準Z 源逆變器的模型預(yù)測電流誤差控制

許宇豪，李文真，肖海峰，賀昱曜，康雪娟

（1.西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院，西安 710077；2.西安航空學(xué)院車輛工程學(xué)院，西安 710077；3.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安 710072）

準Z 源逆變器是基于橋臂直通原理升降直流鏈電壓的功率變換器[1-2]，其優(yōu)勢在于：①將橋臂直通狀態(tài)納入正常工作狀態(tài)，可防止變換器直通故障的發(fā)生；②驅(qū)動開關(guān)器件時無需考慮死區(qū)時間及其效應(yīng)，提高輸出電壓的質(zhì)量；③DC-DC 與DC-AC 一體化設(shè)計極大程度上節(jié)約了變換器制造成本。因此，準Z源逆變器在提高變換器轉(zhuǎn)換效率和故障容錯能力方面具有天然優(yōu)勢和發(fā)展前景[3-4]。

高性能微處理器的快速發(fā)展促使高性能控制方法在功率變換器控制中得到發(fā)展[5-6]。有限集模型預(yù)測控制MPC（model predictive control）采用最優(yōu)化方法直接篩選準Z 源逆變器的最佳開關(guān)組合動作，特別適用于解決逆變器的非線性問題，是一種具有系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)判性的控制方法。但是，在現(xiàn)階段還面臨權(quán)重系數(shù)匹配難、控制誤差大、運算量大等問題[7-8]。

文獻[9-11]采用3種改進的模型預(yù)測電流控制，改善了準Z源逆變器的輸出電流性能；文獻[9]根據(jù)準Z 源逆變器離散時間平均模型可直接預(yù)測調(diào)制器所需的直通占空比和調(diào)制度。在恒定的采樣頻率和開關(guān)頻率下，準Z源逆變器具有快速的動態(tài)響應(yīng)和良好的穩(wěn)態(tài)性能。然而，相比于目前廣泛采用的電壓矢量組合方法，文獻[9]所提方法的穩(wěn)態(tài)誤差仍較大。文獻[10]提出準Z源逆變器的可變開關(guān)點預(yù)測電流控制，開關(guān)的切換可以在控制周期內(nèi)的任何時刻，減小了輸出電流紋波；文獻[11]提出準Z源逆變器的直接模型預(yù)測電流控制策略，該方法在一個較長時域內(nèi)能預(yù)測控制變量狀態(tài)，有效地降低輸出電流的總諧波畸變率THD（total harmoinics distortion）。但文獻[10-11]的主要缺點是運算量非常大。

文獻[12]采用2個獨立成本函數(shù)選擇最優(yōu)電壓矢量，先由轉(zhuǎn)矩成本函數(shù)選擇出2 個電壓矢量，再由磁鏈成本函數(shù)評估后得到最優(yōu)電壓矢量，因此在選擇最優(yōu)電壓矢量時無需權(quán)重系數(shù)；文獻[13]根據(jù)電壓矢量合成的思想選擇最優(yōu)電壓矢量，定子電壓d、q軸分量被一個合成的旋轉(zhuǎn)空間電壓矢量所替代，從而減少了系統(tǒng)被控量的數(shù)量，消除了權(quán)重系數(shù)。以上兩種方法只能應(yīng)用于交流電機這種具有2個被控量且之間關(guān)系密切的控制系統(tǒng)，無法適用于具有3個被控量的準Z源逆變器。

文獻[14-15]采用快速電壓矢量選擇方法降低電壓矢量選擇的運算量。文獻[14]通過判斷定子電流分量誤差的正負，可以直接選擇出最優(yōu)電壓矢量；文獻[15]為了避免選擇最優(yōu)電壓矢量時使用扇區(qū)定位法或查表法，將當前時刻的最優(yōu)電壓矢量限定在上一時刻應(yīng)用的電壓矢量、相鄰電壓矢量和零電壓矢量。文獻[14-15]提出的方法均具有運算量低的特點，但難以直接應(yīng)用在具有3個被控量的準Z 源逆變器。文獻[16]提出一種針對準Z 源逆變器的有限控制集模型預(yù)測控制方法，該方法在作用幾次有效矢量之后直接插入一次直通矢量，因此簡化了電感電流預(yù)測運算，然而，這種開環(huán)控制的方式降低了電感電流的控制精度。

