基于 FCS-MPC 的高效率高频率并网九电平多电平逆变器分析

《Electric Power Systems Research》：Analysis of FCS-MPC based high efficient high frequency grid-tied nine-level multilevel inverter

　　

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  为基于变压器的九电平多电平逆变器开发一种计算高效的模型预测控制（MPC）算法，在保持高质量电力和快速动态响应的同时减少开关状态评估。
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  设计一个自适应开关频率优化框架以最小化开关损耗。
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  为MPC控制的多电平逆变器开发一个鲁棒的稳定性和可靠性增强框架。
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  使用OPAL-RT平台实现所提出控制器的实时实现和验证，展示其在并网运行中的实际可行性和有效性。

引言

由于太阳能具有清洁和可持续的特性，其在并网电力系统中的整合正稳步增加 [1], [2]。为了有效地将太阳能与电网进行接口，多电平逆变器（MLI）起着至关重要的作用，它们提高了电能质量，减少了谐波失真，并增强了系统效率 [3]。此外，随着太阳能在分布式发电中的广泛应用，MLI有助于优化电压水平，最小化开关损耗，并确保向电网更平稳地注入电力，最终有助于提高现代电力系统的稳定性和性能 [4]。三电平变换器（TLCs）是最简单的MLI拓扑结构之一，由于其组件数量少且控制策略简单，在工业应用中广泛使用 [5]。然而，其主要局限性在于输出电压具有较高的总谐波失真（THD），这需要大型无源滤波器才能符合电网标准 [6], [7]。此外，电力半导体器件上的电压应力相对较高，降低了整体效率 [8]。

因此，在各种MLI配置中，九电平逆变器以其在性能和复杂性之间的平衡而脱颖而出 [9]。这些逆变器的一个关键挑战是最小化开关损耗，这直接影响效率和热管理 [10]。此外，文献中已经提出了各种线性和非线性控制方案，例如用于单相系统并网应用中的滞环控制器、比例-积分（PI）控制器、电压定向控制器（VOC）、滑模控制器以及基于人工智能的控制器，每种方案都有其独特的优势和挑战 [11], [12]。比例-积分（PI）控制由于其简单性和有效的稳态误差消除而广泛使用，但它在动态响应和电网扰动方面表现不佳。此外，PI控制器使用高频PWM，导致更高的开关损耗，并且无法有效处理死区时间效应，造成额外的功率耗散。进一步地，比例-谐振（PR）控制通过在基频处消除稳态误差来改善交流系统中的性能，使其在并网应用中更有效 [13], [14], [15]。此外，与PI控制器相比，它通过降低PWM开关频率来减少开关损耗。然而，PR控制需要精确调谐，在谐波补偿方面表现不佳，并且缺乏针对动态负载变化的预测优化。此外，传统方法如滞环控制和滑模控制（SMC）由于频繁且不可预测的开关事件而存在较高的开关损耗。相比之下，电压定向控制（VOC）提供了一种更有结构化的方法，但仍然导致中等的损耗 [16], [17]。

另一方面，基于人工智能的控制器如模糊逻辑控制（FLC）和人工神经网络（ANN）通过自适应地优化开关过渡显示出显著的开关损耗减少。尽管基于FLC和ANN的控制器能有效减少开关损耗，但它们在应用于九电平并网逆变器时存在一些关键局限性：FLC需要大量的基于规则的调谐，使其难以扩展到复杂的多电平逆变器。然而，ANN涉及一个需要大量数据集和高计算资源的训练阶段，以实现实时实现 [18], [19]。因此，模型预测控制（MPC）由于其处理多个控制目标的能力而受到广泛关注，例如开关损耗减少、电能质量改善和动态响应增强 [20]。MPC预测未来系统行为并选择最优开关状态，减少总谐波失真（THD）并提高效率。因此，有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）技术对于有效的并网MLI控制工具非常吸引人 [21], [22], [23], [24]。MPC能够处理具有多个约束的离散时间框架中的非线性系统。因此，受此研究的启发，本文在以下方面做出贡献：

