竇智峰　晉玉祥　金楠　郭磊磊　王延峰

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)單矢量模型預(yù)測(cè)控制負(fù)載電流總諧波畸變率大與調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制方法開關(guān)頻率高、功率損耗大的問題，提出一種改進(jìn)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法。首先，給出傳統(tǒng)的雙矢量調(diào)制模型預(yù)測(cè)電流控制方法。其次，在傳統(tǒng)的雙矢量調(diào)制模型預(yù)測(cè)電流控制方法的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化電壓矢量選擇，每個(gè)控制周期內(nèi)預(yù)選4個(gè)電壓矢量組合進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，減少了功率開關(guān)管在大電流處頻繁的開關(guān)動(dòng)作，降低了開關(guān)頻率和功率損耗，從而提高了逆變器的運(yùn)行效率。然后，分析目標(biāo)電壓矢量對(duì)所提方法的影響，并通過向目標(biāo)電壓中增加參考電流分量，雖然在一定程度上影響了電流控制精度，但進(jìn)一步提高了所提方法對(duì)減小損耗的效果。最后，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

關(guān)鍵詞：電壓源逆變器;模型預(yù)測(cè)控制;電壓矢量組合;開關(guān)頻率降低;功率損耗;運(yùn)行效率

DOI：10.15938/j.emc.2020.06.018

中圖分類號(hào)：TM 464文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2020）06-0153-10

Two-vector-based mode predictive current control for voltage source inverter with high efficiency

DOU Zhi-feng， JIN Yu-xiang， JIN Nan， GUO Lei-lei， WANG Yan-feng

（School of Electric and Information Engineering，Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China）

Abstract：For the problems of the large current total harmonic distortion rate produced by traditional single-vector-based model predictive control method and the high switching frequency and power loss generated by modulated model predictive control method， an improved two-vector-based model predictive current control method is proposed. Firstly， traditional two-vector-based modulated model predictive current control method was presented. Secondly， by the optimization of voltage vector selection based on traditional two-vector-based modulated model predictive current control method， four voltage vector combinations were selected for the cost function optimization per control cycle， which reduces power switches switching in the large current and realizes the switching frequency reduction and low power loss， so as to improve the operation efficiency of the inverter. Thirdly， the influence of the target voltage vector on the proposed method was analyzed in detail. Although the current control precision was affected to some extent， the effect of the proposed method on reducing the loss was further improved by adding the reference current component to the target voltage. Finally， simulation and experimental results verify the effectiveness of the proposed method.

Keywords：voltage source inverter; mode predictive control;voltage vector combination; switching frequency reduction;power loss; operating efficiency

0 引 言

近年來(lái)，隨著能源危機(jī)的加劇和環(huán)境的日益惡化，綠色、低碳、經(jīng)濟(jì)、高效已成為各行各業(yè)的基本要求。在電力領(lǐng)域，兩電平電壓源逆變器（two level voltage source inverter，TL-VSI）作為電能轉(zhuǎn)換的主要設(shè)備之一，已在光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、微網(wǎng)、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-5]。降低逆變器的損耗，提高其運(yùn)行效率，已受到國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者越來(lái)越多的關(guān)注。

常規(guī)降低逆變器損耗的方法通常分為硬件法和軟件法。硬件法通過在電路拓?fù)渲性黾佑布娐穼?shí)現(xiàn)軟開關(guān)[6-7]，增加了系統(tǒng)的成本，且實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)的控制方法復(fù)雜。因此，通過改變逆變器控制策略的軟件法越來(lái)越受到廣泛關(guān)注[8-11]。文獻(xiàn)[8-9]通過空間矢量控制實(shí)現(xiàn)斷續(xù)調(diào)制，降低了逆變器開關(guān)頻率和損耗，但其實(shí)現(xiàn)方法復(fù)雜，計(jì)算量大。文獻(xiàn)[10-11]通過在線改變逆變器控制周期，降低了其開關(guān)頻率，但電流穩(wěn)態(tài)控制效果差，電流總諧波畸變率（total harmonic distortion，THD）大。

