三電平NPC整流器預(yù)測直接功率控制研究
0引言
在過去近20年中'功率轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)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(lǐng)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(guān)電壓應(yīng)力小等優(yōu)點,已成為多電平變換器中應(yīng)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(yīng)用。
近年來,有限控制集模型預(yù)測控制(FCS-MPC)、直接模型預(yù)測控制(DMPC)等先進控制策略在電力變流器、電機驅(qū)動和可再生能源系統(tǒng)等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)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(diào)制解調(diào)器。
本文提出了一種三電平NPC整流器預(yù)測直接功率控制(P-DPC)策略,旨在消除傳統(tǒng)的開關(guān)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(diào)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(jié)構(gòu)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(xué)模型可表示為:
系統(tǒng)輸出復(fù)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(yù)測直接功率控制策略
預(yù)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(yù)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(yù)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(fù)功率S求導(dǎo)可得:
式中:w為角頻率。
將復(fù)功率導(dǎo)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(dǎo)數(shù)為:
將式(4)轉(zhuǎn)化為d-q坐標系下的導(dǎo)數(shù):
設(shè)系統(tǒng)采樣周期為Ts,當(dāng)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(nèi)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(yù)測值為:
根據(jù)電流的流向和上下電容電壓(Udc1和Udc2)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;iabc為輸入整流器電流;uabc為三電平NPC整流器的開關(guān)狀態(tài)。
將式(8)離散化求得一階導(dǎo)數(shù)后展開,可得k+1時刻的中點電壓為:
預(yù)測直接功率控制的目的是通過滾動預(yù)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(yù)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(shè)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(quán)重因子;Pref、Qref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(yù)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RL=60Ω,直流側(cè)電容C1=C2=680μF,直流側(cè)電壓Udc=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(jié)果與文獻[5]提出的傳統(tǒng)開關(guān)表式直接功率控制試驗結(jié)果進行了對比。設(shè)定在t=0.225 s時刻
輸出負載RL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Qref設(shè)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(guān)表的直接功率控制策略仿真結(jié)果和所提基于預(yù)測控制的直接功率控制策略仿真結(jié)果。
從圖3可以看出,采用傳統(tǒng)的基于開關(guān)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(cè)上端電容電壓Udc1和下端電容電壓Udc2控制不夠精準,輸入整流器電流質(zhì)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(yù)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(cè)上端電容電壓Udc1和下端電容電壓Udc2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(jié)論
本文提出并討論了一種三電平NPC整流器的預(yù)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(guān)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(yīng)用價值。
[參考文獻]
[1]蔣佳琛,一政.一種三電平NPC變換器中點電位平衡控制策略[J].電氣傳動自動化,2023,45(6):1-5.
[2] 席裕庚,李德偉,林姝.模型預(yù)測控制——現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)[J].自動化學(xué)報,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] 霍智偉,裴旭東.基于FCS-MPC的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越技術(shù)研究[J].機電信息,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
下載文檔
