同济大学科研人员提出T型三电平整流器定频控制的新方法

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随着能源危机和环境污染形势的日益严峻，新能源技术得到广泛重视和快速发展。储能系统在新能源利用中起到重要作用，其中储能变流器是储能系统的核心环节，三电平中点钳位拓扑因其结构简单、器件电压应力低、输出电压和电流质量高的优点得到广泛应用，但是在低电压场合仍然存在转换效率较低和开关器件较多的问题。

而T型三电平整流器可以有效减少开关管数量，能够在低电压大电流应用场景下获得良好的动静态性能，并且具有更高的转换效率，因此在储能系统中具有良好的应用价值。

针对T型三电平整流器，模型预测控制（model predictive control, MPC）作为一种先进的控制策略，能够取代传统比例积分（PI）控制，消除换流器带来的非线性影响，有效解决控制器设计复杂、系统超调等问题。

其中，有限集模型预测控制（finite control set-model predictive control, FCS-MPC）具有动态响应快且能实现多目标优化等优点，因此在T型三电平整流器控制中具有良好的应用潜力。传统FCS-MPC中，在一个控制周期内通常采用单一电压矢量控制，这会带来开关频率不固定的问题，最终导致直流侧电压和传输功率的波动。

为了解决T型三电平整流器中点电位不平衡问题，虽然模型预测控制在提高T型三电平整流器的控制性能方面具有一定的优势和潜力，但在实际应用中仍然存在开关频率不固定、计算量过大等挑战，严重影响了T型三电平整流器控制的效果。

针对以上问题，同济大学电子与信息工程学院的研究人员许嘉杰、李锐华、胡波，在2022年第6期《电气技术》上撰文，提出一种基于快速矢量选择的三矢量定频模型预测控制算法（fast vector selection-three vector-model predictive control, FVS-3V-MPC），利用无差拍的思想将电流跟踪转化为电压跟踪，剔除远离参考电压矢量和对中点电位平衡调整不利的电压矢量，并根据参考电压矢量确定控制周期内的开关矢量。在此基础上，利用电压跟踪代价函数得到开关矢量的作用时间，最终根据切换顺滑原则得到开关序列，最后进行仿真研究。

图1 FVS-3V-MPC系统控制框图

他们表示，针对计算量大的问题，该控制策略通过无差拍的思想预测交流侧参考电压矢量，将滚动优化过程中电压矢量的预测次数从27减小到3，实现了矢量的快速预测。针对T型三电平整流器中点电位不平衡的问题，利用冗余小矢量进行控制，避免了传统模型预测控制中对权重因子整定困难的问题。此外，针对开关频率不固定带来的电压和功率波动问题，通过三矢量合成实现定频控制。

研究人员指出，仿真结果表明，与传统有限集模型预测控制相比，该方法在固定开关频率的基础上，能够大大减小计算量，实现固定开关频率，有效改善系统中点电位不平衡问题，从而减小功率和电压脉动，获得良好的控制性能。

本文编自2022年第6期《电气技术》，论文标题为“基于三矢量模型预测控制的T型三电平整流器定频控制策略”，作者为许嘉杰、李锐华 等。本课题得到教育部2021年产学合作协同育人项目的支持。

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