模型預(yù)測(cè)控制因其具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活可控、易于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)協(xié)同控制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于逆變器控制領(lǐng)域中[12]。文獻(xiàn)[13-18]基于模型預(yù)測(cè)控制，研究了逆變器低損耗運(yùn)行控制方法。文獻(xiàn)[13-14]基于模型預(yù)測(cè)協(xié)同控制，向目標(biāo)函數(shù)中增加功率開關(guān)管開關(guān)動(dòng)作次數(shù)附加項(xiàng)，通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的權(quán)重因子，實(shí)現(xiàn)降低逆變器開關(guān)頻率和損耗的目的。然而，權(quán)重因子設(shè)計(jì)復(fù)雜，且目前尚未存在完善的設(shè)計(jì)理論。

文獻(xiàn)[15-18]結(jié)合斷續(xù)調(diào)制的思想，通過優(yōu)化電壓矢量選擇，使TL-VSI輸出負(fù)載電流最大相功率開關(guān)管鉗位，降低了TL-VSI開關(guān)頻率與損耗。文獻(xiàn)[15]采用無(wú)差拍控制的思想，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻系統(tǒng)電流采樣值和參考值推算出下一時(shí)刻目標(biāo)參考電壓，以目標(biāo)電壓矢量與TL-VSI電壓矢量誤差為目標(biāo)函數(shù);通過優(yōu)化電壓矢量選擇，減少了逆變器在大電流處換流次數(shù)，降低了開關(guān)頻率和損耗。但是，此方法僅適用于TL-VSI運(yùn)行在高調(diào)制度時(shí)，低調(diào)制度時(shí)無(wú)法使功率開關(guān)管在大電流處鉗位。文獻(xiàn)[16]通過向下一時(shí)刻目標(biāo)參考電壓中注入零序電壓，根據(jù)零序電壓的極性選擇TL-VSI零電壓矢量，實(shí)現(xiàn)最大電流相功率開關(guān)管鉗位，降低了TL-VSI的損耗。文獻(xiàn)[17-18]通過根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻作用于逆變器的電壓矢量，下一控制周期選擇逆變器功率開關(guān)管開關(guān)動(dòng)作次數(shù)最少的電壓矢量作為預(yù)選矢量集，降低了開關(guān)頻率，減小了逆變器損耗。由于文獻(xiàn)[15-18]所提方法每個(gè)控制周期內(nèi)僅采用一個(gè)電壓矢量作用于逆變器，導(dǎo)致負(fù)載電流THD較大。

為了進(jìn)一步提高逆變器控制精度，降低電流THD，調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制方法已受到廣泛研究。文獻(xiàn)[19-24]研究了多矢量模型預(yù)測(cè)控制方法在TL-VSI中的應(yīng)用，每個(gè)控制周期內(nèi)由2個(gè)或3個(gè)電壓矢量作用于逆變器，降低了電流THD，提高了逆變器控制效果。然而，常規(guī)的雙矢量和三矢量模型預(yù)測(cè)控制方法開關(guān)頻率較高，導(dǎo)致逆變器產(chǎn)生較高的損耗，降低了逆變器的運(yùn)行效率。

因此，針對(duì)常規(guī)調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制損耗大的問題，文中提出一種改進(jìn)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法。該方法每個(gè)控制周期由2個(gè)電壓矢量作用于逆變器，提高了電流THD;通過優(yōu)化電壓矢量選擇，減少了功率開關(guān)管在大電流處開關(guān)動(dòng)作次數(shù)，降低了逆變器開關(guān)頻率和損耗。其次，分析了目標(biāo)參考電壓對(duì)所提方法的影響，通過增加參考電流分量進(jìn)一步提高所提方法對(duì)降低逆變器損耗的效果。最后，給出了仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 傳統(tǒng)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制

TL-VSI在不同應(yīng)用場(chǎng)合中，其負(fù)載無(wú)論是電網(wǎng)，還是電機(jī)，均可認(rèn)為是電阻電感和反電動(dòng)勢(shì)（RLE）負(fù)載。因此，本文以TL-VSI接RLE負(fù)載為例進(jìn)行研究，其電路拓?fù)淙鐖D1所示。

傳統(tǒng)模型預(yù)測(cè)電流控制方法一般由如下幾部分組成：負(fù)載電流預(yù)測(cè)、目標(biāo)函數(shù)最小化、延時(shí)補(bǔ)償、電壓矢量選擇[25-26]。

