第1期 2014年1月 电 源 学 报 No.1 Journal of Power Supply Jan.2014 DOI:10.13234/j.issn.2095—2850.2014.1-48 中图分类号:TM464 文献标志码:A 级联H桥多电平并网逆变器的模型预测控制研究 杨腾飞,韩金刚,赵铭,汤天浩 (上海海事大学物流工程学院电气自动化系,上海201306) 摘要:模型预测控制由于具有动态响应好、电流跟踪能力精确等优点,现今它已在功率变换器领域成为一种有 前景的控制技术。采用一种改进型模型预测控制策略,主要研究级联H桥多电平逆变器的模型预测并网控制,解决 多电平并网逆变器计算量大、难以在线实施控制的缺点。以dSPAcE/Ds1104作为控制器,级联H桥7电平光伏并 网逆变器为硬件平台,通过实验验证模型预测控制技术在光伏并网逆变器控制上的优越性能.分析不同功率因数下 并网逆变器对电网电流的影响。 关键词:多电平逆变器;级联H桥;模型预测控制;并网逆变器;dSPACE Model Predictive Control of Cascade H-Bridge Multilevel Grid- connected Inverter YANG Teng—fei,HANG Jin—gang,ZHAO Ming,TANG Tian—hao (Department of Electircal Automation,Logistics Engineeirng College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China) Abstract:Recently years,model predictive control(MPC)method has emerged as a promising technique in the current control of power converter for its advantages such as good dynamic performances and accurate control capability. In order to reduce the amount of calculations in the practical implementation,a simpliied modelf predictive current control method for a multilevel cascaded H—bridge grid—connected inverter was presented.A dSPACE/DS1 104 and a three cell seven level cascaded H—bridge inverter were used as the experimentl plaatform.The steady—state and dynamic performance of the grid—connected current was investigated with the compensation in reactive power.Simulation and experimentla resltus validate the supeirority in鲥d—connected area of the proposed model predictive control method. Key words:multilevel inverter;cascaded H—bridge;model predictive control;gnd—connected inverter;dSPACE 引言 和传统逆变器相比,级联H桥多电平逆变器具 压的要求,更主要的是降低了 / 的数值。这些特 点使得级联H桥多电平逆变器在发电并网环节得 到了越来越多学者的关注。然而并网电流的质量不 有能够降低并网电流谐波、提高输出效率、减少开 关频率和易于扩展等优点_l_]】。用多只逆变器串联实 现高压逆变器不仅可以降低对功率半导体器件耐 收稿日期:2013-12—16 仅需要在硬件电路拓扑上改善.而且也需要选择一 个合适的控制方法。 模型预测控制(MPC)由于控制方法明确简单、 动态性能好、电流跟踪能力精确、可以简单地包含 系统的非线性与性等诸多优点.