三電平逆變器固定開關(guān)頻率的模型預(yù)測開關(guān)序列控制

關(guān)鍵詞： 三相三電平逆變器; 模型預(yù)測控制; 開關(guān)頻率

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

0引言

傳統(tǒng)模型預(yù)測控制是基于已建立的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型來預(yù)測未來時刻的系統(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)控制需求建立代價函數(shù)，利用枚舉搜索法求解出最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)，最終直接作用于變換器[1-2]。傳統(tǒng)模型預(yù)測控制的主要缺點是在整個開關(guān)周期僅有一個輸出電壓矢量作用于逆變器。此外，除非增加額外的約束，否則在幾個連續(xù)的開關(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[3-4]。

針對傳統(tǒng)模型預(yù)測控制策略，一些改良的模型預(yù)測控制策略被提出，用來解決開關(guān)頻率不固定問題。基于數(shù)字濾波器的開關(guān)頻率固定技術(shù)是通過數(shù)字濾波器將開關(guān)頻率固定或保持在一個狹窄的范圍內(nèi)[5-6]。然而，數(shù)字濾波器的應(yīng)用對模型預(yù)測控制算法的動態(tài)性能有負面影響，使該方法不適用于高性能應(yīng)用?；谌斯ぶ悄芊椒ǖ拈_關(guān)頻率固定技術(shù)是通過人工智能方法在線調(diào)整權(quán)重系數(shù)來選擇合適的工作點[7]，進而達到調(diào)節(jié)平均開關(guān)頻率的目的。文獻[7] 設(shè)計了一種實時方法，以自動選擇適當(dāng)?shù)募訖?quán)因數(shù)，從而調(diào)節(jié)逆變器的平均開關(guān)頻率。然而該類方法需要考慮廣泛的工作點，需要大量的模擬和實驗結(jié)果?；谡{(diào)制型模型預(yù)測的開關(guān)頻率固定技術(shù)是將模型預(yù)測控制器得到的最優(yōu)電壓矢量作為參考矢量，并利用調(diào)制器生成開關(guān)信號[8]。文獻[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)測控制策略，其能夠以固定開關(guān)頻率運行，并且擁有模型預(yù)測控制固有的快速動態(tài)特性。然而，該策略在調(diào)制比較低或相對較小的采樣頻率情況下會引入低頻諧波。最優(yōu)開關(guān)序列（optimal switchingsequence， OSS）固定模型預(yù)測開關(guān)頻率的方法是通過尋找而不是每個開關(guān)周期僅作用一個開關(guān)狀態(tài)[9-10]。文獻[9] 提出了基于兩個代價函數(shù)的OSSMPC來獨立控制輸出電流與電容器電壓，而無需權(quán)重系數(shù)。然而該方法需要先計算松弛問題的解，然后再使用非負約束求解最優(yōu)開關(guān)序列，計算量較大。文獻[10] 提出了一種新型代價函數(shù)評估最優(yōu)開關(guān)序列所在區(qū)域的方法，減少了計算負擔(dān)，但需要計算最優(yōu)開關(guān)序列對應(yīng)的占空比，執(zhí)行時間比較長。

本文提出了一種離散空間矢量調(diào)制和優(yōu)化開關(guān)序列模型預(yù)測控制器（DSVM-OSS-MPC）策略。所提方法利用開關(guān)序列的思想來固定開關(guān)頻率，并通過級聯(lián)MPC 來同時控制輸出電流和中性點電壓。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)算法來減少控制策略的計算負擔(dān)。與現(xiàn)有方法相比，它不僅能夠固定逆變器的開關(guān)頻率，還實現(xiàn)了更好的電流跟蹤精度和中性點電壓平衡。最后，Matlab/Simulink 仿真測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個開關(guān)連接而成，共產(chǎn)生了27個開關(guān)狀態(tài)。通過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，冗余電壓矢量8個。

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：