首先，TL-VSI在靜止αβ坐標(biāo)系下的離散數(shù)學(xué)模型為

式中：iαβ為負(fù)載電流在靜止αβ坐標(biāo)系下的2個(gè)分量;uαβ為TL-VSI的電壓矢量在靜止αβ坐標(biāo)系下的2個(gè)分量，如表1所示;eαβ為反電動(dòng)勢(shì)在靜止αβ坐標(biāo)系下的2個(gè)分量;R為負(fù)載電阻;L為負(fù)載電感;TS為采樣周期;x（k）表示k時(shí)刻對(duì)應(yīng)的變量x;x（k+1）表示k+1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的變量x。

其次，在模型預(yù)測(cè)控制中，需要定義一個(gè)目標(biāo)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)各電壓矢量預(yù)測(cè)電流與參考電流之間的誤差。傳統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)通常定義為

式中iα（k+1）、iβ（k+1）分別為參考電流在靜止αβ坐標(biāo)系下的2個(gè)分量，可通過k時(shí)刻參考電流外推得到，表達(dá)式為

式中k時(shí)刻參考電流iαβ（k）即為k時(shí)刻控制指令電流。

然后，由于模型預(yù)測(cè)控制存在一拍的延時(shí)[13]，為了進(jìn)一步提高控制精度，進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償。此時(shí)，式（2）目標(biāo)函數(shù)可以定義為

式中iα（k+2）、iβ（k+2）可通過式（3）進(jìn)一步外推得到。由式（4）可知，需要預(yù)測(cè)k+2時(shí)刻負(fù)載電流，表達(dá)式為

式中，由于一個(gè)采樣周期內(nèi)反電動(dòng)勢(shì)變化很小，假設(shè)eαβ（k+1）=eαβ（k）。

第四，根據(jù)TL-VSI的8個(gè)電壓矢量，且為了降低開關(guān)頻率，可以組成為12個(gè)電壓矢量組合，分別為：（V0，V1）、（V1，V2）、（V2，V7）、（V2，V3）、（V0，V3）、（V3，V4）、（V4，V7）、（V4，V5）、（V0，V5）、（V5，V6）、（V6，V7）和（V6，V1），電壓矢量組合如圖2所示。

第五，由式（4）可得TL-VSI的8個(gè)電壓矢量所對(duì)應(yīng)的gi（i=0，1，2，3，4，5，6，7）。根據(jù)調(diào)制模型預(yù)測(cè)控制的原理計(jì)算每個(gè)電壓矢量組合中各電壓矢量的作用時(shí)間[21]為：

式中：ti、ti+1分別為電壓矢量組合中第1個(gè)和第2個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間;gi、gi+1分別為電壓矢量組合中第1個(gè)和第2個(gè)電壓矢量的目標(biāo)函數(shù)值。

最后，根據(jù)電壓矢量組合所計(jì)算出的各矢量作用時(shí)間和目標(biāo)函數(shù)值，定義新的目標(biāo)函數(shù)Gi來(lái)評(píng)價(jià)各電壓矢量組合作用于TL-VSI的預(yù)測(cè)電流與參考電流之間的誤差[21]。選取使Gi最小的電壓矢量組合在下一周期作用于TL-VSI。新的目標(biāo)函數(shù)Gi可以表示為

2 改進(jìn)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制

由于傳統(tǒng)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法在選擇電壓矢量組合時(shí)是隨機(jī)擇優(yōu)選擇，當(dāng)電壓矢量相互切換時(shí)將造成大電流相橋臂頻繁切換而產(chǎn)生較高的損耗，因此本文提出一種改進(jìn)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法。其中，負(fù)載電流預(yù)測(cè)、目標(biāo)函數(shù)最小化、延時(shí)補(bǔ)償與第一部分傳統(tǒng)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法相同，這里不再類述。下面詳細(xì)介紹改進(jìn)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法中的電壓矢量選擇方法。

2.1 改進(jìn)的電壓矢量選擇方法

首先，結(jié)合無(wú)差拍控制的思想，計(jì)算出k+1時(shí)刻的目標(biāo)參考電壓矢量[15]為

式中uαβ（k+1）為目標(biāo)參考電壓矢量在靜止αβ坐標(biāo)系下的2個(gè)分量。

其次，將目標(biāo)參考電壓uα（k+1）、uβ（k+1）變換到三相靜止abc坐標(biāo)系下得到ua（k+1）、ub（k+1）、uc（k+1），選取出最大與最小參考電壓，表達(dá)式為：

