中南大学等单位学者提出三电平变换器模型预测控制的新方法

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随着软硬件技术的不断发展，更多的控制策略在电力电子变换器上得到了应用。模型预测控制在近年来成为了一个研究热点。其中，有限集模型预测控制（Finite-Control-Set-Model Predictive Control, FCS-MPC）因具有简单的控制结构和良好的控制性能而备受关注，并成为了一种有效的电力电子变换器的控制方案，其基本原理为构建多目标优化价值函数，根据预测值和期望值的偏差来确定控制量。基于不同的控制目标，电力电子变换器中有限集模型预测控制的应用可以分为电流控制和直接功率控制。

在电子电力变换器运行过程中，为保证顺利完成开关状态切换，需要在切换过程中加入死区。但是，死区降低了模型的准确性，增大了变换器输出电压和电流的畸变率和纹波，影响控制性能。因此，有限集模型预测控制在变换器中应用时需要考虑死区问题。现有的控制策略大多采用补偿或消除来减小死区的影响。

但采用“变死区时间”的方法在三电平变流器中应用时，最优基本矢量及对应的死区电压矢量合成得到的虚拟矢量可能并非是最优解。三电平变换器中存在27个基本矢量，若逐一优化死区时间，需要进行27次迭代，导致计算量繁重。因此，需要减少迭代次数。

目前为了解决有限集模型预测控制算法寻优复杂问题，所提出的方法主要基于以下两点：①优化矢量迭代计算的顺序；②通过无差拍预测电流或功率得到参考矢量。相关控制策略需要将简化控制集中的矢量逐一代入电流或功率预测模型中，仍存在较大的计算量。为解决该问题，有学者在电流控制中根据参考矢量所在扇区采用查表法确定简化控制集并优化价值函数，但该策略不适用于功率控制且无法拓展到多电平变换器。

中南大学自动化学院、中国科学院等离子体物理研究所的周汉斌、杨建、陈晓娇、黄连生、董密，在2022年第20期《电工技术学报》上撰文，以三电平变换器为研究对象，针对有限集模型预测控制中计算量大、死区影响的问题进行了研究和分析，提出了考虑死区电压矢量的快速有限集模型预测控制策略。

图1 考虑死区电压矢量的FCS-MPC策略框架

图2 三电平逆变器实验样机

他们指出，与传统模型预测控制相比，该控制策略可使输出电流脉动减小，电流总谐波畸变率降低约40%～50%，显著地提高了变换器的控制性能。该策略具有以下特点：

（1）优化价值函数，有效降低迭代计算量：采用基本矢量和参考矢量之间的欧氏距离取代传统价值函数中电流预测偏差值，从而避免了复杂的电流预测模型计算。

（2）简化控制集，显著缩小寻优空间：根据无差拍预测电流得到参考矢量，并提出了一种通用的代数方法得到参考矢量的最近三个基本矢量及其冗余矢量，以此构建简化控制集。

（3）考虑死区效应，构建虚拟矢量控制集：逐一分析简化控制集中基本矢量对应的死区电压矢量，并优化死区时间，两者合成得到与参考矢量欧氏距离最小的虚拟矢量，从而构建虚拟矢量控制集。

（4）实现双矢量控制，提高控制性能：基于价值函数选择最优虚拟矢量，并输出对应的控制波形。控制性能得到提高，并同时保证开关次数基本不变。

研究人员指出该策略在保持其他性能参数基本不变的情况下，提高了三电平变换器的控制性能，减少了计算量，尤其适用于高电压大电流的工况。

本文编自2022年第20期《电工技术学报》，论文标题为“考虑死区电压矢量的三电平变换器模型预测控制”。本课题得到国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金面上项目和安徽省科技重大专项项目的支持。

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