三相四开关容错变换器调制模型预测控制策略

吕恒志 张涛 章凯旋 何帅彪 金楠

摘要：针对传统三相四开关 TPFS容错变换器单矢量控制电流跟踪精度不够、易导致电流总谐波失真THD较大的问题，提出了一种TPFS容错变换器在αβ静止坐标系下调制模型预测控制策略.该策略基于TPFS容错变换器运行机理建立了αβ静止坐标系a相故障电流预测模型，将TPFS容错变换器4个电压矢量两两组合，用调制模型预测原理计算每个电压矢量的作用时间以减少计算量，每个控制周期选择并使用两个电压矢量以减小电流纹波.仿真和实验结果验证了该策略的可行性和有效性，TPFS容错变换器控制跟踪精度得到了改善，降低了电流谐波，保证了TPFS容错变换器的持续运行.

Abstract：Aimed at the problem that the single|vector control current tracking accuracy of three|phase four|switch （TPFS） converter was not enough， which will lead to the total harmonic distortion （THD）， a TPFS fault|tolerant converter modulation model predictive control strategy was proposed in αβ stationary coordinate system. This strategy established the current prediction model under a|phase fault in αβ stationary coordinate system based on the operating mechanism of TPFS fault|tolerant converter. The four voltage vectors of TPFS fault|tolerant converter were combined with each other，and the action time of each voltage vector was calculatedby the modulation model prediction principle to reduce the calculation amount. Two voltage vectors were selected and used in each control period to reduce the current ripple. Simulation and experimental results showed that the feasibility and effectiveness of the proposed strategy.The tracking accuracy of the TPFS fault|tolerant converter was improved， the current harmonics were reduced， and the TPFS fault|tolerant converter was guaranteed to continue to operate.

关键词：TPFS容错变换器;模型预测控制;总谐波失真

Key words：three|phase four|switch fault|tolerant converter;model predictive control;total harmonic distortion（THD）

中图分类号：TM712文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.2096-1553.2019.04.013

文章编号：2096-1553（2019）04-0087-09

0 引言

双向交直流变换器作为双向电能转换的核心部件，一旦出现故障将会造成电源与电网的解列，对电网造成冲击.

因此，为保证混合微电网稳定可靠运行，对双向交直流变换器故障容错机制及控制方法的研究具有重要意义[1-5].

为了实现变换器容错运行，通常在双向交直流變换器发生故障时，将变换器构造成三相四开关TPFS（three|phases four|switches）容错变换器结构，这种结构是将故障与直流侧电容的中点相连，使变换器可以在出现故障的情况下安全稳定地运行[6-9].模型预测控制是近年来发展起来的一类控制算法，它采用多步测试、滚动优化、反馈校正等控制策略，具有鲁棒性高、动态性能好等优点[10]，被广泛应用于同步电机、有源滤波器APF（active power filter）、并网逆变器等电力、电子领域[11].模型预测控制具有良好的自适应性，勿需使用锁相环和PWM调制，动态响应速度快[12-13].文献[14]采用模型预测电流控制，对模型预测的基本原理和工作过程进行了具体分析.文献[15]提出一种模型预测控制分层控制策略，对输出电流及电容电压等进行分层控制，验证了模型预测控制策略优良的动静态性能.但文献[14-15]使用的是单矢量预测控制，电流控制精度不够，电流谐波较大.文献[16]研究了基于多电压矢量的模型预测控制策略来控制双向AC/DC转换器，并且实现了令人满意的控制性能.但是其计算较为复杂，且计算量大.为了减少计算量，文献[17]提出了一种模型预测方法来控制双向交直流故障容错转换器，然而，由于每个控制周期仅使用一个电压矢量，所以电流纹波非常大.

为了减小TPFS容错变换器电流纹波，减小计算量，进而提高电流跟踪精度，降低电流谐波，本文拟提出一种TPFS容错变换器在αβ静止坐标系下调制模型预测控制策略，以期提高变换器的运行可靠性和控制性能，保证TPFS容错变换器持续运行，进而实现电网的安全稳定运行.