第三，為了避免發(fā)生過調(diào)制[15]，選取umax、umin對(duì)應(yīng)兩相參考電流進(jìn)行絕對(duì)值大小判斷，參考電流絕對(duì)值大的一相作為鉗位相進(jìn)行功率開關(guān)管鉗位，從而減少大電流處功率開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作。

第四，根據(jù)鉗位相目標(biāo)參考電壓的極性，選取不同的電壓矢量組合作為預(yù)選矢量集，無(wú)論哪一相作為鉗位相預(yù)選矢量集均對(duì)應(yīng)4個(gè)電壓矢量組合。以a相作為鉗位相為例，若目標(biāo)參考電壓ua（k+1）大于0，則鉗位a相上橋臂，即選取電壓矢量組合（V1，V2）、（V2，V7）、（V6，V7）和（V6，V1）作為預(yù)選矢量集;反之，則鉗位a相下橋臂，選取電壓矢量組合（V0，V3）、（V3，V4）、（V4，V5）和（V0，V5）作為預(yù)選矢量集。同理，b相和c相作為鉗位相時(shí)預(yù)選矢量集選取方法類似。預(yù)選矢量集選擇方法如圖3所示。

第五，根據(jù)預(yù)選矢量集進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，選取使Gi最小的電壓矢量組合作為最優(yōu)組合下一周期作用于TL-VSI，其電壓矢量選擇流程圖如圖4所示。

2.2 仿真研究

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，建立了TL-VSI接RLE負(fù)載預(yù)測(cè)電流仿真系統(tǒng)。仿真中，設(shè)反電動(dòng)勢(shì)頻率為50 Hz，峰值為60 V。采用鎖相環(huán)計(jì)算出反電動(dòng)勢(shì)角度并用于定向控制，并將反電動(dòng)勢(shì)矢量定向到d軸上。圖5給出了系統(tǒng)仿真結(jié)果。仿真參數(shù)如表2所示。仿真中，設(shè)定d軸電流參考值分別為5 A和10 A，q軸電流為0。圖5中，uaN為a相橋臂輸出端與直流側(cè)負(fù)母線之間的電壓，u*a為a相目標(biāo)參考電壓。

從圖5中可見，所提方法由于目標(biāo)參考電壓在大電流處出現(xiàn)多次過零，導(dǎo)致鉗位相功率開關(guān)管開關(guān)動(dòng)作，為了盡可能減少大電流處功率開關(guān)管開關(guān)切換，需對(duì)所提方法進(jìn)一步改進(jìn)。

3 目標(biāo)參考電壓影響與改進(jìn)

由圖3可知，無(wú)論三相橋臂任何一相作為鉗位相時(shí)，預(yù)選電壓矢量集都是根據(jù)鉗位相目標(biāo)參考電壓的極性進(jìn)行選擇，即預(yù)選矢量集的選擇與目標(biāo)參考電壓矢量的角度有關(guān)。將靜止αβ坐標(biāo)系劃分為6個(gè)扇區(qū)，S表示扇區(qū)，如圖6所示，其中E為反電動(dòng)勢(shì)電壓矢量，i為參考電流矢量，u*為目標(biāo)參考電壓矢量。以參考電流處于第一扇區(qū)為例，此時(shí)a相參考電流絕對(duì)值最大;由于負(fù)載電阻很小，其電壓矢量忽略不計(jì)，根據(jù)圖6可見，若a相作為鉗位相，理想的目標(biāo)參考電壓矢量u*應(yīng)處于第二扇區(qū)，即a相目標(biāo)參考電壓極性為正，預(yù)選矢量集應(yīng)選為（V1，V2）、（V2，V7）、（V6，V7）和（V6，V1）;然而由于電流紋波、控制誤差等因素的影響，使計(jì)算的目標(biāo)參考電壓矢量u*處于第三扇區(qū)，即a相目標(biāo)參考電壓極性為負(fù)，預(yù)選矢量集選為（V0，V3）、（V3，V4）、（V4，V5）和（V0，V5）。此時(shí)，將會(huì)造成a相橋臂功率開關(guān)管開關(guān)切換，如圖5所示。

