面向非对称电网故障的分布式发电变流器灵活预测直接功率控制

《Electronics》：Flexible Predictive Direct Power Control for Distributed Generation Converters During Asymmetrical Grid Faults

　　

本文介绍了一种用于在严重非对称电网故障下运行的变流器的无传感器灵活预测直接功率控制（sensorless flexible predictive direct power control, SF-PDPC）策略。所提出方法将基于频率自适应神经网络正交信号发生器（frequency-adaptive neural network quadrature signal generator, FANN-QSG）的虚拟磁链（virtual-flux, VF）估计器与灵活功率参考生成方案相结合，实现了无需电网电压传感器、传统同步单元或级联滤波级的预测控制。该方法的关键特征在于一种灵活功率参考公式，该公式利用了与正序和负序功率分量相关的自由度，允许在非平衡电网条件下连续调节电流质量、有功功率振荡和无功功率振荡之间的折衷。这使得统一控制框架能够适应不同的电网支撑目标。所提出策略的有效性在严重的C型电压跌落、电网频率偏差和谐波失真的情况下得到验证。与传统预测直接功率控制（PDPC）相比，所提出方法将电流总谐波失真（total harmonic distortion, THD）从57.78%降低到0.44%，同时保持了令人满意的有功功率跟踪性能。此外，基于FANN-QSG的估计器和整体控制结构在高度干扰的运行条件下表现出强大的鲁棒性。所提出的SF-PDPC增强了在高度干扰和非平衡电网条件下运行的并网变流器预测功率控制的运行灵活性。

**论文解读文章**

**研究背景**
随着可再生能源（如风电和光伏）的广泛集成，现代电力系统正经历深刻变革。分布式发电的深度渗透使电网运营商对并网变流器在正常和扰动运行条件下的稳定性、可靠性和电能质量提出了日益严格的要求。其中，故障穿越（fault ride-through, FRT）能力已成为关键功能，要求并网变流器在电压扰动期间保持运行并支撑电网，而非断开连接。在各类电网扰动中，非对称故障对电力电子变流器构成最具挑战性的运行条件之一。电网电压不平衡引入的负序分量会引起过电流、有功和无功功率振荡以及显著的直流（DC）母线电压波动。在此条件下，变流器控制器必须满足多个常相互冲突的目标，包括电流质量保持、功率振荡抑制以及电网规范合规。预测控制因其快速动态响应和简单结构受到广泛关注。有限控制集模型预测控制（finite-control-set model predictive control, FCS-MPC）通过代价函数最小化直接处理开关约束，但计算负担高。无差拍预测策略如预测直接功率控制（predictive direct power control, PDPC）通过单步预测直接计算变流器电压参考，显著降低计算复杂度，但在非对称条件下仍受电流畸变和功率振荡困扰。现有研究存在不足：基于同步技术的灵活控制策略或先进估计方法未整合到统一灵活预测控制框架中。为解决这一空白，本文提出无传感器灵活PDPC（SF-PDPC）策略，用于分布式发电变流器。该策略将基于频率自适应神经网络正交信号发生器（FANN-QSG）的虚拟磁链（VF）估计器与灵活功率参考生成层相结合，通过可调加权系数连续调节电流质量、有功功率振荡和无功功率振荡之间的折衷，实现变流器行为的在线自适应。论文发表在《Electronics》。

**关键技术方法**
研究人员采用了以下主要关键技术方法：（1）基于FANN-QSG的虚拟磁链估计器：利用单层自适应线性神经元（ADALINE）在线估计电压基波分量及其正交分量，实现无电网电压传感器的正交信号生成和正负序分离，无需级联滤波级；（2）灵活功率参考生成方案：基于负序不平衡因子δ和可调加权系数K_p、K_q（范围[-1,1]），调节电流质量与有功、无功功率振荡之间的折衷，可复现固定目标策略（如BPSC、PNSC、AARC、混合PNSC–AARC）并提供连续过渡；（3）基于虚拟磁链的预测直接功率控制（PDPC）律：推导基于频率加权虚拟磁链的复功率动态模型，采用无差拍方法在单采样周期内计算变流器电压参考。仿真在MATLAB/Simulink R2024b环境中进行，使用表1所列标称参数，无需电网电压传感器，仅依赖测量线电流、DC母线电压和开关状态。

**研究结果**

**4.1 所提出FANN-QSG估计器的评估**
通过施加20%电网电压跌落与五、七次谐波失真，研究不同学习率η（0.01、0.04、0.08）对瞬态响应和稳态精度的影响。结果显示：η=0.04在半个电网周期内实现快速动态恢复且保持平滑磁链矢量，优化了跟踪速度与谐波抑制的折衷。与DSOGI和滑模电网电压观测器（SMGVO）相比，所提出FANN-QSG在C2000 F28379D DSP上执行时间仅4.53 μs（DSOGI为6.40 μs，SMGVO为8.02 μs），且仅需一个调谐参数，固有地抑制直流偏移，瞬态响应更快。完整SF-PDPC控制架构的执行时间为17.19 μs，低于采样间隔（100 μs），证实了实时嵌入式实现的可行性。

