三电平PWM整流器MPCC策略研究

摘要：对二极管箝位式三电平脉宽调制(PWM)整流器模型预测电流控制(MPCC)策略进行了研究。针对此整流器存在的中点电位波动问题，提出一种基于查表的三电平PWM整流器MPCC中点平衡方法。对三电平PWM整流器系统进行数学建模，利用系统的离散时域数学模型预测出网侧电流的未来值，进而建立包含电流偏差和中点电位的目标函数，滚动优化，将与最小目标函数相对应的开关状态输出，达到对三电平PWM整流器的高动态性能控制。最后，通过仿真和实验验证了该控制策略的正确性和有效性。
关键词：整流器；三电平；模型预测控制；电流控制

1 引言
三电平PWM整流器与两电平PWM整流器相比较，具有耐压值高、容量大、网侧电流谐波含量较低、可实现四象限运行、功率因数可调、直流母线电压可调稳定等优点，因而使其在交直交变频调速系统、光伏或风力发电并网系统、高压直流输电系统、有源电力滤波器等大功率场合得到了广泛应用。
这里将MPCC应用在三电平PWM整流器控制中，可实现对该整流器的高动态性能控制。由于三电平PWM整流器存在中点电位偏移问题，在此针对采用MPCC策略的二极管箝位式三电平变流器中点电位控制问题，提出一种简单的基于查表的三电平PWM整流器MPCC中点平衡方法。最后进行了仿真和实验，验证了理论分析的正确性和有效性。

2 三电平PWM整流器数学模型
图1为三电平PWM整流器主电路拓扑。以直流侧电容C1，C2中点O为参考点，每个桥臂有3种电压：±Udc／2，O，Udc为直流母线电压，对应的开关状态为±1，0。该整流器有27种电压矢量，图2为在两相静止α，β坐标系下的空间分布图和开关状态。

[p]
忽略网侧杂散电阻R，三电平PWM整流器在α，β坐标系中的数学模型为：


3 三电平PWM整流器MPCC原理
图3示出基于MPCC算法的三电平PWM整流器系统控制框图。

在每个采样周期开始时进行A／D采样，再将上个采样周期求得的最优开关状态输出。对采样得到的网侧相电流、相电压进行3／2坐标变换，利用系统的数学模型对电流进行预测和延时补偿。电流给定值由直流母线电压外环求得。根据2个电容电压和三电平27种电压矢量对中点的影响关系，求得中点电位的目标函数。最后建立包含电流偏差和中点电位的总目标函数，滚动优化，选取与目标函数最小值相对应的最优电压矢量，选定与最优电压矢量相对应的开关状态。在下一采样周期应用此开关状态，循环往复。
3．1 电流预测值的延时补偿
三电平PWM整流器MPCC策略在硬件实现时计算量大，尤其在进行27次滚动优化时消耗大量时间，产生延时。若不进行补偿，实际电流会在给定电流周围振荡，增大电流谐波含量。为提高MPCC策略的控制性能，需对电流预测值进行延时补偿。在每个中断周期对网侧电流值进行两次预测，以减小延时的影响。利用式(3)求得电流的第1次预测值iα(k+1)，iβ(k+1)，将式(3)向前推算一步，求得电流的第2次预测值为：

3．2 中点电位控制
三电平整流器27种电压矢量的空间分布如图2所示，每种矢量对中点电位的影响不同。其中小矢量u1～u6对中点电位产生重要影响，合理分布其作用时刻可达到对中点电位的控制。例如，u2包含两种开关状态(1 1 0)，(0 0 -1)，这两种状态对网侧电流幅值相位的影响相等，但其对中点电位的影响相反。在此基础上提出了一种基于查表的三电平PWM整流器MPCC中点平衡方法。

设中点电位调节系数为m，表1示出m与u1～u6的关系表，选其他矢量时，m=0。可列写出中点电位控制的目标函数，即：
Jmp=m[uC1(k)-uC2(k)] (5)
根据第k次采样周期获得的中点电容电压uC1(k)，uC2(k)，求取它们的偏差，根据此偏差周期性调整同一小矢量对应的两种开关状态作用次序。例如，uC1(k)与uC2(k)偏差大于零时，在滚动优化时，按表1选取m的值，利用式(5)选择使其偏差减小的开关状态，以达到对中点电位的控制。[p]
3．3 目标函数的建立
MPCC策略的目标是控制实际电流跟踪给定电流。α，β坐标系中，电流控制部分的目标函数可设为给定与预测电流的实部与虚部偏差之和，即：

式中：为电流给定值的α，β轴分量，由直流母线电压外环经2r／2s坐标变换求得。
系统总的目标函数包括电流控制和中点电位控制两部分，即：
J=Jc+Jmp (7)
[p]
4 仿真验证
利用Matlab对所论述的三电平PWM整流器MPCC策略进行仿真。仿真参数：Ts=0．1 ms，网侧线电压有效值为60 V，网侧频率为50 Hz，网侧电抗L=1．5 mH，负载侧电阻R=8 Ω。

图4a为Udc的波形，此时其给定，在0．2 s时，负载由8 Ω突变为4 Ω，Udc能快速恢复且在稳态时保持不变；图4b为稳态时直流侧uC1，uC2波形，可见，uC1，uC2波形在70 V上下波动，且波动幅度为1 V，证明所提中点控制策略有效；图4c为，系统达到稳态时网侧a相相电压ea、相电流ia波形，可见，电流正弦度好，ea与ia同相位，达到了对整流器的单位功率因数控制；图4d为稳态时ia的频谱图，THD= 2．33％，进一步说明了电流谐波含量低。

5 实验验证
在三电平PWM整流器实验平台上进行了实验验证。主电路参数与仿真参数相同。控制芯片包括DSP和FPGA，在DSP中编写直流母线电压外环程序，坐标变换等，在FPGA中实现MPCC算法。利用数字示波器对实验波形进行观测，实验波形如图5所示。

6 结论
基于模型预测电流控制策略实现的三电平PWM整流器具有动态响应快、静态性能好、单位功率因数、中点电位平衡、直流母线电压可调、电流谐波含量低等优点。仿真和实验验证了模型预测电流控制策略和所提中点控制方法的有效性。