它已在功率变 换器和交流电机驱动等方面成为一种有前景的控 基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(51007056);上海市科委 国际合作项目(11 16O7O78oo) Project Suppoaed by National Natural Science Foundation of China for Distinguished Young Scholars f5 1007056);Shanghai Committee of Sci. enee and Technolo ̄f1 1 1607078001 制技术 。文献[7]中是一个电压源型逆变器的模型 第1期 杨腾飞,等:级联H桥多电平并网逆变器的模型预测控制研究 49 预测控制,通过与经典的控制方法相比,模型预测 L=2C+I (1) 控制显示出了它的简单、高效、动态响应好的特点。 在多电平逆变器中,MPC已经应用于三相三电平 NPC逆变器、三相级联H桥逆变器和27电平的非 因为每个逆变单元的桥臂上都有两个开关信 号,则总的输出电压可以表示为: = 。对称逆变器[8,91。 . ∑( 一 , ) (2) 式中S和S汜是第i个单元的二进制开关信 1系统模型 图1(a)所示为单相三单元级联H桥光伏并网 逆变器的主电路拓扑结构,图1(b)所示为每个逆变 单元的基本电路拓扑,图中每个逆变单元光伏直流 输入电压为 。在图1(b)所示的电路中,每个单元 输出+ 、0、一 三个电平,如果包含C个单元,则 输出的电平数为: 号。对于有C个单元的逆变器,其开关组合为: =2 (3) 由图1所示的电路拓扑可知.逆变器并网电流 的微分方程为: -4-R/ (4) 式中: 为滤波器内阻; 为滤波电感;e为电网 电压。 (a)三单元并网逆变器拓扑 (b)H桥单元的电路结构 图1级联H桥并网逆变器主电路拓扑 d£ (5) 2级联式H桥多电平并网逆变器的模 型预测控制 2.1离散模型和并网电流预测 模型预测电流控制的主要思想是.在每个采样 将式(5)代人式(4)中,可得并网电流的离散模 型: 舭+1 一 其中, )靴-[VL(k)Ve ̄-e( )] (6) )为逆变器的输出电平(一3、一2、一1、 时刻,根据系统模型和逆变器输出电流的微分方 程,使用MPC预测出下一个采样时刻的并网电流 0、1、2、3);由于有七个可能的电平输出,为了获得 最优的电平.就需要计算所有电平下的电流预测 值,然后通过与参考电流进行比较,选择出误差最 小的一个开关量,最后将开关信号输出。 并网电流的预测是基于系统的离散时间模型。 值。 2.2评估函数 方程(6)可以针对每一个电平预测出下一个采 样时刻电流的输出值。对于每一个预测值,使用评 假设系统的采样周期为 ,则在t 时刻di/dt近似 为: 估函数进行评测,然后选择出能够使评估函数最小 50 电 源 学 报 总第51期 的一个电平。最后将这个电平对应的开关状态应用 64次。如果随着级联个数的增加,那么计算量也会 随之增加。而且除了最高和最低电平的情况外.其 他每个电平对应各个单元的电压组合又有不同.因 此,我们还是有必要来寻找一种减少计算量的方 于逆变器。因此,能够选择出一个合适的电平(即开 关状态)就显得尤为重要,而评估函数就扮演着这 样的角色,本文中的评估函数可以表示为: g=li ( +1)一i(k+1)l 时间足够小时,可以近似认为 +1) f7) ),反之则 法。 就三单元的级联H桥逆变器而言,只有一3V山 式中, ( +l1为k+l时刻的参考电流值。当采样 和3V出电平对应各个单元的输出电压是一个固定 组合,而其他的电平则对应着更多的组合状态,0电 需要对k+l时刻的参考电流进行推导。 2.3冗余性分析 对于单相三单元级联H桥逆变器的拓扑来说. 为了选择出最优的电平,在不考虑冗余时需要计算 平对应了20个开关状态,因此,消除开关冗余就得 每个电平对应一个开关状态.在表1中,列出了每 个电平与之对应的一个开关状态。 表1没有冗余项的三单元级联H桥逆变器输出电压、单元电压和开关信号对应表 输出电压 l 各单元电压 2 3 开关状态 Sl1 ,s12 ,s 1 s 2 s31 ,Sl2 1 1 —3vdc 一— dc o — dc —v — dc —v女 O O 1 0 0 O 1 1 0 O 2v k — .】c o 0 o o 0 0 vdc —V . 