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基于虚拟中压矢量和无权重因子的三电平中性点钳位逆变器有限集模型预测控制
Finite-Set Model Predictive Control With Virtual Medium Voltage Vectors and Eliminated Weighting Factors for 3L-NPC Inverters
| 作者 | Qingle Sun · Zifan Lin · Zhifu Wang · Herbert Ho Ching Iu · Tyrone Fernando · Xinan Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 控制与算法 |
| 技术标签 | 空间矢量调制SVPWM 模型预测控制MPC |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 有限集模型预测控制 离散空间矢量调制 虚拟中压矢量 计算负担 中点电压平衡 |
语言:
中文摘要
摘要:为提高有限集模型预测控制(FS - MPC)的系统性能,研究了离散空间矢量调制(DSVM)和权重因子消除方法。然而,现有的基于DSVM且无权重因子的三电平逆变器FS - MPC存在计算负担重、算法灵活性低以及工作范围大幅缩小等问题。为解决这些问题,本文提出了一种基于虚拟中压矢量(MVV)的新型基于DSVM的FS - MPC方法,该方法大大降低了电流谐波和计算负担,实现了DSVM中时间间隔数量的灵活调整,消除了权重因子,同时在全工作频率范围和负载条件下确保了中性点电压(NPV)的平衡。引入的虚拟MVV使候选集总能缩小至最接近参考矢量的电压矢量。提出了一种简单的判断方案来确定应使用实际还是虚拟MVV,从而能够对最大NPV误差进行灵活约束。还实现了基于载波的实现方式。实验结果验证了所提算法的有效性。
English Abstract
Discrete space vector modulation (DSVM) and weighting factor elimination have been investigated to improve the system performance of finite-set model predictive control (FS-MPC). However, the existing DSVM-based FS-MPC without weighting factors for three-level inverters suffers from high computational burden, low algorithm flexibility, and substantially narrowed operating range. To address these issues, this article proposes a novel DSVM-based FS-MPC with the virtual medium voltage vectors (MVVs), which greatly reduces the current harmonics and computational burden, realizes a flexibly adjustable number of time intervals in DSVM, and eliminates the weighting factor while ensuring balanced neutral-point voltage (NPV) over the full range of operating frequencies and load conditions. The introduced virtual MVVs allow the candidate set to be always narrowed down to the voltage vector closest to the reference vector. A simple judgment scheme is proposed to determine whether a real or virtual MVV should be used, which enables a flexible constraint on the maximum NPV error. Carrier-based implementation is also achieved. Experimental results validate the proposed algorithm.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项针对三电平中点钳位型(3L-NPC)逆变器的有限集模型预测控制技术具有重要的应用价值。3L-NPC拓扑是我司中高功率光伏逆变器和储能变流器的核心架构,该技术通过引入虚拟中电压矢量和消除权重因子,直接解决了当前产品面临的关键技术痛点。
技术价值方面,该算法显著降低了电流谐波和计算负担,这对提升我司1500V大功率组串式逆变器和MW级储能PCS的效率与可靠性至关重要。传统FS-MPC因权重因子调试复杂、工况适应性差而难以大规模商用,该方案通过虚拟矢量技术实现了全工况下的中点电压自平衡,无需人工调参,这将大幅缩短产品开发周期并提升系统在弱电网、不平衡负载等复杂场景下的鲁棒性。灵活可调的时间区间设计也为不同功率等级产品的控制策略优化提供了更大空间。
从技术成熟度评估,该方案已实现基于载波的工程化实现并通过实验验证,具备较高的可移植性。但工业化应用仍需关注几个方面:一是极端工况下虚拟矢量选择策略的长期可靠性验证;二是与我司现有IGBT/SiC功率模块的匹配优化;三是在高海拔、高温差等严苛环境下的性能一致性。
建议将该技术优先应用于新一代储能变流器产品,利用其快速动态响应特性提升电网支撑能力,同时在大功率光伏逆变器平台进行中试验证,为技术迭代积累数据,抢占高端市场竞争优势。