三电平并网逆变器模型预测直接功率控制的关键问题研究

发布时间：2020-07-27 07:21

【摘要】：近些年,可再生能源的过快增长导致产能过剩,而分布式发电系统被认为是一种很好的解决方案。并网逆变器作为可再生能源发电设备与电网进行能量交换的桥梁,其性能的优化对分布式发电系统的稳态性能和动态响应速度的提高有着至关重要的作用。模型预测控制以其算法易于实施、动态响应速度快以及可以实现多目标优化的优点,在众多的控制算法中受到最广泛的关注。但是模型预测控制也有其自身的缺陷,比如计算量大、开关频率不恒定等。计算量大的问题限制其在多电平并网逆变器中的应用;开关频率不恒定的问题使得并网逆变器输出电压的谐波频谱范围广,增加了交流侧滤波电路设计的难度。本文针对传统模型预测控制计算量大、开关频率变化的问题,提出了几种基于模型预测直接功率控制的控制算法。以T型三电平并网逆变器为例,说明了这些算法的优越性。此外,为了使并网逆变器在电网发生故障时能够稳定运行,提出了一种模型预测灵活功率控制算法。针对计算量大的问题,为了改善传统模型预测控制的寻优过程,本文提出了两步模型预测直接功率控制算法,使循环计算次数从25次降低至12次,同时提出了新的延迟时间补偿方法来提高并网逆变器的稳态性能。针对开关频率不恒定的问题,本文在两步模型预测直接功率控制算法的基础上,提出双开关矢量模型预测直接功率控制算法。该算法的开关序列包括两个开关矢量来实现有功功率和无功功率的调节,并同时平衡直流母线中点电压。相对于传统模型预测直接功率控制,当三电平并网逆变器采用双开关矢量模型预测直接功率控制时,其输出电压的谐波的频率主要集中在采样频率附近,且网侧电流谐波与功率纹波明显减少。但是双开关矢量模型预测直接功率控制不能减少控制程序的计算量。吸取两步模型预测直接功率控制算法与双开关矢量模型预测直接功率控制算法的优点,本文提出四步模型预测直接功率控制算法。该算法使用三矢量开关序列,来代替传统的模型预测直接功率控制的开关矢量,达到实现开关频率恒定的目的。同时提出新的代价函数和四步寻优方法,来降低控制程序计算量。相比于传统模型预测直接功率控制,四步模型预测直接功率控制不仅可以降低控制程序的计算量,而且可以实现恒定的开关频率。但是,四步模型预测直接功率控制的开关频率要比传统模型预测直接功率控制的高,这使得死区时间对并网逆变器稳态性能(如电流谐波总含量)的影响增加。本文提出一种结合死区补偿与死区消除的方法来消除死区时间的不利影响,达到提高并网逆变器稳态性能的目的。当交流侧相电流远离过零点时,控制程序采用死区消除方法来实现在无死区时间时完成开关矢量的切换。当交流侧相电流靠近过零点时,控制程序在开关序列中插入死区时间,同时通过修正给定的有功功率和无功功率来补偿死区时间的影响。在电网正常时,采用上述方法的三电平并网逆变器具有优秀的稳态和动态性能,而当电网电压发生跌落或者不平衡时,网侧电流的幅值和谐波会迅速增大。因此,本文提出模型预测灵活功率控制,来降低故障电网下网侧电流的谐波含量,并提供过流保护。当无功功率给定值为零时,该算法把有功功率的参考值分成两部分,分别用于消除有功功率振荡和无功功率振荡,并且推导出两部分功率比例η与电流峰值的关系。通过调节η来控制有功功率和无功功率振荡的幅值,达到以牺牲最小的额定功率来实现过流保护,降低网侧电流的谐波,并将有功功率和无功功率的振荡降至最低。最后,对本文提出的所有算法通过实验进行验证,实验结果表明所述算法都能达到预期的目标。这些算法对模型预测直接功率控制在功率变换器的应用与推广具有积极的意义。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM464

【参考文献】