三電平NPC整流器預測直接功率控制研究

0引言

在過去近20年中'功率轉換器廣泛應用于工業(yè)部門、交通部門、可再生能源系統(tǒng)、電力系統(tǒng)等多個領域。三電平中性點籍位(NPC)變換器由于其具有輸出功率大、輸入電流諧波畸變小、開關電壓應力小等優(yōu)點,已成為多電平變換器中應用最廣泛的一種變換器^[1]。但是,該變換器存在電壓漂移和中性點電壓波動等固有問題,限制了其實際應用。

近年來,有限控制集模型預測控制(FCS-MPC)、直接模型預測控制(DMPC)等先進控制策略在電力變流器、電機驅動和可再生能源系統(tǒng)等許多領域得到了應用^[2-4]。FCS-MPC具有多個優(yōu)點,例如消除了線性PI控制器和調制解調器。

本文提出了一種三電平NPC整流器預測直接功率控制(P-DPC)策略,旨在消除傳統(tǒng)的開關表式直接功率控制策略的缺點,提高系統(tǒng)的整體性能,即消除無功功率波動,精準調節(jié)有功功率、無功功率、中性點電壓和直流母線電壓。最后,利用Matlab/Simulink軟件對所提出的P-DPC策略性能進行了仿真驗證。

1 三電平NPC整流器

三電平NPC整流器拓撲結構如圖1所示,電網(wǎng)電壓e通過濾波電阻R、電感L與三電平NPC整流器連接,i為輸入整流器的電網(wǎng)電流,0為整流器輸出電壓。系統(tǒng)數(shù)學模型可表示為:

系統(tǒng)輸出復功率S可由有功功率P、無功功率Q、電網(wǎng)電壓e和電網(wǎng)電流i確定,即:

2 預測直接功率控制策略

預測控制策略,是對系統(tǒng)模型中待控制變量的未來行為進行預測。根據(jù)三電平NPC整流器的控制需要,將功率(即有功功率、無功功率)和中性點直流電壓同時作為控制目標,預測直接功率控制(P-DPC)策略的控制框圖如圖2所示。

將式(2)中的復功率S求導可得:

式中:w為角頻率。

將復功率導數(shù)分解為實部(Re)和虛部(Im),可得有功功率P、無功功率Q的導數(shù)為:

將式(4)轉化為d-q坐標系下的導數(shù):

設系統(tǒng)采樣周期為Ts,當前采樣時刻為k,下一個采樣周期為k+1,則每一個采樣周期內有功功率p、無功功率Q的變化量可表示為:

將式(6)代入式(5)可得k+1時刻有功功率p、無功功率Q的預測值為:

根據(jù)電流的流向和上下電容電壓(U_dc1和U_dc2)之間的誤差,中點電壓U₀可以寫成:

式中:C為C₁與C₂和的平均值;i_abc為輸入整流器電流;u_abc為三電平NPC整流器的開關狀態(tài)。

將式(8)離散化求得一階導數(shù)后展開,可得k+1時刻的中點電壓為:

預測直接功率控制的目的是通過滾動預測,使有功功率p(k+1)、無功功率Q(k+1)和中點電壓U₀ (k+1)的預測值跟蹤它們各自的參考值(即有功功率、無功功率和直流電壓差)變化,從而確保實際輸出有功功率、無功功率與參考值保持一致,中點電壓保持為零。為實現(xiàn)這些控制目標,設定價值函數(shù):

式中:K1、K2、K3分別為有功功率、無功功率和直流電壓平衡的權重因子;P_ref、Q_ref分別為有功功率、無功功率參考值。

3仿真試驗

為了驗證所提三電平NPC整流器預測直接功率控制策略的有效性,進行了Matlab/Simulink仿真試驗。系統(tǒng)仿真參數(shù)為:電網(wǎng)電壓e=170 V,濾波器電阻R=0.3 Ω,濾波器電感L=0.01 H,系統(tǒng)頻率?=50 Hz,負載電阻R_L=60Ω,直流側電容C₁=C₂=680μF,直流側電壓U_dc=500 V。

為了評估整個系統(tǒng)的動穩(wěn)態(tài)性能,將所提控制策略試驗結果與文獻[5]提出的傳統(tǒng)開關表式直接功率控制試驗結果進行了對比。設定在t=0.225 s時刻

輸出負載R_L由60Ω降低至52Ω,在0.45S時刻再由52 Ω增大至60 Ω。在0—0.5 S期間無功功率參考值Q_ref設定為0 var,在0.5 S時刻參考值由0 var突增至500 var,在0.6S時刻又突降至0 var。圖3、圖4分別為基于開關表的直接功率控制策略仿真結果和所提基于預測控制的直接功率控制策略仿真結果。

從圖3可以看出,采用傳統(tǒng)的基于開關表策略的直接功率控制方法,無功功率波形會出現(xiàn)異常波動,直流側上端電容電壓U_dc1和下端電容電壓U_dc2控制不夠精準,輸入整流器電流質量不是很高,波形畸變較高,穩(wěn)態(tài)運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時的總諧波失真(THD)分別為2.65%、3.27%、2.78%。從圖4可以看出,采用基于預測控制的直接功率控制策略,在穩(wěn)態(tài)運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時,系統(tǒng)有功功率、無功功率、直流母線電壓、直流側上端電容電壓U_dc1和下端電容電壓U_dc2均能跟隨參考值精準變化,具有很好的動穩(wěn)態(tài)性能。同時,輸出波形畸變率低,穩(wěn)態(tài)運行、輸出負載階躍變化、無功功率參考值階躍變化時的總諧波失真(THD)分別為0.23%、0.20%、0.23%。

4結論

本文提出并討論了一種三電平NPC整流器的預測直接功率控制策略,其目的是保證對整流器有功功率、無功功率和上下電容電壓的精確控制。所提方法消除了傳統(tǒng)開關表式直接功率控制策略的不足,有功功率和無功功率能很好地跟隨參考值變化,表現(xiàn)出了很高的動穩(wěn)態(tài)性能,具有很好的工業(yè)應用價值。

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2024年第19期第5篇