《Energy Conversion and Management-X》：Combined multilevel inverter-based DVR and MPC control for power quality enhancement and voltage regulation in PMSG wind turbine systems
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全球对清洁可持续能源的需求不断增长，促使可再生能源（如并网型永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）风电机组）融入现代电力系统。然而，此类系统固有地易受电压扰动影响，从而可能降低电能质量并危及系
全球对清洁可持续能源的需求不断增长，促使可再生能源（如并网型永磁同步发电机（Permanent Magnet Synchronous Generator, PMSG）风电机组）融入现代电力系统。然而，此类系统固有地易受电压扰动影响，从而可能降低电能质量并危及系统稳定性。确保PMSG风电机组的扰动鲁棒性对于满足电网规范至关重要——电网规范要求其在电网故障期间持续运行，这一要求通常通过故障穿越（Fault Ride-Through, FRT）能力来实现。大量研究已考察了FRT增强策略，重点关注动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer, DVR）及先进控制技术的应用，以提升PMSG系统的鲁棒性。然而，仍需更高效可靠的解决方案以进一步改善FRT性能并抑制电压波动。本文提出一种协调控制与电压恢复框架，将MPC控制的网侧变流器（Grid-Side Converter, GSC）与基于PUC5的DVR集成于并网PMSG系统中。GSC负责调节功率传输和直流母线电压，而DVR则恢复端电压并增强FRT能力。PUC5拓扑降低了开关损耗，同时通过电容电压平衡、多载波正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）及LC滤波器限制谐波分量。MPC框架摒弃了对传统线性控制器的依赖，确保了增强的动态响应、改善的系统鲁棒性以及恶劣电网条件下的强健发电机稳定性。在MATLAB/Simulink中针对多种扰动场景开展的电磁暂态（Electromagnetic Transient, EMT）仿真验证了所提出的集成MPC控制GSC与PUC5基DVR协调框架的有效性。结果表明，系统稳定性和电能质量均得到改善，总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）在电压闪变条件下被限制在约0.29%，在谐波畸变条件下约为0.34%。
随着全球环境问题日益突出和能源需求持续增长，可再生能源发电系统受到广泛关注。风能凭借发电成本低、维护需求少等优势，已成为化石燃料的重要替代方案。全球风能理事会数据显示，2025年全球累计风电装机容量已达1299GW，其中永磁同步发电机（PMSG）因其全功率变流器结构带来的优良电网解耦能力、高效率和高可靠性，在现代大功率风电应用中占据重要地位。然而，风力发电渗透率的不断提高对电力系统可靠性和稳定性提出了新挑战。为此，电网运营商制定了标准化电网规范，要求风电机组在电压跌落和电压骤升等扰动期间保持并网运行，即故障穿越（FRT）能力，具体包括低电压穿越（LVRT）和高电压穿越（HVRT）。现有FRT增强策略主要包括两大类：一是先进控制策略，如桨距角控制、模式切换控制、有功削减和电抗电流注入等，但其在严重电压扰动下的效果受限于变流器电流和电压限制；二是硬件解决方案，如撬棒电路、串联制动电阻、制动斩波器和储能系统等，但此类装置在严重故障下难以独立提供充分的电网电压支撑。动态电压恢复器（DVR）作为串联补偿装置，能够快速检测扰动并注入补偿电压以恢复保护端电压，且可在直流母线能量支持下交换有功和无功功率，因而极具应用前景。模型预测控制（MPC）因其处理系统约束、不确定性和多控制目标的能力，在风电系统中受到日益广泛的关注。然而，现有研究仍缺乏将PUC5多电平逆变器DVR与MPC控制GSC协调集成，以同时增强FRT能力、端电压质量和直流母线稳定性的系统性方案。
针对上述研究空白，研究人员提出了PUC5-DVR-MPC协调控制架构，并通过MATLAB/Simulink电磁暂态仿真进行了全面验证。仿真系统为一台2MVA PMSG风电机组，通过690V/25kV升压变压器接入25kV配电网，风速恒定为11m/s。研究中将PUC5拓扑的五电平逆变器应用于DVR的电压源换流器，其辅助电容电压维持在直流母线电压的一半，通过冗余开关状态实现电容电压的自动平衡。DVR控制采用d-q同步旋转坐标系下的PID反馈控制策略，基于锁相环实现电网同步，采用多载波SPWM调制生成开关脉冲。GSC的MPC采用dq坐标系下基于状态空间模型的预测控制算法，在每个采样周期内对七个电压矢量进行预测评估，通过最小化代价函数选择最优开关状态。研究还设置了BESS（2MW/120kWh，600V，200Ah，初始荷电状态50%）对比方案，以评估不同保护策略的性能差异。
仿真结果从多个维度验证了所提方案的有效性。在电压跌落工况下，研究设置了单相接地（SLG）、两相接地（2LG）和三相接地（3LG）三种故障，持续时间为0.15s。仿真表明，DVR能够快速将PMSG端电压恢复至额定值，输出电流保持稳定，有功功率维持在2MW，无功功率接近于零，转子速度和电磁转矩在整个故障期间均保持恒定，无振荡现象。直流母线电压在无保护时最高可达约3300V，而在DVR-MPC保护下稳定在1150V额定值。在电压骤升工况下，研究设置了100%平衡骤升和非平衡骤升两种事件。DVR注入反相补偿电压有效中和了电压骤升，端电压、电流、功率和直流母线电压均保持稳定，THD低至0.21%。在电压闪变和谐波畸变工况下，电网电压经历±3%幅度、10Hz频率的闪变以及三次谐波注入，DVR注入相应补偿电压后，端电压维持在690V有效值，THD在闪变条件下为0.29%，在谐波畸变条件下为0.34%。对比分析表明，BESS方案虽然能将故障期间直流母线电压从无保护时的1700V、2700V和3300V分别降至约1280V、1210V和1230V，但仍存在明显振荡；而DVR方案在所有故障工况下均将直流母线电压严格维持在1150V。在谐波性能方面，BESS方案的端电压THD在闪变和谐波扰动下分别达9.17%和27.16%，而DVR方案分别降至0.29%和0.34%，相对改善率分别为96.84%和98.75%。
研究结论表明，所提出的DVR与MPC协调控制框架在增强PMSG风电机组FRT能力和电能质量方面具有显著优势。该方案能够在无需GSC电抗电流注入的前提下，有效抑制电压跌落、骤升、闪变和谐波等多种电网扰动，确保系统持续并网运行。与BESS保护方案相比，DVR-MPC方案具有更快的动态响应、更强的电压恢复能力和更优的直流母线电压调节性能，THD远低于IEEE 519标准5%的限值。该框架为风电系统并网提供了技术上可靠、经济上可行的解决方案，有助于改善电能质量、动态稳定性和FRT性能。作为未来研究方向，研究人员计划开展硬件在环和实验验证，以进一步评估该框架在实际应用中的实时性和工程可行性。