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  为基于变压器的九电平多电平逆变器开发一种计算高效的模型预测控制（MPC）算法，在保持高质量电力和快速动态响应的同时减少开关状态评估。
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  设计一个自适应开关频率优化框架以最小化开关损耗。
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  为MPC控制的多电平逆变器开发一个鲁棒的稳定性和可靠性增强框架。
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  使用OPAL-RT平台实现所提出控制器的实时实现和验证，展示其在并网运行中的实际可行性和有效性。

多绕组变压器（MWT）通常提高系统性能、效率和电网集成度，使所提出的拓扑结构成为传统九电平MLI的更好替代方案。所提出的MLI使用FCS-MPC方法控制电网电压和电网电流。此外，通过降低器件损耗，MPC技术有助于提高系统效率。本文的其余部分组织如下。第2节详细说明了所提出的并网FCS-MPC九电平MLI的完整架构和说明。第3节描述了所提出变换器的FCS-MPC方案开发和损耗优化。第4节呈现了系统的稳定性分析。第5节进行了详细的损耗分析。第6节包括所提出系统的结果分析和讨论。第7节展示了论文的结论。

章节片段

所提出的MPC-T9LI系统架构

所提出的MPC-T9LI基于多绕组变压器（MWT）结构。MWT的原边连接到太阳能光伏面板的直流母线电容器 C_dc。C_dc 两端的电压为 V_dc。光伏面板的电流和电压额定值分别由 I_PV 和 V_PV 表示。此外，直流母线电容器 C_dc 连接到MWT原边的H桥开关 S₁、S₂、S₃ 和 S₄。变压器匝数比取为1:4，且 I_P 为

MPC-T9LI的FCS-MPC算法开发

所提出的拓扑结构基于MWT，在结构上分为两个主要部分。第一部分包括变压器的原边，其中H桥逆变器连接到光伏（PV）面板。该PV面板在扰动观察$（P和O）$最大功率点跟踪（MPPT）算法下运行，生成参考电压（V_ref），如文献[29]所示。第二部分由逆变器的副边组成，其中连接的是电网

FCS-MPC控制器的稳定性分析

使用李雅普诺夫方法来研究所提出控制器的稳定性。这些工具是用于分析动态系统稳定性的数学方法。它们涉及构建李雅普诺夫函数 V(x)，这是一个随时间递减的标量函数，表明系统的稳定性 [32]。函数 V(x) 基于系统的状态误差定义，由向量 x 表示。如果受控系统的平衡点位于原点 $（x=0）$，则该能量

损耗分析和效率评估

所提出的变压器供电九电平多电平逆变器（MLI）由MWT变压器、四个原边IGBT和四个副边双向开关组成。开关频率选定为10 kHz。损耗分析考虑了变压器铜损、变压器铁芯损耗、IGBT导通损耗和IGBT开关损耗。所提出变换器的运行参数取自表4。本工作考虑的变压器设计为

基于仿真的结果分析

所提出的MPC-T9LI已在MATLAB/Simulink环境中针对1 kW额定功率进行了严格的仿真验证。此外，还使用OPAL-RT 4510硬件在环（HIL）平台对MLI系统进行了实时验证，以评估其动态性能。仿真以及实时验证所考虑的参数如表4所示。

仿真分析是针对一个具有直流母线电容器运行的系统进行的

结论

本研究解决了在并网可再生能源系统中实现高效率、低失真电力注入的挑战。所提出的MPC-T9LI系统将模型预测控制策略与九电平逆变器拓扑相结合，在1 kW并网应用中展示了其性能。通过MATLAB/Simulink仿真和OPAL-RT 4510实时HIL验证，该系统实现了精确的功率控制，并显著降低了电流和

CRediT作者贡献声明

Dinesh Kumar Tiwari：撰写——初稿，方法论，概念化。 Abhishek Kumar Singh：撰写——审阅与编辑，资源。

利益冲突声明

作者声明以下财务利益/个人关系，这些关系可能被视为潜在的利益冲突：

Dinesh Kumar Tiwari报告设备、药物或供应品由国家信息技术学院（National Institute of Technology Silchar）提供。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述的工作。

Dinesh Kumar Tiwari|Abhishek Kumar Singh