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隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，新能源技術(shù)得到廣泛重視和快速發(fā)展。儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源利用中起到重要作用，其中儲(chǔ)能變流器是儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，三電平中點(diǎn)鉗位拓?fù)湟蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件電壓應(yīng)力低、輸出電壓和電流質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用，但是在低電壓場(chǎng)合仍然存在轉(zhuǎn)換效率較低和開(kāi)關(guān)器件較多的問(wèn)題。

而T型三電平整流器可以有效減少開(kāi)關(guān)管數(shù)量，能夠在低電壓大電流應(yīng)用場(chǎng)景下獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能，并且具有更高的轉(zhuǎn)換效率，因此在儲(chǔ)能系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)T型三電平整流器，模型預(yù)測(cè)控制（model predictive control, MPC）作為一種先進(jìn)的控制策略，能夠取代傳統(tǒng)比例積分（PI）控制，消除換流器帶來(lái)的非線性影響，有效解決控制器設(shè)計(jì)復(fù)雜、系統(tǒng)超調(diào)等問(wèn)題。

其中，有限集模型預(yù)測(cè)控制（finite control set-model predictive control, FCS-MPC）具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快且能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)優(yōu)化等優(yōu)點(diǎn)，因此在T型三電平整流器控制中具有良好的應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)FCS-MPC中，在一個(gè)控制周期內(nèi)通常采用單一電壓矢量控制，這會(huì)帶來(lái)開(kāi)關(guān)頻率不固定的問(wèn)題，最終導(dǎo)致直流側(cè)電壓和傳輸功率的波動(dòng)。

為了解決T型三電平整流器中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，雖然模型預(yù)測(cè)控制在提高T型三電平整流器的控制性能方面具有一定的優(yōu)勢(shì)和潛力，但在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在開(kāi)關(guān)頻率不固定、計(jì)算量過(guò)大等挑戰(zhàn)，嚴(yán)重影響了T型三電平整流器控制的效果。

針對(duì)以上問(wèn)題，同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院的研究人員許嘉杰、李銳華、胡波，在2022年第6期《電氣技術(shù)》上撰文，提出一種基于快速矢量選擇的三矢量定頻模型預(yù)測(cè)控制算法（fast vector selection-three vector-model predictive control, FVS-3V-MPC），利用無(wú)差拍的思想將電流跟蹤轉(zhuǎn)化為電壓跟蹤，剔除遠(yuǎn)離參考電壓矢量和對(duì)中點(diǎn)電位平衡調(diào)整不利的電壓矢量，并根據(jù)參考電壓矢量確定控制周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)矢量。在此基礎(chǔ)上，利用電壓跟蹤代價(jià)函數(shù)得到開(kāi)關(guān)矢量的作用時(shí)間，最終根據(jù)切換順滑原則得到開(kāi)關(guān)序列，最后進(jìn)行仿真研究。

圖1 FVS-3V-MPC系統(tǒng)控制框圖

他們表示，針對(duì)計(jì)算量大的問(wèn)題，該控制策略通過(guò)無(wú)差拍的思想預(yù)測(cè)交流側(cè)參考電壓矢量，將滾動(dòng)優(yōu)化過(guò)程中電壓矢量的預(yù)測(cè)次數(shù)從27減小到3，實(shí)現(xiàn)了矢量的快速預(yù)測(cè)。針對(duì)T型三電平整流器中點(diǎn)電位不平衡的問(wèn)題，利用冗余小矢量進(jìn)行控制，避免了傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制中對(duì)權(quán)重因子整定困難的問(wèn)題。此外，針對(duì)開(kāi)關(guān)頻率不固定帶來(lái)的電壓和功率波動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)三矢量合成實(shí)現(xiàn)定頻控制。

研究人員指出，仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)有限集模型預(yù)測(cè)控制相比，該方法在固定開(kāi)關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，能夠大大減小計(jì)算量，實(shí)現(xiàn)固定開(kāi)關(guān)頻率，有效改善系統(tǒng)中點(diǎn)電位不平衡問(wèn)題，從而減小功率和電壓脈動(dòng)，獲得良好的控制性能。

本文編自2022年第6期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于三矢量模型預(yù)測(cè)控制的T型三電平整流器定頻控制策略”，作者為許嘉杰、李銳華 等。本課題得到教育部2021年產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目的支持。