綜上，現(xiàn)階段的模型預(yù)測控制方法針對一些特殊的電力電子拓撲（例如Z 源逆變器）研究較少且不成熟，究其原因如下：①拓撲種類繁多、結(jié)構(gòu)差異較大，采用通用模型預(yù)測控制弊端較大，需要根據(jù)拓撲特性設(shè)計專門的模型預(yù)測控制方法；②準Z源逆變器的被控量多于交流電機且量綱難以統(tǒng)一；③準Z 源逆變器交直流側(cè)的電感電流和電容電壓與交流側(cè)的輸出電壓須分開獨立控制。因此，有必要研究一種適用于準Z 源逆變器的高性能模型預(yù)測控制方法，以解決通用模型預(yù)測控制誤差大、權(quán)重系數(shù)整定難和運算量大的問題。

針對上述問題，本文提出一種準Z源逆變器模型預(yù)測電流誤差控制方法。首先，在充分分析電壓矢量與被控量性能關(guān)系及被控量控制次序的基礎(chǔ)上，根據(jù)準Z 源逆變器交直流側(cè)的控制特點，利用電壓矢量組合方法，實現(xiàn)逆變器交直流側(cè)電流的精確控制。然后，基于電感電流無差拍控制計算直通電壓矢量的占空比，實現(xiàn)電感電流誤差和脈動最小化。最后，采用輸出電流幅值控制方法調(diào)節(jié)零電壓矢量的作用時間，使輸出電流的幅值與其參考值相等。與現(xiàn)有方法相比，所提方法以較小的運算量實現(xiàn)電感電流脈動和輸出電流THD的大幅降低，同時降低了權(quán)重系數(shù)整定的難度。理論分析和實驗驗證了所提方法在權(quán)重系數(shù)設(shè)計、電感電流和輸出電流的性能均優(yōu)于傳統(tǒng)有限集MPC。

1 準Z 源逆變器的模型預(yù)測控制

本節(jié)主要介紹準Z 源逆變器傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的控制結(jié)構(gòu)、預(yù)測模型和成本函數(shù)。傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的控制結(jié)構(gòu)如圖1所示，由圖1可知，準Z源逆變器由直流電壓源vin、準Z 源網(wǎng)絡(luò)（2 個電感L1和L2、2 個電容C1和C2及二極管D）、三相逆變器(SW1～SW6)組成。作用于準Z源逆變器的基本電壓矢量包括7 個非直通電壓矢量（6 個有效電壓矢量及1 個零電壓矢量）和1 個直通電壓矢量。通過交替作用非直通和直通電壓矢量，準Z源逆變器能夠?qū)崿F(xiàn)直流鏈電壓泵升并輸出穩(wěn)定的三相電壓。

圖1 傳統(tǒng)模型預(yù)測控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of conventional MPC structure

準Z 源逆變器與一般逆變器不同之處在于除了控制三相輸出電流ia、ib和ic（變換后為iα和iβ），還需要控制電感電流iL1和電容電壓vC1。通過周期性地檢測這3個控制量、預(yù)測狀態(tài)和選取最優(yōu)狀態(tài)，實現(xiàn)在線的滾動優(yōu)化。首先，檢測當前時刻的電感電流、電容電壓和輸出電流，利用預(yù)測模型計算它們在下一時刻的狀態(tài)。然后，將3個被控量的預(yù)測值與參考指令送入到成本函數(shù)中求得最優(yōu)電壓矢量。最后，將最優(yōu)電壓矢量轉(zhuǎn)化為開關(guān)動作來控制準Z源逆變器。