**4.2 SF-PDPC与常规PDPC的对比**
在严重C型非对称电压跌落（相电压从77.78 V降至50 V，电压不平衡因子VUF=50%）和25%有功功率阶跃条件下，常规PDPC产生高度畸变电流（THD=57.78%），而所提出SF-PDPC将THD限制在0.44%，同时保持有功功率跟踪。这一改善归因于FANN-QSG的滤波能力和灵活功率参考公式抑制负序电流注入，但伴随无功功率振荡增加。总体表明SF-PDPC在严重不平衡下性能优越。

**4.3 FANN-QSG和SF-PDPC对参数变化的评估**
在C型电压跌落期间施加线路电阻R从0.8 Ω增至1.2 Ω（+50%）和电感L从12.6 mH增至19 mH（+50%）的阶跃变化。FANN-QSG估计器保持高精度，估计电压紧密跟踪实际电压，瞬态误差小于±5%。SF-PDPC维持整体系统稳定性，有功和无功功率无稳态误差，注入电流稳定且高质量，其不平衡特性是消除功率纹波所固有的控制器响应。

**4.4 控制灵活性和功率注入能力的评估**
在极端C型电压跌落条件下动态调整加权系数K_p和K_q在[-1,1]区间。结果显示：PNSC（K_p=K_q=-1）消除有功功率振荡但导致较大无功波动和电流畸变；AARC（K_p=K_q=1）抑制无功振荡但增加有功纹波；BPSC（K_p=K_q=0）实现完全平衡电流。中间值（如-1p<0, 0q<1）提供连续可调折衷，DC母线电压纹波低于1%。在无功功率注入条件下也保持稳定行为，证明了控制器的连续插值能力。

**4.5 可变电网不对称因子下运行约束的灵敏度研究**
当VUF从1.01%变化至50%时，比较SF-PDPC与常规策略。结果表明：BPSC在VUF=50%时电流不平衡因子CUF最低（1.63%），但有功振荡ΔP达90.28%；PNSC消除有功振荡但CUF超过52%；AARC保持零无功振荡但ΔP达149.55%。中间点（K_p,K_q）=(-0.15,0.15)改善电流平衡并限制功率振荡增加；（-0.65,0.65)将ΔP降至41.63%，THD=0.81%，低于IEEE 519限值。ΔP与DC-link电压纹波ΔV_DC近似成正比。

**4.6 严重电网扰动下的鲁棒性评估**
在C型电压跌落结合10%频率下降（50→45 Hz）时，FANN-QSG准确跟踪频率变化，控制保持稳定，功率和电流在设定的K_p、K_q下按预期运行。在注入五、七次谐波（各10%基波幅值）的极端畸变下，估计频率锁定于名义值，功率参考跟踪良好，无稳定性丧失。定量结果表6显示，谐波条件下PNSC和混合PNSC–AARC抑制有功振荡（THD=0.67%），AARC消除无功振荡但增加有功纹波和电流畸变。模式切换动态响应在一两个采样周期内完成，无过冲。

**4.7 与现有故障穿越控制策略的比较**
在VUF≈50%且五、七次谐波各10%畸变条件下，比较VF-SMPDPC和VF-PDPC。所提出SF-PDPC通过可调加权系数实现灵活目标适应，同时固有地集成频率自适应能力，在严重扰动下电流THD低至0.67%，瞬态响应快，优于对比方法。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，非对称电网故障施加了固有的物理约束：无法同时实现完美正弦电流和无纹波瞬时功率。所提出SF-PDPC并非试图消除这一折衷，而是提供一种连续调节竞争性控制目标之间平衡的实用手段。研究结论翻译如下：本文提出了一种用于并网分布式发电变流器的SF-PDPC策略，该策略在严重非对称电网条件下运行。所提出方法将基于FANN-QSG的估计器与灵活功率参考生成机制相结合，实现了无电网电压传感器、锁相环（PLL）或级联滤波级的预测功率控制。所提出的功率参考生成方案利用了与正序和负序功率分量相关的自由度，能够连续调节电流质量、有功功率振荡和无功功率振荡之间的折衷。因此，通过简单的调谐参数，同一控制框架可适应不同的运行目标和电网支撑要求，无需改变底层控制结构。在严重C型非对称电压跌落下的验证显示，与传统PDPC相比，所提出策略将注入电流THD从57.78%降低到0.44%，同时保持令人满意的有功功率跟踪性能。此外，在10%电网频率偏差和严重的五、七次电压谐波存在下实现了稳定运行，证明了基于FANN-QSG的估计器和整体控制方案在高度扰动电网条件下的鲁棒性。总体而言，所提出策略为分布式发电变流器在非对称和畸变电网条件下的FRT运行提供了有效、鲁棒且灵活的解决方案，同时将预测功率控制的适应性扩展到广泛的电网支撑要求。