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控制与算法 模型预测控制MPC ★ 5.0

三相NPC功率变换器的扩展周期控制方法FCS-MPC

Extended Period Control Approach FCS-MPC for Three Phase NPC Power Converters

作者
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年1月
技术分类 控制与算法
技术标签 模型预测控制MPC
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 有限控制集模型预测控制 周期控制方法 三电平三相逆变器 直接分组法 开关频率控制
语言:

中文摘要

有限控制集模型预测控制(FCS - MPC)在固定采样周期内选择一个电压矢量状态,无需使用调制器。因此,传统的FCS - MPC实现方式呈现出可变的开关频率。用于两电平三相逆变器的周期控制方法(PCA - FCS - MPC)无需调制环节即可有效控制开关频率。然而,由于需要同步每相桥臂中所有功率半导体的换相,将其应用于三电平三相逆变器并不容易。本文提出了一种在三相三电平中性点钳位电压源逆变器(NPC - VSI)中实现该策略的新方法,称为直接分组法,该方法对PCA方法进行了改进,使其能够在NPC - VSI上实现。本文详细分析了这种新方法以及一种现有解决方案,以建立评估其性能的指标,新方案在评估中表现出更优的结果。实验结果验证了所提策略在开关频率控制方面的性能、灵活性和有效性。

English Abstract

Finite control set model predictive control (FCS-MPC) selects a voltage vector state at fixed sampling period without the use of a modulator. As a direct consequence, the conventional implementation of FCS-MPC presents variable switching frequency. Period control approach (PCA-FCS-MPC) for a two-level three-phase inverter is effective in controlling the switching frequency without the need of a modulation stage. However, its implementation for a three-level three-phase inverter is not straightforward due to the need for synchronizing the commutation of all the power semiconductors in each leg. This work presents a new method to implement this strategy in a three phase three-level neutral point clamped voltage source inverter (NPC-VSI), named direct grouping, which modifies the approach of PCA such that its implementation becomes possible on the NPC-VSI. This new method, along with a state-of-the art solution, are analyzed in detail to establish a metric for the evaluation of their performance, from which the new proposal shows improved outcome. Experimental results validate the switching frequency control performance, flexibility, and efficacy of the proposed strategy.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对三电平NPC变流器的扩展周期控制FCS-MPC技术具有重要的应用价值。三电平中点钳位型(NPC)拓扑是我司大功率光伏逆变器和储能变流器的核心架构,该技术直接契合我们在1500V及以上系统、大型地面电站和工商业储能领域的产品需求。

该技术的核心突破在于解决了传统有限集模型预测控制开关频率不固定的痛点。通过"直接分组"方法实现周期控制,能够在保持MPC快速动态响应优势的同时,有效控制开关频率,这对我司产品具有多重价值:首先,固定开关频率可显著降低EMI设计难度,减少滤波器体积和成本;其次,可预测的开关损耗有利于热设计优化,提升系统功率密度;第三,同步换流控制有助于改善中点电位平衡,这是NPC拓扑长期面临的技术挑战。

从技术成熟度评估,该方法已通过实验验证,但从学术研究到产品化仍需跨越工程化鸿沟。关键挑战包括:算法实时性对控制器算力的要求、多目标优化下的权重系数整定、极端工况下的鲁棒性验证,以及与我司现有控制平台的兼容性。

应用前景方面,该技术特别适合部署在我司新一代集中式逆变器(3.125MW以上)和大容量储能PCS产品线。建议技术中心重点关注其在双向储能变流、主动支撑等高级功能场景下的性能表现,并评估与我司SG-Control平台的融合可能性,这将为产品差异化竞争提供技术储备。