為此，在選擇預(yù)選矢量集時(shí)，若以鉗位相參考電流極性替代目標(biāo)參考電壓極性進(jìn)行判斷選擇，能使功率開關(guān)管在大電流處完全鉗位。但是，隨著參考電流的增加，參考電流矢量與目標(biāo)參考電壓矢量之間的角度差將會(huì)逐漸增大。以圖6所示參考電流矢量i為例，當(dāng)參考電流逐漸增大時(shí)，目標(biāo)參考電壓矢量u*所處扇區(qū)將會(huì)由第二扇區(qū)移動(dòng)到第三扇區(qū)。此時(shí)，若以參考電流ia極性替代目標(biāo)參考電壓ua極性選擇預(yù)選矢量集，則預(yù)選矢量集為（V1，V2）、（V2，V7）、（V6，V7）和（V6，V1），這將會(huì)導(dǎo)致所選電壓矢量與目標(biāo)參考電壓矢量之間存在較大的誤差，使負(fù)載電流控制精度降低，甚至負(fù)載電流將無(wú)法得到有效控制。在保證負(fù)載電流能夠得到有效控制的同時(shí)，為了盡可能地減少功率開關(guān)管在大電流處的開關(guān)切換，對(duì)目標(biāo)參考電壓計(jì)算進(jìn)行改進(jìn)，盡可能減小目標(biāo)參考電壓矢量與參考電流矢量之間的角度差。因此，通過向目標(biāo)參考電壓矢量中增加參考電流附加項(xiàng)，即在式（8）中將iαβ（k+1）乘以增益系數(shù)λ（λ≥1），新的目標(biāo)參考電壓矢量可以表示為

引入?yún)⒖茧娏鞲郊禹?xiàng)之后，各電壓矢量分布如圖7所示，u′為改進(jìn)后的目標(biāo)參考電壓矢量。從圖7可見，改進(jìn)后減小了目標(biāo)參考電壓矢量與參考電流矢量之間的角度差。但是，由于預(yù)選矢量集的選擇是根據(jù)目標(biāo)參考電壓的極性進(jìn)行選擇，改進(jìn)后將會(huì)影響系統(tǒng)的控制精度。因此，當(dāng)參考電流較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小λ值，以免造成較大的控制誤差。

為了驗(yàn)證改進(jìn)后所提方法對(duì)減小功率開關(guān)管在大電流處開關(guān)切換的效果，進(jìn)一步進(jìn)行了仿真研究。仿真中所采用參數(shù)與2.2節(jié)部分一致。圖8給出了改進(jìn)后系統(tǒng)的仿真結(jié)果。仿真中，仍設(shè)定d軸電流參考值分別為5 A和10 A，q軸電流為0。

從圖8可見，改進(jìn)后所提方法在大電流處功率開關(guān)管完全鉗位，減少了功率開關(guān)管在大電流處的開關(guān)切換，進(jìn)一步提高了所提方法的效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文所提方法的有效性，進(jìn)一步搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。圖9給出了所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)采用Myway型號(hào)為APL-II的可編程雙向直流電源作為直流側(cè)，采用Ametek型號(hào)為MX30的可編程交流電源模擬交流反電動(dòng)勢(shì)負(fù)載，采用橫河DLM4000系列示波器記錄實(shí)驗(yàn)波形。實(shí)驗(yàn)所用參數(shù)與上述仿真參數(shù)一致。

為了驗(yàn)證本文所提方法對(duì)減小功率開關(guān)管在大電流處開關(guān)切換的有效性，圖10給出了傳統(tǒng)雙矢量法與本文所提方法的穩(wěn)態(tài)控制效果。實(shí)驗(yàn)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)頻率為50 Hz，幅值為60 V。d軸電流設(shè)定為10 A，q軸電流設(shè)定為0。圖10中，uaN為a相橋臂輸出端與直流側(cè)負(fù)母線端之間的電壓。