1.1 輸出電流的預(yù)測模型

準Z 源逆變器的輸出電壓在αβ坐標系中的分量v(a,β)可表示為

式中：vdc為直流鏈電壓；v(α,β)為三相輸出電壓在αβ坐標系中的分量；；S1、S3和S5分別為三相電壓型逆變器的A、B 和C 相橋臂的開關(guān)狀態(tài)，當S1、S3和S5取“1”時，上橋臂開關(guān)器件打開，下橋臂開關(guān)器件關(guān)斷，當它們?nèi)　?”時，上橋臂開關(guān)器件關(guān)斷，下橋臂開關(guān)器件打開。

假設(shè)準Z源逆變器接RL負載，則輸出電壓為

式中：i(α,β)為三相輸出電流在αβ坐標系中的分量；R、L分別為負載電阻和電感值。

根據(jù)歐拉公式，可得輸出電流的離散時間模型為

式中，k、Ts、k-Ts分別為當前時刻、控制周期和前一時刻。令k=k+Ts，可得輸出電流預(yù)測值為

1.2 輸出電壓和電感電流的預(yù)測模型

準Z 源逆變器等效電路如圖2 所示，準Z 源逆變器可工作在直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)，因此應(yīng)按照工作狀態(tài)分別推導(dǎo)電容電壓和電感電流預(yù)測模型。

圖2 準Z 源逆變器的等效電路Fig.2 Equivalent circuits of quasi Z-source inverter

1.2.1 非直通狀態(tài)

由圖2（a）可得非直通狀態(tài)下的電感電流和電容電壓分別為

式中：C1、L1分別為準Z 源網(wǎng)絡(luò)的電容和電感值；vin、vC1分別為直流電源和電容C1的電壓；iL1為電感L1的電流；iinv為準Z源網(wǎng)絡(luò)的輸出電流。

由離散化式（5）、（6）可得iL1和vC1預(yù)測模型分別為

1.2.2 直通狀態(tài)

由圖2（b）可得直通狀態(tài)時二極管處于電流斷續(xù)，根據(jù)準Z源逆變器的原理[4]，相同電感量的L1和L2具有相同的電流和電壓。因此，電感L1的電壓和電流的預(yù)測模型可表示為

根據(jù)歐拉公式，將式（9）和式（10）離散化后分別表示為

1.3 成本函數(shù)

準Z源逆變器的電感電流、電容電壓和輸出電流的預(yù)測值構(gòu)成了系統(tǒng)下一時刻的狀態(tài)集合，以期望的系統(tǒng)性能作為參考時，這些狀態(tài)集合就有了優(yōu)劣之分，模型預(yù)測控制是采用成本函數(shù)對狀態(tài)集合綜合評價。成本函數(shù)將所有控制量放在一個函數(shù)中，量化系統(tǒng)下一時刻狀態(tài)與期望的狀態(tài)之間的差距，從而選擇出系統(tǒng)最優(yōu)的狀態(tài)及其所對應(yīng)的電壓矢量。對電感電流、電容電壓和輸出電流的預(yù)測值與各自的參考指令求差，并匹配上相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)就構(gòu)成了成本函數(shù)g，即

式中：λC、λL分別為電容電壓和電感電流的權(quán)重系數(shù)；iα,ref、iβ,ref、vC1,ref和iL1,ref分別為輸出電流、電容電壓參考指令和電感電流的參考指令。