1 TPFS容错变换器故障容错模型

双向交直流变换器常见的故障类型有直流母线接地短路、直流母线电容短路、功率器件触发脉冲丢失、功率器件短路、开路、桥臂短路、输出交流侧开路、相间短路和单相对地短路等.假设a相发生故障后，重新构建的TPFS容错变换器结构如图1所示，变换器通过滤波电感L，线路电阻R与电网相连，另一端由两个电容值相等的电容器C1和C2作为级联结构的直流侧.在故障容错结构下，变换器成为仅有4个开关的器件[18-20].

4 仿真、实验结果与分析

4.1 仿真结果与分析

为了验证本文TPFS容错变换器调制模型预测控制策略性能，将其与文献[14]中传统的单矢量TPFS容错变换器控制策略进行仿真对比.仿真环境为Matlab/Simulink，设定a相发生故障，仿真系统参数为Udc=400 V，L=50 mH，e=110 V，Ts=100 μs，R=0.05 Ω.

传统控制策略和本文调制模型预测控制策略的稳态仿真结果如图6所示.由图6可知，传统方案中发生桥臂故障后因为单矢量跟踪精度不够，三相电流谐波失真较大，仿真输出电流总谐波失真THD（total harmonic distortion）为6.55%;而相比单矢量跟踪，运用本文策略跟踪精度得到了改善，谐波失真明显减小，仿真输出电流THD=2.65%.

传统控制策略和本文调制模型预测控制策略的动态仿真结果如图7所示，电流采用5—10 A的跳变.对比图7a）与图7b）可知，电流由5 A经过0.05 s后跳变为10 A，采用调制模型预测电流响应速度得到改善，且电流谐波失真明显减小.

传统控制策略和本文调制模型预测控制策略的电流纹波对比如图8所示.由图8可知，当电流参考值为5 A时，传统控制策略输出电流THD=6.55%，本文调制模型预测控制策略输出电流THD=2.65%.由于本文采用双矢量控制，因此电流控制跟踪精度得到改善，输出电流明显低于传统方案的THD，且达到并网要求.

4.2 实验结果与分析

为进一步验证变换器的工作性能和调制模型预测控制策略的有效性，进行单矢量模型预测控制和调制模型预测控制TPFS双向交直流变换器稳态及动态实验，实验中a相为故障相.实验平台采用Myway的APL-Ⅱ 型可编程双向直流电源来作为直流侧，采用Ametek的可编程交流电源来模拟交流反电动势负载，实验参数均与仿真参数一致.

4.2.1 稳态分析

电流为5 A和10 A时，传统控制策略和本文调制模型预测控制策略的电流波形如图9所示.由图9可看出，传统控制策略的控制精度不够，电流谐波失真较大;本文控制策略三相电流相比单矢量跟踪精度得到了改善，谐波失真明显减小.

4.2.2 动态分析

变换器工作在逆变模式时，能量由直流侧流向电网侧，某一时刻给定电流由5 A跳变到10 A，此时传统控制策略和本文调制模型预测的动态实验结果如图10所示.由图10可见，传统控制策略在跳变过程中电流的动态响应较慢且电流产生了小的畸变;本文下电流很快达到给定值，动态响应速度较快，从而验证了良好的动态性能.

通过实验对比可知，TPFS容错变换器在传统控制方案下，单矢量跟踪精度不够，三相电流

谐波失真较大，而采用本文调制模型预测控制策略能够保证变换器连续可靠运行.实验结果验证了本文提出策略的有效性.

5 结语

为保证TPFS容错变换器持续运行，提高变换器运行可靠性和控制性能，本文提出了一种双电压矢量的模型预测控制策略.该策略基于TPFS容错转换器的4个基本电压矢量定义4个电压矢量组合，采用调制模型预测控制原理计算每个电压矢量的持续时间，从而进行模拟研究.理论分析和仿真、实验结果均验证了该策略的可行性和有效性，以及具有电流THD较低、动态响应快的控制性能.

此外，采用该策略增加了TPFS容错变换器的稳定性，提高了电能质量，从而降低了线路损耗，保障了电网运行的可靠性和稳定性.

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