T型三電平并網(wǎng)變換器電流重構(gòu)模型預測控制策略

吳振軍，謝 歡，代東任，郭磊磊，肖 晗，李誠帥

T型三電平并網(wǎng)變換器電流重構(gòu)模型預測控制策略

吳振軍1，謝 歡1，代東任1，郭磊磊1，肖 晗1，李誠帥2

(1.鄭州輕工業(yè)大學電氣信息工程學院, 河南 鄭州 450002；2.河南九域恩湃電力技術(shù)有限公司，河南 鄭州 450052)

T型三電平變換器是連接新能源和電網(wǎng)的關(guān)鍵設(shè)備，其電流傳感器故障會導致控制策略失效，影響并網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。為提高T型三電平并網(wǎng)變換器可靠性，提出一種基于電流重構(gòu)的模型預測控制策略。該策略分析相電流和電壓矢量之間的關(guān)系，分別用直流電流、正常相電流和預測電流重構(gòu)故障電流。重構(gòu)故障電流所需的電壓矢量按照重構(gòu)方法分成兩個電壓矢量集合。連續(xù)使用預測電流重構(gòu)故障相電流會導致重構(gòu)電流積累誤差。因此需要檢測當前時刻電壓矢量集合，確保下一時刻選擇不同的電壓矢量集合，避免重構(gòu)電流積累誤差。實驗結(jié)果表明，在電流傳感器故障后，所提策略可使T型變換器容錯運行且并網(wǎng)電流擁有較低的電流總諧波失真率，提高了并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性。

T型三電平變換器；傳感器故障；電流重構(gòu)；模型預測；矢量集合

0 引言

提高并網(wǎng)變換系統(tǒng)故障容錯運行能力可有效提高電力電子裝置的可靠性，為實現(xiàn)“雙碳”目標構(gòu)建重要保障。在新能源并網(wǎng)應用領(lǐng)域，T型三電平并網(wǎng)變換器能實現(xiàn)新能源發(fā)電到電網(wǎng)的電能轉(zhuǎn)換，是連接“源-網(wǎng)”的關(guān)鍵設(shè)備，其可靠性對并網(wǎng)變換系統(tǒng)至關(guān)重要[1-7]。T型三電平并網(wǎng)變換器的可靠運行是并網(wǎng)變換系統(tǒng)穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，一旦發(fā)生故障，會對電網(wǎng)造成嚴重影響[8-10]。然而在運行過程中，電流傳感器會受到電流沖擊、過熱和機械應力二次側(cè)開路等因素影響而出現(xiàn)故障，威脅并網(wǎng)變換系統(tǒng)的可靠運行[11-12]。電流傳感器故障會降低并網(wǎng)變換系統(tǒng)可靠性，因此對電流傳感器故障后并網(wǎng)變換系統(tǒng)容錯運行開展研究是非常迫切的。

目前許多學者對并網(wǎng)變換系統(tǒng)電流傳感器故障后容錯運行進行研究，提出了容錯控制算法[13-21]。針對兩電平并網(wǎng)變換系統(tǒng)，文獻[13]通過分解直流電流重構(gòu)故障電流，并將重構(gòu)電流和電流傳感器采樣電流對比判斷電流傳感器是否故障，若電流傳感器故障則用重構(gòu)電流代替采樣電流進行控制。文獻[14-20]使用在虛擬矢量作用下的直流母線電流重構(gòu)故障相電流，但因為直流電流穩(wěn)定需要時間，所以存在電流重構(gòu)觀測盲區(qū)。文獻[14]針對直流電流采樣振蕩問題，提出用延遲電流避開電流振蕩。文獻[15]在觀測盲區(qū)采用插入測量脈沖和電壓矢量近似的方法實現(xiàn)電流重構(gòu)。文獻[16]通過修改空間矢量脈寬調(diào)制占空比對觀測盲區(qū)進行補償，進而在觀測盲區(qū)重構(gòu)電流。文獻[17]根據(jù)線電壓調(diào)制原理計算、調(diào)整三相占空比，依據(jù)伏秒平衡原則對占空比進行補償，提出p型緩沖電路優(yōu)化重構(gòu)電流。文獻[18]分析常規(guī)脈寬調(diào)制技術(shù)(Pulse Width Modulation, PWM)，通過修正PWM信號實現(xiàn)觀測盲區(qū)電流重構(gòu)，有效降低重構(gòu)電流紋波。文獻[19]對電壓矢量空間觀測盲區(qū)進行劃分，在不同的區(qū)域采用不同的調(diào)制調(diào)整策略實現(xiàn)電流重構(gòu)。文獻[20]定義直流母線最小采樣時間，通過插入測量矢量和補償矢量在觀測盲區(qū)實現(xiàn)電流重構(gòu)。

以上研究需要進行復雜的PWM調(diào)制，且主要針對兩電平并網(wǎng)變換器和電機控制領(lǐng)域，未對三電平并網(wǎng)變換系統(tǒng)深入研究。針對三電平并網(wǎng)變換器，文獻[21]在直流側(cè)中點插入級聯(lián)電阻，通過測量中點電流重構(gòu)故障電流，但該方法不僅需要精細的分類且每種類型都需要復雜的計算。

