三電平逆變器固定開(kāi)關(guān)頻率的模型預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)序列控制

關(guān)鍵詞： 三相三電平逆變器; 模型預(yù)測(cè)控制; 開(kāi)關(guān)頻率

中圖分類號(hào)： TB9; TM464 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)： 1674–5124（2025）02–0097–09

0引言

傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制是基于已建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)時(shí)刻的系統(tǒng)狀態(tài)，其將變換器可能輸出的電壓矢量作為控制集，然后根據(jù)控制需求建立代價(jià)函數(shù)，利用枚舉搜索法求解出最優(yōu)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，最終直接作用于變換器[1-2]。傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制的主要缺點(diǎn)是在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期僅有一個(gè)輸出電壓矢量作用于逆變器。此外，除非增加額外的約束，否則在幾個(gè)連續(xù)的開(kāi)關(guān)周期內(nèi)可能使用相同的輸出電壓矢量，這將導(dǎo)致逆變器交流側(cè)輸出電壓或電流的諧波頻譜分散，不利于交流側(cè)濾波器的設(shè)計(jì)[3-4]。

針對(duì)傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制策略，一些改良的模型預(yù)測(cè)控制策略被提出，用來(lái)解決開(kāi)關(guān)頻率不固定問(wèn)題?；跀?shù)字濾波器的開(kāi)關(guān)頻率固定技術(shù)是通過(guò)數(shù)字濾波器將開(kāi)關(guān)頻率固定或保持在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)[5-6]。然而，數(shù)字濾波器的應(yīng)用對(duì)模型預(yù)測(cè)控制算法的動(dòng)態(tài)性能有負(fù)面影響，使該方法不適用于高性能應(yīng)用?；谌斯ぶ悄芊椒ǖ拈_(kāi)關(guān)頻率固定技術(shù)是通過(guò)人工智能方法在線調(diào)整權(quán)重系數(shù)來(lái)選擇合適的工作點(diǎn)[7]，進(jìn)而達(dá)到調(diào)節(jié)平均開(kāi)關(guān)頻率的目的。文獻(xiàn)[7] 設(shè)計(jì)了一種實(shí)時(shí)方法，以自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)因數(shù)，從而調(diào)節(jié)逆變器的平均開(kāi)關(guān)頻率。然而該類方法需要考慮廣泛的工作點(diǎn)，需要大量的模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果?；谡{(diào)制型模型預(yù)測(cè)的開(kāi)關(guān)頻率固定技術(shù)是將模型預(yù)測(cè)控制器得到的最優(yōu)電壓矢量作為參考矢量，并利用調(diào)制器生成開(kāi)關(guān)信號(hào)[8]。文獻(xiàn)[8]中提出了一種用于并網(wǎng)三電平NPC 變換器的調(diào)制型模型預(yù)測(cè)控制策略，其能夠以固定開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，并且擁有模型預(yù)測(cè)控制固有的快速動(dòng)態(tài)特性。然而，該策略在調(diào)制比較低或相對(duì)較小的采樣頻率情況下會(huì)引入低頻諧波。最優(yōu)開(kāi)關(guān)序列（optimal switchingsequence， OSS）固定模型預(yù)測(cè)開(kāi)關(guān)頻率的方法是通過(guò)尋找而不是每個(gè)開(kāi)關(guān)周期僅作用一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)[9-10]。文獻(xiàn)[9] 提出了基于兩個(gè)代價(jià)函數(shù)的OSSMPC來(lái)獨(dú)立控制輸出電流與電容器電壓，而無(wú)需權(quán)重系數(shù)。然而該方法需要先計(jì)算松弛問(wèn)題的解，然后再使用非負(fù)約束求解最優(yōu)開(kāi)關(guān)序列，計(jì)算量較大。文獻(xiàn)[10] 提出了一種新型代價(jià)函數(shù)評(píng)估最優(yōu)開(kāi)關(guān)序列所在區(qū)域的方法，減少了計(jì)算負(fù)擔(dān)，但需要計(jì)算最優(yōu)開(kāi)關(guān)序列對(duì)應(yīng)的占空比，執(zhí)行時(shí)間比較長(zhǎng)。

本文提出了一種離散空間矢量調(diào)制和優(yōu)化開(kāi)關(guān)序列模型預(yù)測(cè)控制器（DSVM-OSS-MPC）策略。所提方法利用開(kāi)關(guān)序列的思想來(lái)固定開(kāi)關(guān)頻率，并通過(guò)級(jí)聯(lián)MPC 來(lái)同時(shí)控制輸出電流和中性點(diǎn)電壓。為了提高閉環(huán)性能，利用離散空間矢量的原理預(yù)定義虛擬電壓矢量。為了避免繁瑣的最優(yōu)控制解的窮舉搜索，引入一種有效的尋優(yōu)算法來(lái)減少控制策略的計(jì)算負(fù)擔(dān)。與現(xiàn)有方法相比，它不僅能夠固定逆變器的開(kāi)關(guān)頻率，還實(shí)現(xiàn)了更好的電流跟蹤精度和中性點(diǎn)電壓平衡。最后，Matlab/Simulink 仿真測(cè)試證明了所提方法的有效性。

1 NPC型三電平逆變器模型預(yù)測(cè)基本原理

三電平NPC并網(wǎng)逆變器如圖1所示。圖中，U_dc是直流電壓；e_a 、e_b、e_c為電網(wǎng)的三相交流電壓；i_a、i_b、i_c為三相輸出電流；L和R分別為濾波電感和等效電阻。逆變器每相由4個(gè)開(kāi)關(guān)連接而成，共產(chǎn)生了27個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)。通過(guò)Clarke變換，可得NPC并網(wǎng)逆變器的空間電壓矢量圖，如圖2所示。其中包括非冗余電壓矢量19個(gè)，冗余電壓矢量8個(gè)。

根據(jù)圖1可建立NPC三電平并網(wǎng)逆變器的數(shù)學(xué)模型為：