三电平NPC整流器预测直接功率控制研究

0引言

在过去近20年中'功率转换器广泛应用于工业部门、交通部门、可再生能源系统、电力系统等多个领域。三电平中性点籍位(NPC)变换器由于其具有输出功率大、输入电流谐波畸变小、开关电压应力小等优点,已成为多电平变换器中应用最广泛的一种变换器^[1]。但是,该变换器存在电压漂移和中性点电压波动等固有问题,限制了其实际应用。

近年来,有限控制集模型预测控制(FCS-MPC)、直接模型预测控制(DMPC)等先进控制策略在电力变流器、电机驱动和可再生能源系统等许多领域得到了应用^[2-4]。FCS-MPC具有多个优点,例如消除了线性PI控制器和调制解调器。

本文提出了一种三电平NPC整流器预测直接功率控制(P-DPC)策略,旨在消除传统的开关表式直接功率控制策略的缺点,提高系统的整体性能,即消除无功功率波动,精准调节有功功率、无功功率、中性点电压和直流母线电压。最后,利用Matlab/Simulink软件对所提出的P-DPC策略性能进行了仿真验证。

1 三电平NPC整流器

三电平NPC整流器拓扑结构如图1所示,电网电压e通过滤波电阻R、电感L与三电平NPC整流器连接,i为输入整流器的电网电流,0为整流器输出电压。系统数学模型可表示为:

系统输出复功率S可由有功功率P、无功功率Q、电网电压e和电网电流i确定,即:

2 预测直接功率控制策略

预测控制策略,是对系统模型中待控制变量的未来行为进行预测。根据三电平NPC整流器的控制需要,将功率(即有功功率、无功功率)和中性点直流电压同时作为控制目标,预测直接功率控制(P-DPC)策略的控制框图如图2所示。

将式(2)中的复功率S求导可得:

式中:w为角频率。

将复功率导数分解为实部(Re)和虚部(Im),可得有功功率P、无功功率Q的导数为:

将式(4)转化为d-q坐标系下的导数:

设系统采样周期为Ts,当前采样时刻为k,下一个采样周期为k+1,则每一个采样周期内有功功率p、无功功率Q的变化量可表示为:

将式(6)代入式(5)可得k+1时刻有功功率p、无功功率Q的预测值为:

根据电流的流向和上下电容电压(U_dc1和U_dc2)之间的误差,中点电压U₀可以写成:

式中:C为C₁与C₂和的平均值;i_abc为输入整流器电流;u_abc为三电平NPC整流器的开关状态。

将式(8)离散化求得一阶导数后展开,可得k+1时刻的中点电压为:

预测直接功率控制的目的是通过滚动预测,使有功功率p(k+1)、无功功率Q(k+1)和中点电压U₀ (k+1)的预测值跟踪它们各自的参考值(即有功功率、无功功率和直流电压差)变化,从而确保实际输出有功功率、无功功率与参考值保持一致,中点电压保持为零。为实现这些控制目标,设定价值函数:

式中:K1、K2、K3分别为有功功率、无功功率和直流电压平衡的权重因子;P_ref、Q_ref分别为有功功率、无功功率参考值。

3仿真试验

为了验证所提三电平NPC整流器预测直接功率控制策略的有效性,进行了Matlab/Simulink仿真试验。系统仿真参数为:电网电压e=170 V,滤波器电阻R=0.3 Ω,滤波器电感L=0.01 H,系统频率⨍=50 Hz,负载电阻R_L=60Ω,直流侧电容C₁=C₂=680μF,直流侧电压U_dc=500 V。

为了评估整个系统的动稳态性能,将所提控制策略试验结果与文献[5]提出的传统开关表式直接功率控制试验结果进行了对比。设定在t=0.225 s时刻

输出负载R_L由60Ω降低至52Ω,在0.45S时刻再由52 Ω增大至60 Ω。在0—0.5 S期间无功功率参考值Q_ref设定为0 var,在0.5 S时刻参考值由0 var突增至500 var,在0.6S时刻又突降至0 var。图3、图4分别为基于开关表的直接功率控制策略仿真结果和所提基于预测控制的直接功率控制策略仿真结果。

从图3可以看出,采用传统的基于开关表策略的直接功率控制方法,无功功率波形会出现异常波动,直流侧上端电容电压U_dc1和下端电容电压U_dc2控制不够精准,输入整流器电流质量不是很高,波形畸变较高,稳态运行、输出负载阶跃变化、无功功率参考值阶跃变化时的总谐波失真(THD)分别为2.65%、3.27%、2.78%。从图4可以看出,采用基于预测控制的直接功率控制策略,在稳态运行、输出负载阶跃变化、无功功率参考值阶跃变化时,系统有功功率、无功功率、直流母线电压、直流侧上端电容电压U_dc1和下端电容电压U_dc2均能跟随参考值精准变化,具有很好的动稳态性能。同时,输出波形畸变率低,稳态运行、输出负载阶跃变化、无功功率参考值阶跃变化时的总谐波失真(THD)分别为0.23%、0.20%、0.23%。

4结论

本文提出并讨论了一种三电平NPC整流器的预测直接功率控制策略,其目的是保证对整流器有功功率、无功功率和上下电容电压的精确控制。所提方法消除了传统开关表式直接功率控制策略的不足,有功功率和无功功率能很好地跟随参考值变化,表现出了很高的动稳态性能,具有很好的工业应用价值。

[参考文献]

[1]蒋佳琛,一政.一种三电平NPC变换器中点电位平衡控制策略[J].电气传动自动化,2023,45(6):1-5.

[2] 席裕庚,李德伟,林姝.模型预测控制——现状与挑战[J].自动化学报,2013,39(3):222-236.

[3] KOURO  S,CORTES  P,VARGAS  R,et  Al.Model  Predictive Control—A  SimPle  And  Powerful  Method  to  Control Power Converters[J].IEEE TrAnsActions on IndustriAl Electronics,2009,56(6) : 1826-1838.

[4] 霍智伟,裴旭东.基于FCS-MPC的风力发电系统低电压穿越技术研究[J].机电信息,2023(13):78-81.

[5]KULIKOWSKI   K , SIKORSKI   A . New   DPC  Look-UP  TAble Methods  for  Three-Level  AC/DC   Converter [J]. IEEE TrAnsActions on IndustriAl Electronics:2016,63(12):  7930-7938.

2024年第19期第5篇