有限集模型預測控制(Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC)具有魯棒性良好、無需PWM調(diào)制、控制靈活性強等優(yōu)點[22-25]。本文使用FCS-MPC策略研究并網(wǎng)變換系統(tǒng)電流傳感器故障后T型三電平并網(wǎng)變換器容錯控制方法。分析電流傳感器故障后工作機理，利用直流母線電流和預測電流建立電流重構(gòu)模型和電流預測控制模型，提出一種基于電流重構(gòu)的模型預測控制策略，使用兩個電壓矢量集合交替控制，實現(xiàn)電流傳感器故障后容錯連續(xù)運行。實驗結(jié)果表明，所提控制策略能快速跟蹤電流變化，提高了T型三電平并網(wǎng)變換器的故障容錯能力。

1 基于MPC的相電流重構(gòu)模型

1.1 直流母線電流重構(gòu)故障相電流模型

如圖1，T型三電平并網(wǎng)變換器輸出端裝設(shè)兩個電流傳感器采樣三相電流。一旦電流傳感器(以B相為例)出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)無法獲得B相和C相電流，導致變換器控制失效，對電網(wǎng)造成嚴重影響。

圖1 T型三電平并網(wǎng)變換器拓撲

然而，直流母線電流在不同的開關(guān)狀態(tài)下可以反映相電流信號[26-27]，其對應關(guān)系如式(1)。

根據(jù)式(1)，故障相電流用式(2)重構(gòu)。

根據(jù)式(2)，B相電流傳感器故障后，故障相電流可由電壓矢量、直流電流和正常相電流重構(gòu)[28]。記此類電壓矢量為第一類電壓矢量，如圖2所示，組成集合記為電壓矢量集合。

圖2 T型變換器電壓矢量和第一類電壓矢量

1.2 預測電流重構(gòu)故障相電流模型

僅使用電壓矢量集合會降低直流側(cè)電壓利用率。因此在圖2中引入6個電壓矢量((1,0,0)，(-1,0,0)，(1,0,-1)，(1,-1,0)，(1,-1,-1)和(-1,1,1) )可得圖3，記為第二類電壓矢量，和第一類電壓矢量組成的集合記為電壓矢量集合。引入的6個電壓矢量使用預測電流重構(gòu)故障相電流。在引入6個電壓矢量后直流側(cè)電壓利用率仍為100%(黑色圓邊界)。

圖3 用于重構(gòu)電流的電壓矢量

根據(jù)圖2，在電流傳感器故障后，故障相電流可在12個電壓矢量作用下用直流電流和正常相電流重構(gòu)，其他電壓矢量無法重構(gòu)故障相電流。因此需要使用預測電流重構(gòu)故障相電流。

將式(3)離散可得下一時刻預測電流[11]，如式(5)。

2 基于重構(gòu)電流的模型預測控制

基于重構(gòu)電流的模型預測控制流程如下：

圖4 基于重構(gòu)電流的模型預測控制結(jié)構(gòu)

3 仿真驗證

為驗證所提基于電流重構(gòu)的模型預測控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下進行仿真，系統(tǒng)參數(shù)如表1，采樣頻率為20 kHz。

表1 仿真和實驗參數(shù)

3.1 穩(wěn)態(tài)仿真

為驗證所提控制策略，將電壓矢量分為3類：1) 僅用電壓矢量集合；2) 僅用電壓矢量集合；3) 使用電壓矢量集合和交替控制。其對應的重構(gòu)三相電流和快速傅里葉變換分析結(jié)果如圖5。

由于連續(xù)使用預測電流重構(gòu)故障相電流會積累電流誤差，所以當僅用電壓矢量集合控制時，并網(wǎng)電流總諧波失真率(Total Harmonic Distortion, THD)為2.01%。使用電壓矢量集合和交替控制，并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并網(wǎng)電流THD為1.07%，直流側(cè)電壓利用率為100%。因此使用電壓矢量集合和交替控制既能保證高直流側(cè)電壓利用率，又能避免電流誤差積累，降低電流THD。

圖5 電流傳感器故障后不同電壓矢量集合控制效果對比

在圖6中，正常狀態(tài)下的并網(wǎng)電流THD為0.98%，輸出電流穩(wěn)定。在B相電流傳感器故障后，并網(wǎng)電流THD為16.92%，輸出電流發(fā)生嚴重畸變且不穩(wěn)定，可能發(fā)生過流對變換器造成損壞。在使用所提容錯測控制策略后，變換器進入容錯狀態(tài)，并網(wǎng)電流THD為1.07%，正弦度良好，滿足并網(wǎng)要求。證明所提控制策略能在T型三電平并網(wǎng)變換器電流傳感器故障后保持容錯連續(xù)運行。

圖6 電流傳感器故障后穩(wěn)態(tài)波形

3.2 動態(tài)仿真

圖7 電流傳感器故障后動態(tài)仿真波形

圖8 電流傳感器故障前后電流波形

4 實驗驗證

為驗證所提控制策略，構(gòu)建硬件在環(huán)實驗平臺，基于Simulink軟件搭建主電路模型，利用Starsim HIL軟件使主電路運行于PXI機箱內(nèi)的FPGA板卡上；采用PXIe-1071作為控制器，控制芯片Xilinx K7-160T FPGA，示波器為橫河DLM4000，采樣頻率為10 kHz，實驗參數(shù)如表1。

