NPC型并网变换器的预测控制研究

孙泽廷

NPC型并网变换器的预测控制研究

孙泽廷

（天津港保税区益诚电力设备有限公司，天津 300450）

三相三电平NPC型并网变换器器具有功率密度高、开关电压应力低、网侧电流谐波小等优势，在微网中获得了广泛应用。采用传统控制策略时，并网电流性能对于控制器参数取值依赖性强，网侧电流畸变且系统抗干扰性差。为有效改善并网电流动静态性能，提出并采用了基于模型预测的直接功率控制环路，通过完整的实验验证分析证明了该策略的可靠性。

NPC并网变换器；模型预测；直接功率控制；延时补偿

1 引言

NPC型并网变换器作为一种典型的三电平结构，由于具有分立元件少、系统可靠性高、电流畸变小等优点，在中小功率PFC模块中获得了广泛应用[1]，因此如何改善并网性能具有重要研究意义。模型预测算法作为一种高效的多目标跟踪算法，有效规避了并网性能高度依赖于传统控制器参数的缺陷，具有易于理解且可实现多目标跟踪等优势，引起了广大学者的普遍关注[2-3]。

文中以NPC变换器为研究对象，实现了模型预测与直接功率控制策略的有效结合，给出了适用于NPC型变换器的直接功率模型预测控制（DPC-MPC），并进一步针对中点电位波动，给出了新型预测算法实现方案。最后，基于实时测试平台进行了完善的验证分析。

2 三电平NPC并网变换器电路拓扑与数学模型

文中采用的三相三电平NPC型并网变换器电路拓扑如图1所示。其中sx（=，，）为三相交流电网电压，为交流侧升压电感，x1-4（=，，）为电流开关，直流侧输出电容由1与2构成，L1与L2为负载电阻，0为直流输出电压。

图1 三电平NPC变换器电路拓扑

3 基于模型预测的直接功率控制策略

3.1 直接功率控制原理

根据图1所示的电路拓扑，可得静止坐标系下NPC变换器状态表达方程为：

式（1）中：gα与gβ分别为并网电流在坐标系下的、分量；gα与gβ为三相并网电压在坐标下的、分量；α与β为输出电压在坐标下的、分量。

据瞬时功率理论，列写坐标下瞬时功率方程为：

由于开关频率远大于网侧电压周期，相邻周期内电压采样值近似相等，则引入离散化可将式（2）写为：

式（3）中：gα（+1）与gβ（+1）为（+1）s时刻的采样值的、分量；gα（）与gβ（）为并网电流在s时刻的、分量；gα（）与gβ（）为输入电压在坐标下的、分量。

将式（3）代入式（2），则相邻采样周期内瞬时功率表达方程可转化为：

结合直接功率与模型预测控制策略，可列写模型预测函数代价函数的表达方程为：

=[*－（+1）]2+[*－（+1）]2（5）

3.2 中点电位平衡控制

中点电位直流波动作为三电平换流器固有问题，可能导致并网电流畸变，影响电容寿命甚至危害系统的可靠运行。模型预测作为一种多目标跟踪的控制算法，为中点电位控制提供了便捷方案。列写直流侧节点的电流与开关函数的关系表达工程为：附加的约束是中性点电压的平衡。中性点电压的偏差计算如下：

其中：

式（7）中：op（）与on（）为在第时刻的正负母线负载所流过的电流。

改进型模型预测控制代价函数表达式为：

=[*－（+1）]2+[*－（+1）]2+△（+1）（8）

式（8）中：为权重系数，0.03。

综合上述理论分析，文中所设计的DPC-MPC算法流程如图2所示。

图2 DPC-MPC算法流程图

4 实验验证分析

为验证文中方案的正确性，搭建了三电平NPC型变换器实验平台。实验涉及的参数如下：电网电压380 V/50 Hz，网侧升压电感2.5 mH，直流侧滤波电容2 160 μF，直流侧输出电压720 V，采样/控制频率为50 kHz，输出功率6 kW，测试结果如图3、图4、图5所示。

图3为并网电压、电流输出响应。并网电流为1.85%，有效说明了文中策略的优越性。图4为由满载切换至半载时的暂态响应波形，可以看到采用文中控制方案暂态性能良好，说明了文中控制方案的有效性。图5为中点电位平衡输出响应。当引入中点平衡控制后中点电位输出可快速趋于平衡，也不需要添加额外的中点电位环路，避免了复杂的环路设计，同时保证了网侧电流的输出质量。

图3 满载运行时静态响应波形

图4 动态响应波形

图5 中点电位平衡控制响应波形

5 结论

提出了一种改进型DPC-MPC双闭环控制方法，并应用于三相NPC并网变换器。给出了详细的理论设计步骤，最后结合实验验证了文中控制方案的可靠性。结果表明文中提出的改进型DPC-MPC双闭环控制方案可以有效改善并网电流动静态性能，网侧电流谐波畸变率小，暂态响应快速，具有较好的抗干扰能力。

［1］林珍君，刘永江，李华，等.一种基于可变虚拟中矢量的三电平SVPWM 调制策略［J］.控制与信息技术，2018. （3）：27-32.

［2］陈素华.T型三电平并网逆变器模型预测控制技术研究［J］.科技通报，2016，32（6）：76-83.

［3］王美龄，王丽梅，孙永亮.一种基于模型预测控制的NPC三电平逆变器中点电位平衡控制方法［J］.电气工程学报，2015，10（9）：66-72.

TM46

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.12.007

2095－6835（2020）12－0019－02

〔编辑：张思楠〕