀態(tài)都得到應(yīng)用.由圖6和圖7可知，傳統(tǒng)方法的輸出負(fù)載電流波形總體良好，但電流諧波畸變率較高（1.89%）;本文優(yōu)化方法使得三電平ANPC并網(wǎng)逆變器的輸出負(fù)載電流諧波畸變率減小至1.14%.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文方法在實(shí)際工程應(yīng)用中的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：直流側(cè)電源采用MywayAPL-II的可編程雙向直流電源，交流側(cè)并網(wǎng)部分采用Ametek型號(hào)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(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)與上述仿真參數(shù)一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8—9所示.

由圖8可知，優(yōu)化的模型預(yù)測(cè)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(yàn)證了本文方法的有效性.由圖9可知，相比傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測(cè)電流控制方法，本文方法中點(diǎn)電壓波動(dòng)顯著減少，輸出電流諧波畸變率得到控制.

6 結(jié)論

本文提出了一種基于優(yōu)化代價(jià)函數(shù)的三電平ANPC并網(wǎng)逆變器電流預(yù)測(cè)控制方法，建立了三電平ANPC三相逆變器在靜止αβ坐標(biāo)系下直流側(cè)母線電容中點(diǎn)電壓與逆變器輸出電流之間的關(guān)系，并對(duì)傳統(tǒng)有限控制集模型預(yù)測(cè)控制方法和改進(jìn)的有限控制集模型預(yù)測(cè)控制方法進(jìn)行對(duì)比.仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法有較好的控制效果，直流側(cè)母線電容電壓波動(dòng)由60 V 降到了1 V以內(nèi);改進(jìn)的有限控制集模型預(yù)測(cè)控制有良好的穩(wěn)態(tài)性能和優(yōu)越的動(dòng)態(tài)性能，仿真結(jié)果顯示電流諧波畸變率由1.89%降至1.14%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示電流諧波畸變率由3.72% 降至3.34%.本文只針對(duì)單個(gè)目標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，為了得到更好的控制效果，今后可以進(jìn)行多個(gè)目標(biāo)同時(shí)預(yù)測(cè)控制研究.

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