4.1 穩(wěn)態(tài)實驗

當參考電流為10 A時，正常狀態(tài)、故障狀態(tài)和容錯狀態(tài)3種狀態(tài)下T型三電平并網(wǎng)變換器電流控制效果如圖9。

圖9 電流傳感器故障前后穩(wěn)態(tài)電流

在圖9中，當參考電流為10 A時，正常狀態(tài)下電流THD為3.32%，輸出電流穩(wěn)定，電流誤差小于8%。當B相電流傳感器故障后且未使用容錯控制時，變換器輸出電流發(fā)生嚴重偏移，電流THD為22.25%，電流誤差超過10 A。在使用所提容錯控制策略后，變換器進入容錯狀態(tài)，并網(wǎng)電流THD為4.16%，正弦度良好，電流誤差在9%以內(nèi)，滿足并網(wǎng)要求。因此所提控制策略能在T型三電平并網(wǎng)變換器電流傳感器故障后保持容錯連續(xù)運行。

4.2 動態(tài)實驗

圖10為電流傳感器故障后動態(tài)電流波形。圖11顯示了電流傳感器從故障前到電流重構(gòu)的動態(tài)過程。

圖10 電流傳感器故障后動態(tài)電流

圖11 電流傳感器故障前后電流實驗波形

在B相電流傳感器發(fā)生故障后，三相電流有明顯的畸變，利用基于電流重構(gòu)的模型預測控制策略能快速地將變換器調(diào)整到正常工作狀態(tài)。當參考電流突變時，所提電流重構(gòu)方法能夠在2 ms內(nèi)快速跟隨參考電流，待穩(wěn)定后電流誤差保持在6.7%以內(nèi)。進一步驗證了所提控制策略的有效性，提高了T型并網(wǎng)變換器的故障容錯能力。

5 結(jié)論

T型三電平并網(wǎng)變換器的控制需要網(wǎng)側(cè)電流信號。一旦電流傳感器發(fā)生故障，變換器產(chǎn)生的電流將嚴重畸變。針對網(wǎng)側(cè)電流傳感器故障，提出一種基于電流重構(gòu)的模型預測控制策略，實現(xiàn)變換器在電流傳感器故障后的容錯連續(xù)運行。在電流傳感器發(fā)生故障后，利用直流母線電流、正常相電流和預測電流重構(gòu)故障相電流。重構(gòu)故障電流所需的電壓矢量按照重構(gòu)方法分成兩個電壓矢量集合。通過檢測當前時刻電壓矢量集合，保證下一時刻選擇不同的電壓矢量集合，避免積累電流誤差。容錯變換器輸出電流波形具有較好的正弦度以及良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，實驗結(jié)果驗證了所提控制策略的有效性和可行性。

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Model predictive control strategy for current reconstruction of a T-type three-level grid-tied converter

WU Zhenjun1, XIE Huan1, DAI Dongren1, GUO Leilei1, XIAO Han1, LI Chengshuai2

(1. School of Electrical Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China;2. Henan Jiuyu EPRI Electric Power Technology Co., Ltd., Zhengzhou 450052, China)

The T-type 3-level converter is key piece of equipment connecting new energy to the grid. If it experiences a current sensor fault, this will lead to the failure of control strategy and affect the safe and stable operation of the grid-tied system. A model predictive control strategy based on current reconstruction is proposed to improve the reliability of the T-type 3-level grid-tied converter. The relationship between phase current and voltage vector is analyzed. Fault current is reconstructed by DC current, normal phase current, and predicted current, respectively. The voltage vectors required for fault current reconstruction are divided into two voltage vector sets according to reconstruction methods. The continuous use of the prediction current to reconstruct the fault phase current will lead to an accumulation error in the reconstruction current. Therefore, it is necessary to detect the voltage vector set at the current moment to ensure that different voltage vector sets are selected at the next moment to avoid current accumulation errors in reconstruction. Experimental results show that the proposed strategy can realize fault-tolerant operation after a current sensor failure of a T-type converter, offers a lower current total harmonic distortion rate, and improves the reliability of the grid-tied system.

T-type three-level converter; sensor fault; current reconstruction; model predictive; vector sets

10.19783/j.cnki.pspc.211588

國家自然科學基金項目資助(U2004166)；河南省重點研究開發(fā)推廣專項(科技攻關(guān))項目資助(212102210021)；河南省高等學?？萍紕?chuàng)新團隊基金項目資助(22IRTSTHN017)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. U2004166).

2021-11-24；

2022-01-16

吳振軍(1971—)，男，博士，副教授，研究方向為電力電子變換器模型預測控制；E-mail: wuzhj71@126.com

謝 歡(1997—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子變換器模型預測控制；E-mail: 1780195656@qq.com

代東任(1998—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子變換器模型預測控制。E-mail: 1065410813@qq.com

(編輯 姜新麗)