NPC型并網變換器的預測控制研究

孫澤廷

NPC型并網變換器的預測控制研究

孫澤廷

（天津港保稅區益誠電力設備有限公司，天津 300450）

三相三電平NPC型并網變換器器具有功率密度高、開關電壓應力低、網側電流諧波小等優勢，在微網中獲得了廣泛應用。采用傳統控制策略時，并網電流性能對于控制器參數取值依賴性強，網側電流畸變且系統抗干擾性差。為有效改善并網電流動靜態性能，提出并采用了基于模型預測的直接功率控制環路，通過完整的實驗驗證分析證明了該策略的可靠性。

NPC并網變換器；模型預測；直接功率控制；延時補償

1 引言

NPC型并網變換器作為一種典型的三電平結構，由于具有分立元件少、系統可靠性高、電流畸變小等優點，在中小功率PFC模塊中獲得了廣泛應用[1]，因此如何改善并網性能具有重要研究意義。模型預測算法作為一種高效的多目標跟蹤算法，有效規避了并網性能高度依賴于傳統控制器參數的缺陷，具有易于理解且可實現多目標跟蹤等優勢，引起了廣大學者的普遍關注[2-3]。

文中以NPC變換器為研究對象，實現了模型預測與直接功率控制策略的有效結合，給出了適用于NPC型變換器的直接功率模型預測控制（DPC-MPC），并進一步針對中點電位波動，給出了新型預測算法實現方案。最后，基于實時測試平臺進行了完善的驗證分析。

2 三電平NPC并網變換器電路拓撲與數學模型

文中采用的三相三電平NPC型并網變換器電路拓撲如圖1所示。其中sx（=，，）為三相交流電網電壓，為交流側升壓電感，x1-4（=，，）為電流開關，直流側輸出電容由1與2構成，L1與L2為負載電阻，0為直流輸出電壓。

圖1 三電平NPC變換器電路拓撲

3 基于模型預測的直接功率控制策略

3.1 直接功率控制原理

根據圖1所示的電路拓撲，可得靜止坐標系下NPC變換器狀態表達方程為：

式（1）中：gα與gβ分別為并網電流在坐標系下的、分量；gα與gβ為三相并網電壓在坐標下的、分量；α與β為輸出電壓在坐標下的、分量。

據瞬時功率理論，列寫坐標下瞬時功率方程為：

由于開關頻率遠大于網側電壓周期，相鄰周期內電壓采樣值近似相等，則引入離散化可將式（2）寫為：

式（3）中：gα（+1）與gβ（+1）為（+1）s時刻的采樣值的、分量；gα（）與gβ（）為并網電流在s時刻的、分量；gα（）與gβ（）為輸入電壓在坐標下的、分量。

將式（3）代入式（2），則相鄰采樣周期內瞬時功率表達方程可轉化為：

結合直接功率與模型預測控制策略，可列寫模型預測函數代價函數的表達方程為：

=[*－（+1）]2+[*－（+1）]2（5）

3.2 中點電位平衡控制

中點電位直流波動作為三電平換流器固有問題，可能導致并網電流畸變，影響電容壽命甚至危害系統的可靠運行。模型預測作為一種多目標跟蹤的控制算法，為中點電位控制提供了便捷方案。列寫直流側節點的電流與開關函數的關系表達工程為：附加的約束是中性點電壓的平衡。中性點電壓的偏差計算如下：

其中：

式（7）中：op（）與on（）為在第時刻的正負母線負載所流過的電流。

改進型模型預測控制代價函數表達式為：

=[*－（+1）]2+[*－（+1）]2+△（+1）（8）

式（8）中：為權重系數，0.03。

綜合上述理論分析，文中所設計的DPC-MPC算法流程如圖2所示。

圖2 DPC-MPC算法流程圖

4 實驗驗證分析

為驗證文中方案的正確性，搭建了三電平NPC型變換器實驗平臺。實驗涉及的參數如下：電網電壓380 V/50 Hz，網側升壓電感2.5 mH，直流側濾波電容2 160 μF，直流側輸出電壓720 V，采樣/控制頻率為50 kHz，輸出功率6 kW，測試結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3為并網電壓、電流輸出響應。并網電流為1.85%，有效說明了文中策略的優越性。圖4為由滿載切換至半載時的暫態響應波形，可以看到采用文中控制方案暫態性能良好，說明了文中控制方案的有效性。圖5為中點電位平衡輸出響應。當引入中點平衡控制后中點電位輸出可快速趨于平衡，也不需要添加額外的中點電位環路，避免了復雜的環路設計，同時保證了網側電流的輸出質量。

圖3 滿載運行時靜態響應波形

圖4 動態響應波形

圖5 中點電位平衡控制響應波形

5 結論

提出了一種改進型DPC-MPC雙閉環控制方法，并應用于三相NPC并網變換器。給出了詳細的理論設計步驟，最后結合實驗驗證了文中控制方案的可靠性。結果表明文中提出的改進型DPC-MPC雙閉環控制方案可以有效改善并網電流動靜態性能，網側電流諧波畸變率小，暫態響應快速，具有較好的抗干擾能力。

［1］林珍君，劉永江，李華，等.一種基于可變虛擬中矢量的三電平SVPWM 調制策略［J］.控制與信息技術，2018. （3）：27-32.

［2］陳素華.T型三電平并網逆變器模型預測控制技術研究［J］.科技通報，2016，32（6）：76-83.

［3］王美齡，王麗梅，孫永亮.一種基于模型預測控制的NPC三電平逆變器中點電位平衡控制方法［J］.電氣工程學報，2015，10（9）：66-72.

TM46

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.007

2095－6835（2020）12－0019－02

〔編輯：張思楠〕