三電平NPC整流器預(yù)測(cè)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(gè)領(lǐng)域。三電平中性點(diǎn)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(diǎn),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(diǎn)電壓波動(dòng)等固有問題,限制了其實(shí)際應(yīng)用。
近年來(lái),有限控制集模型預(yù)測(cè)控制(FCS-MPC)、直接模型預(yù)測(cè)控制(DMPC)等先進(jìn)控制策略在電力變流器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)優(yōu)點(diǎn),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(cè)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(diǎn),提高系統(tǒng)的整體性能,即消除無(wú)功功率波動(dòng),精準(zhǔn)調(diào)節(jié)有功功率、無(wú)功功率、中性點(diǎn)電壓和直流母線電壓。最后,利用Matlab/Simulink軟件對(duì)所提出的P-DPC策略性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
1 三電平NPC整流器
三電平NPC整流器拓?fù)浣Y(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(wú)功功率Q、電網(wǎng)電壓e和電網(wǎng)電流i確定,即:
2 預(yù)測(cè)直接功率控制策略
預(yù)測(cè)控制策略,是對(duì)系統(tǒng)模型中待控制變量的未來(lái)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)三電平NPC整流器的控制需要,將功率(即有功功率、無(wú)功功率)和中性點(diǎn)直流電壓同時(shí)作為控制目標(biāo),預(yù)測(cè)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(shí)部(Re)和虛部(Im),可得有功功率P、無(wú)功功率Q的導(dǎo)數(shù)為:
將式(4)轉(zhuǎn)化為d-q坐標(biāo)系下的導(dǎo)數(shù):
設(shè)系統(tǒng)采樣周期為Ts,當(dāng)前采樣時(shí)刻為k,下一個(gè)采樣周期為k+1,則每一個(gè)采樣周期內(nèi)有功功率p、無(wú)功功率Q的變化量可表示為:
將式(6)代入式(5)可得k+1時(shí)刻有功功率p、無(wú)功功率Q的預(yù)測(cè)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(diǎn)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(shí)刻的中點(diǎn)電壓為:
預(yù)測(cè)直接功率控制的目的是通過滾動(dòng)預(yù)測(cè),使有功功率p(k+1)、無(wú)功功率Q(k+1)和中點(diǎn)電壓U0 (k+1)的預(yù)測(cè)值跟蹤它們各自的參考值(即有功功率、無(wú)功功率和直流電壓差)變化,從而確保實(shí)際輸出有功功率、無(wú)功功率與參考值保持一致,中點(diǎn)電壓保持為零。為實(shí)現(xiàn)這些控制目標(biāo),設(shè)定價(jià)值函數(shù):
式中:K1、K2、K3分別為有功功率、無(wú)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(wú)功功率參考值。
3仿真試驗(yàn)
為了驗(yàn)證所提三電平NPC整流器預(yù)測(cè)直接功率控制策略的有效性,進(jìn)行了Matlab/Simulink仿真試驗(yàn)。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(fù)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(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,將所提控制策略試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[5]提出的傳統(tǒng)開關(guān)表式直接功率控制試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。設(shè)定在t=0.225 s時(shí)刻
輸出負(fù)載RL由60Ω降低至52Ω,在0.45S時(shí)刻再由52 Ω增大至60 Ω。在0—0.5 S期間無(wú)功功率參考值Qref設(shè)定為0 var,在0.5 S時(shí)刻參考值由0 var突增至500 var,在0.6S時(shí)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(cè)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(wú)功功率波形會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng),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(zhǔn),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(yùn)行、輸出負(fù)載階躍變化、無(wú)功功率參考值階躍變化時(shí)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(cè)控制的直接功率控制策略,在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、輸出負(fù)載階躍變化、無(wú)功功率參考值階躍變化時(shí),系統(tǒng)有功功率、無(wú)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(zhǔn)變化,具有很好的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能。同時(shí),輸出波形畸變率低,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、輸出負(fù)載階躍變化、無(wú)功功率參考值階躍變化時(shí)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(cè)直接功率控制策略,其目的是保證對(duì)整流器有功功率、無(wú)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(wú)功功率能很好地跟隨參考值變化,表現(xiàn)出了很高的動(dòng)穩(wěn)態(tài)性能,具有很好的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
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2024年第19期第5篇
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