由圖10可見，本文所提方法通過優(yōu)化電壓矢量選擇，實(shí)現(xiàn)了在大電流處功率開關(guān)管鉗位，減小了功率開關(guān)管在大電流處的開關(guān)切換，且與傳統(tǒng)雙矢量法相比，具有相似的穩(wěn)態(tài)控制效果。

圖11給出了反電動(dòng)勢(shì)頻率為20 Hz、幅值為60 V時(shí)，傳統(tǒng)雙矢量法與本文所提方法的穩(wěn)態(tài)控制效果。在實(shí)驗(yàn)中，仍給定d軸電流為10 A，q軸電流為0?？梢钥闯?，當(dāng)頻率發(fā)生變化時(shí)，本文所提方法同樣能夠達(dá)到減小功率開關(guān)管在大電流處開關(guān)切換的目的，且不影響電流控制。

圖12進(jìn)一步對(duì)比了傳統(tǒng)雙矢量法與本文所提方法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。實(shí)驗(yàn)時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)幅值為60 V，頻率為50 Hz，d軸電流由10 A突減為5 A?？梢钥闯?，由于本文所提方法每個(gè)控制周期內(nèi)減少了預(yù)選矢量集，減少了控制算法尋優(yōu)次數(shù)，因此具有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。這進(jìn)一步驗(yàn)證了所提方法的有效性。

為了驗(yàn)證本文所提方法對(duì)降低TL-VSI等效開關(guān)頻率的有效性，圖13對(duì)比了傳統(tǒng)雙矢量法與本文所提方法的等效開關(guān)頻率。實(shí)驗(yàn)中，反電動(dòng)勢(shì)幅值仍為60V，頻率為20～50 Hz，設(shè)定d軸電流為4～10 A，q軸電流仍為0。定義等效開關(guān)頻率favgsw為

式中fswi為功率開關(guān)管Qi（i=1，3，5）在一個(gè)基波周期內(nèi)的開關(guān)頻率。

從圖13可見，與傳統(tǒng)雙矢量法相比，由于本文所提方法通過優(yōu)化電壓矢量選擇使功率開關(guān)管鉗位，減少了功率開關(guān)管在大電流處的開關(guān)切換，因此也降低了逆變器的等效開關(guān)頻率，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

為了驗(yàn)證本文所提方法對(duì)降低TL-VSI功率損耗的效果，通過示波器功率分析模塊測(cè)量逆變器輸入與輸出功率，在多個(gè)基波周期內(nèi)取平均值計(jì)算出逆變器功率損耗[16]。圖14對(duì)比了傳統(tǒng)雙矢量法與本文所提方法的逆變器功率損耗。實(shí)驗(yàn)條件與圖13實(shí)驗(yàn)條件一致。圖14（b）中，定義損耗降低百分比為

式中：loss1為傳統(tǒng)雙矢量法所產(chǎn)生的功率損耗;loss2為本文所提方法所產(chǎn)生的功率損耗。

從圖14中可見，本文所提方法由于降低了開關(guān)頻率，減少了功率開關(guān)管在大電流處的開關(guān)切換，因此降低了逆變器功率損耗，從而提高了逆變器的運(yùn)行效率。

圖15對(duì)比了傳統(tǒng)雙矢量法與本文所提方法在不同電流下的電流THD。實(shí)驗(yàn)條件與圖13實(shí)驗(yàn)條件一致?？梢钥闯觯捎诒疚乃岱椒p小了預(yù)選矢量集，其電流THD有一定的增加，但是，所提方法減小了計(jì)算量，降低了開關(guān)頻率，減少了功率開關(guān)管在大電流處的開關(guān)切換，降低了逆變器功率損耗。因此，本文所提方法更適合用于中、大功率逆變器應(yīng)用場(chǎng)合。

5 結(jié) 論

為了提高TL-VSI的運(yùn)行效率，降低TL-VSI的功率損耗，本文提出了一種改進(jìn)的雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法。該方法通過優(yōu)化電壓矢量選擇，減小了控制算法尋優(yōu)次數(shù)，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程，降低了TL-VSI的等效開關(guān)頻率和功率損耗，從而提高了TL-VSI的運(yùn)行效率。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 吳國(guó)祥， 楊勇. 三相光伏并網(wǎng)逆變器dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下無(wú)差拍功率控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2014， 18（12）： 37.

