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三电平逆变器及其并联系统模型预测控制研究

汪小东  
【摘要】:在电力能源消费和新能源发电等系统中,以逆变器为核心的能量变换装置对于保证能量的顺利流动以及实现高品质的电能供应具有重要的作用。为了满足人们对电能质量和利用效率越来越高的要求,新的逆变器拓扑结构和控制方法被不断提出和研究。三电平逆变器因其具有更低的输出谐波、更高的转换效率等优点成为了研究和应用的热点。与此同时,模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)方法被公认为是逆变器控制领域内新一代最具潜力的高性能控制方法。然而,目前应用MPC方法到三电平逆变器中的研究尚不完备且存在诸多问题未解决。因此,本文以三电平逆变器及其并联系统为具体研究对象,基于MPC方法深入研究三电平逆变器的直接功率控制性能优化、非隔离型三电平光伏逆变器的漏电流抑制、考虑死区效应的三电平逆变器共模电压抑制以及三电平逆变器并联系统的零序环流抑制等关键问题,以期运用MPC方法解决三电平逆变器及其并联系统实际应用中的上述问题。论文的主要工作和创新点如下:首先,本文以T型三电平逆变器为例,分析了其基本工作原理,并分别推导了其电流预测模型以及功率预测复矢量模型。介绍了有限控制集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)算法的基本原理,并进一步分析了算法实施过程中所涉及的计算延迟补偿和外推插值两个关键技术点,通过仿真验证了其有效性。其次,针对传统直接功率控制方法(Direct Power Control,DPC)存在稳态精度不高的问题,本文提出了一种新的模型预测直接功率控制方法(Model Predictive Direct Power Control,MPDPC)。构建了以功率复矢量的共轭为变量的功率复矢量预测新模型,在此基础上详细分析了其矢量选择规则和权函数的设计过程,给出了算法实施的具体步骤。通过采用逆变器的精确模型替代传统DPC方法的开关矢量表,本文提出的MPDPC方法相较于传统DPC方法能够显著地提升逆变器的稳态及动态性能。对比实验验证了本文提出的MPDPC方法的有效性。针对非隔离型三电平光伏逆变器系统存在漏电流这一问题,推导了系统漏电流的数学模型,证明了共模电压的波动是漏电流的激励源。在此基础上,提出了通过修改控制集的MPC方法来维持共模电压恒定进而抑制漏电流,给出了系统的整体控制框图,并通过仿真和对比实验对提出方法进行了分析和验证。为实现三电平逆变器考虑死区效应的共模电压抑制,在通过修改控制集来实现共模电压恒定的模型预测控制方法的基础上,进一步详细分析了死区效应对于共模电压的影响,提出了一种基于MPC方法的考虑死区效应的共模电压抑制方法。该方法根据当前作用的矢量来重新优化控制集以保证共模电压在死区状态时维持不变。仿真和实验结果表明了本文提出的方法能够有效地抑制由死区效应所导致的共模电压波动。最后,针对三电平逆变器并联系统存在零序环流(Zero Sequence Circulating Current,ZSCC)这一问题,以两台T型三电平逆变器组成的并联系统为例推导了其零序环流的数学模型,证明了并联逆变器间的共模电压差和中点电位差均是零序环流的激励源。在此基础上,提出了基于MPC方法的零序环流抑制策略,并详细给出了权函数中相关参数的设计方法。本文提出的零序环流抑制策略通过在权函数中增加额外的共模电压控制项来维持各并联逆变器的共模电压恒定,进而消除并联逆变器间的共模电压差,并通过进一步修改权函数来主动扰动母线中点电位以实现零序环流的闭环补偿。该控制策略能直接拓展应用于多机并联系统。仿真和实验验证了本策略能够有效地抑制并联逆变器间的零序环流。


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