1.4 準Z 源逆變器模型預(yù)測控制存在的問題分析

準Z 源逆變器模型預(yù)測控制避免了串聯(lián)的多級控制方式，使系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)變得簡單；建立電壓矢量與被控量離散模型的直接關(guān)系，控制逆變器時無需調(diào)制器，使系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)更快。雖然模型預(yù)測控制具有諸多優(yōu)點，但同時它也引入了新的問題：①模型預(yù)測控制在一個控制周期僅施加一種電壓矢量，由于單位時間施加電壓矢量的次數(shù)少等效于降低了系統(tǒng)的控制頻率，因此電感電流脈動和輸出電流THD將會增加；②成本函數(shù)僅用2個權(quán)重系數(shù)平衡各控制量的性能，但缺乏明確的權(quán)重系數(shù)設(shè)計規(guī)則，使系統(tǒng)的控制規(guī)律沒有得到充分和有效表達，因此，使匹配合理的權(quán)重系數(shù)的實現(xiàn)較為繁瑣。

2 模型預(yù)測電流誤差控制

針對準Z 源逆變器模型預(yù)測控制電流脈動大和權(quán)重系數(shù)設(shè)計復(fù)雜的缺點，作用多個電壓矢量可以降低準Z 源逆變器電感電流脈動和輸出電流諧波含量，然而控制算法的復(fù)雜度也呈指數(shù)增加，如何以較低的運算量實現(xiàn)電流脈動的最大限度改善是當前研究的難點。此外，成本函數(shù)中的2個權(quán)重系數(shù)主要通過在實驗中反復(fù)試錯得到，不僅缺乏理論依據(jù)，且實現(xiàn)過程繁瑣。

針對上述問題，本文提出一種模型預(yù)測電流誤差控制方法。該方法通過分析各個電壓矢量對準Z源逆變器被控量的影響，得到控制電感電流和輸出電流的最佳矢量組合方式，基于模型預(yù)測控制原理計算矢量作用的占空比，實現(xiàn)大幅降低電感電流脈動和輸出電流THD的目的。首先，采用直通電壓矢量和有效電壓矢量組合降低控制算法的運算量，并兼顧方法的性能與實用性；然后，控制電感電流的直通電壓矢量可以直接被選出而無需使用成本函數(shù)，消除了電感電流的權(quán)重系數(shù)；最后，基于無差拍控制原理計算直通電壓矢量和有效電壓矢量的占空比，大大地降低電感電流脈動和輸出電流THD。所提方法不僅控制性能好，還具有易于實現(xiàn)、實用價值高的優(yōu)點。

所提方法主要由電感電流誤差對稱控制、輸出電流幅值控制和模型預(yù)測三部分組成，如圖3 所示。具體方法的實現(xiàn)流程如下：

圖3 模型預(yù)測電流誤差控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Block diagram of model predictive current error control structure

（1）采樣并計算準Z 源逆變器的i(α,β)(k)、vC1(k)和iL1(k)，監(jiān)測二極管電流即圖3中的iVD；

（2）基于無差拍控制計算直通占空比dsh及輸出電流幅值控制，計算有效電壓矢量占空比d0；

（3）選擇能夠平衡電容電壓和輸出電流性能的電壓矢量，將作用的直通電壓矢量及其占空比dsh和有效電壓矢量及其占空比d0轉(zhuǎn)換為驅(qū)動準Z 源逆變器的PWM信號。

2.1 電感電流誤差對稱控制方法

采用電壓矢量組合方法是降低模型預(yù)測控制誤差的重要手段之一，其關(guān)鍵步驟是作用多種不同的電壓矢量。然而，如何以較低的運算量為代價實現(xiàn)性能的最大提高仍是電壓矢量組合方法的一個研究問題。針對該問題，本文對直通和非直通2個電壓矢量組合，基于無差拍控制原理控制電感電流誤差關(guān)于參考指令正負對稱，通過計算兩種電壓矢量的作用時間來獲得最小的電感電流脈動。

由于電感電流在直通電壓矢量作用時增加，而在非直通電壓矢量作用時降低，那么在單位時間內(nèi)施加直通和非直通電壓矢量組合就能很方便地控制電感電流脈動和誤差的大小。基于無差拍控制原理建立電感電流預(yù)測值與參考指令的關(guān)系式，保證電感電流誤差和脈動最小，求解滿足該條件的直通占空比。直通占空比的求解過程如下。