WU Guoxiang， YANG Yong. Dead beat power control in dq rotating reference frame for three-phase photovoltaic grid-connected inverters[J]. Electric Machines and Control， 2014， 18（12）： 37.

[2] 郭磊磊， 金楠， 韓東許， 等. 背靠背永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器共模電壓抑制方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2018， 22（6）： 77.

GUO Leilei， JIN Nan， HAN Dongxu， et al. Common-mode voltage suppression strategy for back-to-back permanent-magnet direct-drive wind power converters[J]. Electric Machines and Control， 2018， 22（6）： 77.

[3] 王帥， 趙克， 安群濤， 等. 鉆井直流微電網(wǎng)沖擊功率的混合儲(chǔ)能平衡技術(shù)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2017， 21（4）： 53.

WANG Shuai， ZHAO Ke， AN Quntao， et al. Hybrid energy storage balancing technology for the impact power of drilling DC micro grid[J]. Electric Machines and Control， 2017， 21（4）： 53.

[4] 李圣清， 張彬， 栗偉周， 等. 含微網(wǎng)的配網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2014， 18（6）： 90.

LI Shengqing， ZHAO Bin， LI Weizhou， et al. Unified power quality conditioner of distribution network containing microgrid[J]. Electric Machines and Control， 2014， 18（6）： 90.

[5] 李斌， 關(guān)天一. 電動(dòng)汽車充電機(jī)控制系統(tǒng)建模與滑模變結(jié)構(gòu)控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2018， 22（2）： 64.

LI Bin， GUAN Tianyi. Modeling and sliding modecontrol of electric vehicle charger control system[J].Electric Machines and Control， 2018， 22（2）： 64.

[6] 王強(qiáng)， 唐朝垠， 王天施， 等. 輔助電路無(wú)儲(chǔ)能電容的諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2017， 21（8）： 78.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al. Resonant DC link soft-switching inverter without storage capacitor in auxiliary circuit[J]. Electric Machines and Control， 2017， 21（8）： 78.

[7] 王強(qiáng)， 單瑞香， 王天施， 等. 新型零電流開關(guān)諧振極型逆變器[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2017， 37（3）： 880.

WANG Qiang， DAN Ruixiang， WANG Tianshi， et al. Novel zero-current switching resonant pole inverter[J]. Proceedings of the CSEE， 2017， 37（3）： 880.

[8] AN S L， SUN X D， ZHANG Q， et al. Study on the novel generalized discontinuous SVPWM strategies for three-phase voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2013， 9（2）： 781.

[9] ASIMINOAEI L， RODRIGUEZ P， BLAABJERG F， et al， Reduction of switching losses in active power filters with a new generalized discontinuous-PWM strategy[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2008， 55（1）： 467.

[10] BHATTACHARYA S， SHARMA S K， MASCARELLA D， et al. Subfundamental cycle switching frequency variation for switching losses reduction of a two-level inverter traction drive[J].IEEE Transactions on Transportation Electrification，2017，3（3）：646.

[11] JIANG D， WANG F. Variable switching frequency PWM for three-phase converters based on current ripple prediction[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（11）： 4951.

[12] 許加柱， 袁晉蓉， 沈陽(yáng)武， 等. 海上風(fēng)電并網(wǎng)的有限控制集模型預(yù)測(cè)控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2017， 21（5）： 23.

XU Jiazhu， YUAN Jinrong， SHEN Yangwu， et al. Finite-control-set model predictive control for offshore wind power integration[J]. Electric Machines and Control， 2017， 21（5）：23.

[13] 金楠， 郭磊磊， 竇智峰， 等. 清潔能源發(fā)電并網(wǎng)逆變器有限狀態(tài)模型預(yù)測(cè)控制[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2018， 22（4）： 89.

JIN Nan， GUO Leilei， DOU Zhifeng， et al. Finite states model predictive control for grid-connected inverter of clean energy power generation[J]. Electric Machines and Control， 2018， 22（4）：89.

[14] HU J， ZHU J， LEI G， et al. Multi-objective model-predictive control for high-power converters[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2013， 28（3）： 652.

[15] KWAK S， PARK J C. Switching strategy based on model predictive control of VSI to obtain high efficiency and balanced loss distribution[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2014， 29（9）： 4551.