0 v vdc 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 l 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 O 0 o 2v k o 3v d l 0 l O l 0 2.4模型预测电流控制 如图2所示,k时刻系统的模型预测控制的实 现步骤如下[ ol: (3)根据公式(6)预测出k+l时刻的电流值 如 果只考虑相邻电平。那么就需要知道上一个时刻逆 变器的输出电平VL(k+1)的值。以确定下一个时刻电 平的选择范围。通过这种方法我们就可以大大的减 少计算量,最多只需要计算3次就可得到k+l时刻 的电流预测值。 (1)测量并网电流 和电网电压e( 。经过采样 后,离散为 ( )和e( )。 (2)进行软件锁相。使用软件程序将电网电压相 位锁定输出一个角度,然后使用三角函数生成参考 电流 预测控制器 (4)计算评估函数。根据公式(7)可知,使用参考 电流 ( ),计算预测电流误差,然后选择出使评估函 三单元级联H桥逆变器 电网 图2单相级联H桥并网逆变器的模型预测控制结构原理图 第1期 杨腾飞,等:级联H桥多电平并网逆变器的模型预测控制研究 51 数g最小的矢量。同样使用相邻电平的方法,最多 平逆变器、隔离变压器、电压电流采样、dAPACE控 只需要3次计算便可以得出最优矢量。 (5)将选择出的矢量转换为逆变器每个开关管 的开关信号(通过查询开关表来最终获得)。 制器、IGBT驱动器等组成。在一个采样周期的初始 时刻采样电网电压和并网电流.通过软件PLL锁相 环回路实现并网电流和电网电压同频同相的目的 逆变器的输出经过L型滤波电感后与电网之间通 过升压比可调的工频变压器进行隔离。模型预测控 (6)等到达k+l时刻,再返回到1(k=k+1)。 3实验结果分析 为验证MPC的并网控制性能,本文设计了如 图3所示输出功率500 W的级联H桥7电平并网 逆变器样机。整个系统由光伏阵列、级联H桥7电 制算法采用DS1104实现,控制器产生的门极驱动 信号通过接口和保护板卡与逆变器进行连接。电网 电压和并网电流通过ADC采样调理板卡处理后送 入DS1 104,基本功率单元的光伏阵列采用3个48 V 的直流源代替。实验参数如表2所示。 级联H桥多电平光伏并网逆变器MPC控制 图3模型预测控制光伏并网逆变器结构图 表2实验参数 参数 数值 48 100 从图中看出逆变器的输出电压从五电平变到了七 电平,并网电流在阶跃变化下能够很好的跟踪参考 电流。图5所示为稳态时,并网电流为1.5 A的FFT 分析,从中可以看出电流的THD为4.33%。 光伏阵列输出电压 电网电压幅值e,、, 滤波电感L/mH 15-2 l0 3.2不同功率因数的并网分析 在dSPACE中通过在线设置并网的有功功率 采样频率f,/kHz 滤波电感等效内阻胁ln 和无功功率的大小,从而实现改变并网电流的大小 0.5 及相位。当功率因数为1时,并网逆变器完全输出 有功功率,其波形如图6(a)所示,并网电流与电网 电压同频同相;图6(b)(C)(d)为功率因数分别是 0.75,0.5和0.25时的并网电流与电网电压的波形, 并网电流滞后于电网电压.并网逆变器输出有功功 3.1稳态与动态分析 图4所示为并网电流和逆变器输出电压的的 稳态和动态波形。(a)为电流幅值1.5 A时,并网电 流的稳态波形,逆变器输出为七电平;在变压器将 电网电压隔离为峰值85 V时,并网电流的动态测 试如图(b)所示,参考电流幅值从0.5~2.5 A变化, 率的同时输出感性无功。 第1期 杨腾飞,等:级联H桥多电平并网逆变器的模型预测控制研究 53 4总结 本文分析了级联H桥多电平并网逆变器的系 统模型以及模型预测控制算法.在控制算法中使用 了选择相邻电平的方法,有效的减少了计算量,解 决了多电平逆变器计算量大和难以在线实施的缺 点,这种方法可以适用于任意H桥单元的级联。在 实验中进行了稳态、动态以及不同功率因数下的对 比分析。实验结果表明模型预测控制虽然是一种新 型的控制策略,但随着微处理器的高速发展,模型 预测控制将有着很广阔的应用空间。 参考文献: [1】PATRICIO C,SAMIR K,FRANCISCO B,et a1.Predictive control of a single-phase cascaded H-bridge photovohaic energy conversion system.IEEE 7th International Power Electronics and Motion Control Conference(IPEMC)【C1. 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