（1）電感電流在直通電壓矢量和非直通電壓矢量作用時的變化率可表示為

式中：k7、分別為直通電壓矢量作用時電感電流的變化率和預(yù)測值；kx、分別為非直通電壓矢量作用時電感電流的變化率和預(yù)測值。

（2）利用式（14）、（15）計算電感電流預(yù)測值為

為了確保電感電流的誤差最小，在一個控制周期內(nèi)電感電流應(yīng)該關(guān)于其參考指令正負對稱。因此，根據(jù)式（16）得到的關(guān)系式為

圖4 給出了所提電感電流誤差對稱控制的原理和實現(xiàn)效果。在圖4（a）中，假設(shè)0時刻的電感電流等于參考指令，如果在整個控制周期中均作用直通電壓矢量，則在k+Ts時刻的電感電流為E；如果在整個控制周期里均作用非直通電壓矢量，則在k+Ts時刻的電感電流為N。因此，當直通和非直通電壓矢量共同作用時，在控制周期內(nèi)切換兩種電壓矢量就可以使k+Ts時刻的電感電流在N～E的范圍內(nèi)變化。

圖4 電感電流誤差對稱控制Fig.4 Error symmetric control for inductor current

根據(jù)無差拍控制原理，在tb時刻切換直通和非直通電壓矢量可以保證電感電流的預(yù)測值等于參考指令，但這會導(dǎo)致較大的電感電流誤差；如果在ta時刻切換兩種電壓矢量，電感電流誤差關(guān)于參考指令正負對稱，電感電流誤差可降低為在tb時刻切換電壓矢量的一半。設(shè)電感電流初始值與參考指令重合，由圖4（b）電感電流誤差對稱控制的效果可以看出，經(jīng)過一個控制周期的控制和調(diào)整后，電感電流在控制周期的開始和結(jié)束相等，正負誤差對稱；電感充電電流脈動等于放電電流脈動，滿足伏秒平衡原理。因此，利用電感電流誤差對稱控制方法可以大幅降低電感電流脈動和控制誤差。

由以上分析可知，控制電感電流誤差和脈動的直通和非直通電壓矢量無需通過成本函數(shù)評估而直接得到，避開了成本函數(shù)、消除了電感電流項的權(quán)重系數(shù)。

2.2 輸出電流幅值控制方法

對于輸出電流而言，參考指令的階躍變化會導(dǎo)致誤差突然增加。模型預(yù)測控制普遍在整個控制周期作用一種電壓矢量，使輸出電流快速增加或降低，達到快速消除誤差的目的。然而，在控制周期中施加一種電壓矢量不利于降低穩(wěn)態(tài)輸出電流誤差。

針對上述問題，本文將有效和零電壓矢量組合，通過調(diào)整零電壓矢量作用時間，使其等于參考電壓矢量的幅值，降低輸出電流的穩(wěn)態(tài)誤差。為了達到提高逆變器運行效率的目的，采用與作用有效電壓矢量方向相反的一種有效電壓矢量替換零電壓矢量，兩種有效電壓矢量抵消可產(chǎn)生零電壓矢量。具體分析過程如下。

（1）將參考輸出電流轉(zhuǎn)化為參考輸出電壓，便于選擇最優(yōu)有效電壓矢量和零電壓矢量的作用時間。由式（4）可計算出輸出電壓預(yù)測值為

在k+Ts時刻，令k+Ts時刻的輸出電壓和電流等于它 們的參 考指令，即v(α,β)(k+Ts)=v(α,β),ref，i(α,β)(k+Ts)=i(α,β),ref。將v(α,β),ref、i(α,β),ref帶入到 式（19）中，得到輸出電壓參考指令為