[16] KWAK S， PARK J C. Predictive control method with future zero-sequence voltage to reduce switching losses in three-phase voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（3）： 1558.

[17] 郭磊磊， 金楠， 申永鵬. 一種基于優(yōu)化電壓矢量選擇的電壓源逆變器模型預(yù)測(cè)共模電壓抑制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 33（6）： 1347.

GUO Leilei， JIN Nan， SHEN Yongpeng. A mode predictive common-mode voltage suppression method for voltage source inverter based on optimum voltage vector selection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（6）： 1347.

[18] PREINDL M， SCHALTZ E， THOGERSEN P. Switching frequency reduction using model predictive direct current control for high-power voltage source inverters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2011， 58（7）： 2826.

[19] 徐艷平， 王極兵， 周欽， 等. 永磁同步電動(dòng)機(jī)雙優(yōu)化三矢量模型預(yù)測(cè)電流控制[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)， 2018， 38（6）： 1857.

XU Yanping， WANG Jibing， ZHOU Qin， et al. Double optimization three-vector-based model predictive current control for permanent magnet synchronous motors[J]. Proceedings of the CSEE， 2018， 38（6）： 1857.

[20] ZHANG Y， BAI Y， YANG H. A universal multiple-vector-based model predictive control of induction motor drives[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018， 33（8）： 6957.

[21] TARISCIOTTI L， ZANCHETTA P， WATSON A， et al. Modulated model predictive control for a three-phase active rectifier[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2015，51（2）：1610.

[22] 秦艷忠， 閻彥， 陳煒， 等. 永磁同步電機(jī)參數(shù)誤差補(bǔ)償三矢量模型預(yù)測(cè)電流控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2020， 35（2）： 255.

QIN Yanzhong， YAN Yan， CHEN Wei， et al. Three-vector model predictive current control strategy for permanent magnet synchronous motor drives with parameter error compensation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2020， 35（2）： 255.

[23] 陳煒， 曾思坷， 張國(guó)政， 等. 永磁同步電機(jī)改進(jìn)型三矢量模型預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2018， 33（S2）： 420.

CHEN Wei， ZENG Sike， ZHANG Guozheng， et al. Improved three-vector model predictive torque control of permanent magnet synchronous motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2018， 33（S2）： 420.

[24] 劉珅， 高琳. 永磁同步電機(jī)的改進(jìn)模型預(yù)測(cè)直接轉(zhuǎn)矩控制[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2020， 24（1）： 10.

LIU Shen， GAO Lin. Improved model of predictive direct torque control for permanent magnet synchronous motor[J]. Electric Machines and Control， 2020， 24（1）： 10.

[25] 郭磊磊， 晉玉祥， 羅魁. 改進(jìn)的低損耗并網(wǎng)逆變器雙矢量模型預(yù)測(cè)電流控制方法[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備， 2019， 39（10）： 137.

GUO Leilei， JIN Yuxiang， LUO Kui. Improved two-vector-based model predictive current control method for grid-connected inverter with low loss[J].Electric Power Automation Equipment， 2019， 39（10）： 137.

[26] 李琰琰， 晉玉祥， 郭磊磊， 等. 電壓源逆變器混合多矢量預(yù)測(cè)共模電壓抑制方法[J].儀器儀表學(xué)報(bào)， 2019， 40（9）： 238.

LI Yanyan， JIN Yuxiang， GUO Leilei， et al. A hybrid multi-vector-based predictive common-mode voltage reduction method for voltage source inverters[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument， 2019， 40（9）： 238.

（編輯：邱赫男）

收稿日期： 2018-07-17

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（51707176）;河南省自然科學(xué)基金（162300410321）

作者簡(jiǎn)介：竇智峰（1979—），男，博士，講師，研究方向?yàn)槎嚯娖诫娔茏儞Q器故障容錯(cuò)及其控制策略;

晉玉祥（1993—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù);

金 楠（1982—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)榍鍧嵞茉床⒕W(wǎng)發(fā)電及其控制技術(shù);

郭磊磊（1987—），男，博士，講師，研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電并網(wǎng)技術(shù);

王延峰（1973—），男，博士，教授，研究方向?yàn)樾履茉措娔苻D(zhuǎn)換技術(shù)。

通信作者：晉玉祥