由式（19）、（20）可以看出，在空間位置上越靠近v(α,β),ref的電壓矢量，其所產(chǎn)生的輸出電流的誤差越小。

（2）分析動態(tài)過程中施加的有效電壓矢量及其作用時間和穩(wěn)態(tài)時施加的非直通電壓矢量及其作用時間對控制誤差的影響。

由式（20）可導(dǎo)出參考輸出電壓的幅值為

在式（21）中，|v(α,β),ref|受到i(α,β),ref和i(α,β)(k)的 影響。在動態(tài)過程開始時，i(α,β),ref的增加會產(chǎn)生較大的輸出電流誤差，這種情況需要長時間施加有效電壓矢量以快速消除輸出電流誤差。輸出的電壓幅值可表示為

根據(jù)直通占空比與直流鏈電壓的關(guān)系，式（22）可進一步表示為

當準Z源逆變器工作在穩(wěn)態(tài)時，長時間作用一種有效電壓矢量不利于穩(wěn)態(tài)誤差的降低。由于零電壓矢量幅值為零，將其與有效電壓矢量一起作用產(chǎn)生幅值可調(diào)的新矢量，其幅值可表示為

式中，d0為零電壓矢量的占空比。與式（22）相比，式（24）中的輸出電壓幅值可以通過調(diào)節(jié)d0改變。這表明無論參考輸出電壓如何變化，始終能夠找到相應(yīng)的d0使輸出電壓幅值等于參考值。

采用反推法令 |v(α,β),ref|=|v(α,β)|，推導(dǎo)出零電壓矢量的占空比為

由于作用過長時間的零電壓矢量會降低逆變器的轉(zhuǎn)換效率，本文采用兩個方向相反的有效電壓矢量替換零電壓矢量。因此，式（25）中零電壓矢量時間被等分給已施加的有效電壓矢量及方向相反的電壓矢量。

本文所提輸出電流幅值控制方法示意如圖5所示。設(shè)參考輸出電壓v(α,β),ref位于αβ坐標系第Ⅳ象限內(nèi)，由于有效電壓矢量V5和V6距離v(α,β),ref最近，V5和V6將作為候選電壓矢量，產(chǎn)生的輸出電壓誤差為ε1和ε2。采用輸出電流幅值控制將V5和V2組合、V6和V3組合，產(chǎn)生新的電壓矢量Vo5和Vo6，它們與v(α,β),ref的幅值相等，誤差分別為ε3和ε4。由圖5 可以看出，ε3＜ε1且ε4＜ε2，所以本文所提方法輸出電流誤差更小。

圖5 輸出電流幅值控制示意Fig.5 Schematic of output current amplitude control

2.3 輸出電流和電容電壓的預(yù)測模型

采用第2.1節(jié)中的電感電流誤差對稱控制方法可直接選出控制電感電流的直通電壓矢量和非直通電壓矢量，因而無需采用成本函數(shù)。由此可知，相比于傳統(tǒng)模型預(yù)測控制，本文所提方法的成本函數(shù)僅包含電容電壓和輸出電流兩項，即

在所提方法中，直通電壓矢量、零電壓矢量和有效電壓矢量將被依次施加。由于在直通電壓矢量和零電壓矢量作用期間逆變器處于續(xù)流狀態(tài)，輸出電流幾乎不變，僅在有效矢量作用期間改變。因此，式（26）中輸出電流的預(yù)測模型可由式（4）推導(dǎo)得出，即

式中，vα(k+Ts)、vβ(k+Ts)分別為下一時刻施加開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)的輸出電壓在α軸和β軸中的分量。同理可知，電容電壓在直通電壓矢量作用時減小，而在零電壓矢量和有效電壓矢量作用時增加。則式（26）中電容電壓預(yù)測模型可由式（8）、（12）推導(dǎo)得出，即

3 實驗驗證

為了驗證所提方法能夠有效改善準Z 源逆變器的電感電流和輸出電流性能，進行傳統(tǒng)預(yù)測控制和所提方法的對比實驗。實驗中的直流電壓源電壓為100 V，準Z源網(wǎng)絡(luò)的電感L1=L2=4 mH、電容C1=C2=560 μF，控制周期Ts是變化的，阻感負載R=10 Ω、L=7.7 mH，實驗平臺如圖6 所示。實驗中改變輸出功率和直流鏈電壓，電感電流、電容電壓和輸出電流的參考指令見表1。權(quán)重系數(shù)的整定采用試錯法，在大量實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上最終確定傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的λL和λC分別取3和0.5，所提方法的λC取0.7，控制周期取40 μs。實驗結(jié)果如圖7和圖8所示。

表1 動態(tài)實驗中的參考指令Tab.1 Command reference in dynamic experiment

圖6 三相電壓型準Z 源逆變器實驗平臺Fig.6 Experimental platform of three-phase voltage source quasi Z-source inverter

圖7 模型預(yù)測電流誤差控制的實驗結(jié)果Fig.7 Experimental results of model predictive current error control

圖8 傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的實驗結(jié)果Fig.8 Experimental results of conventional MPC

當兩種方法在直流鏈電壓和輸出功率突變時，直流鏈電壓峰值由200 V變?yōu)?50 V，電容電壓峰值由150 V 變?yōu)?25 V，電感電流平均值由9.5 A 變?yōu)?.4 A，輸出電流峰值由8 A 變?yōu)?.7 A，證明了準Z源逆變器具有良好的動態(tài)性能。然而，穩(wěn)態(tài)下傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的電感電流脈動和輸出電流脈動明顯大于所提方法，并且傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的輸出電流峰值處的電流脈動較大，導(dǎo)致電流的畸變。證明了采用所提方法能有效地減小電流脈動、降低輸出電流THD。

由圖7（c）、（d）及圖8（c）、（d）給出的兩種方法的電感電流和直流鏈電壓的放大圖可知，當采用所提方法時，每40 μs作用非直通和直通電壓矢量；當采用傳統(tǒng)模型預(yù)測控制時，每40 μs 作用一個電壓矢量。因此，當直流鏈電壓等于200 V時，每160 μs非直通和直通電壓矢量交替作用一次；當直流鏈電壓為150 V 時，每240 μs 非直通和直通電壓矢量交替作用一次。由電壓矢量的作用時間可以看出，所提方法縮短了電感充放電的周期，因而能夠大幅降低電感電流脈動。當直流鏈電壓為200 V 時，兩種方法的電感電流脈動分別為0.4 A 和1.6 A；當直流鏈電壓為150 V 時，兩種方法的電感電流脈動分別為0.25 A和1.3 A。

圖9給出了輸出功率為950 W且采用不同控制周期時的電感電流脈動和輸出電流THD 的實驗數(shù)據(jù)。由圖9可以看出：①傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的電感電流脈動和輸出電流THD 受控制周期的影響比所提方法大；②所提方法的電感電流脈動僅為傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的1/4左右；③隨著控制周期的增加，所提方法減小輸出電流THD 的效果顯著，例如，兩種方法輸出電流THD在40 μs下分別為1.9%和3.1%。

圖9 不同控制周期下的電感電流脈動和輸出電流THDFig.9 Inductor current ripple and output current THD under different control cycles

4 結(jié)論

本文針對準Z源逆變器模型預(yù)測控制誤差大、權(quán)重系數(shù)整定難和運算量大的問題，提出一種模型預(yù)測電流誤差控制。本文貢獻總結(jié)如下。

（1）提出采用電感電流誤差對稱控制方法來計算直通電壓矢量的占空比，不僅電感電流脈動降低為傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的1/4，而且使成本函數(shù)中的權(quán)重系數(shù)從2 個減少到1 個，大幅簡化了權(quán)重系數(shù)的設(shè)計工作。

（2）提出了輸出電流幅值控制方法，實現(xiàn)了電壓矢量幅值控制，有效地降低了準Z源逆變器輸出電流THD。