本文是一篇电力论文，本文以三相VIENNA整流器为研究对象，对该整流器拓扑的数学模型和控制策略进行详细的分析和研究。针对传统模型预测控制应用于变换器时存在的电网电流纹波较大、开关频率不固定、中点平衡权重因子选取困难的问题，本文提出了基于占空比优化的VIENNA整流器无权重模型预测三矢量定频控制策略。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
电力行业是能源领域的支柱行业[1]，更是国家未来能源战略的重中之重。由于新能源并网发电的间接性和随机性，当大规模接入时易对电网造成冲击，易造成大电网的不稳定运行[2]，给正常的生产生活带来隐患。同时，新能源并网给大电网引入大量的谐波，对其他用电设备发热严重、加速老化，甚至影响正常的生产。
根据日本电气学会发表调查报告表明，各种整流器、逆变器、开关电源等电力电子装置为最大谐波源，份额占到90%，最大谐波来自整流器产生的已达到89%。因此，对整流器的低谐波、高功率因数的研究也是电力电子技术亟待解决的方向之一。
针对电网谐波和无功问题，一般采取有源滤波技术和优化变流器本身控制来实现[3]。有源滤波技术是在用电设备产生谐波后进行治理，良好的补偿效果依赖于补偿装置参数的合理选取，否则可能会成为新的谐波源进而恶化电网。更合理的做法应该是从每台用电设备本身做研究，从源头上减少甚至杜绝谐波的产生，这具有重大的研究价值和经济意义。
1.2 整流器常见拓扑与性能分析
随着传统电网中大量新能源的接入，未来电网呈现出高电力电子化的电力系统。其中，电力电子变换器承担着电能变换的重要角色[12,13]，这种变换可以实现系统中能量传输、无功补偿和稳定电压等功能。变换器一般分为两电平变换器和多电平变换器，传统的两电平变换器具有成本低廉、电路拓扑简单、控制简单的优点，但其网侧电流谐波较大、功率密度低等瑕疵被摒弃掉，它通常适用于中低压场景。多电平变换器由于谐波含量低等优点更加适应于未来的各类应用场景，而其中的三电平变换器最具代表性。一般而言，三电平变换器分为中点钳位型、飞跨电容型、T型和VIENNA整流器等，如图1-2所示，下面对各种变换器的优缺点进行详细介绍。
(1) 两电平变换器
两电平变换器拓扑如图1-3所示，每相只有两个开关器件，可以显著降低装置的制造成本。同时，每相可以输出两个电平，为满足网侧电流的波形质量要求，需要较高的开关频率，这会增大系统的开关损耗，不利于系统的散热要求。另外，为了抑制网侧电流纹波的大小，还需要精细设计滤波器的参数。因此，该类型的变换器一般应用于电压较低的场景。鉴于此，研究人员开发了三电平及多电平的拓扑及控制策略，其性能表现比两电平变换器更加优越。
(2) 飞跨电容型变换器
飞跨电容型变换拓扑如图1-4所示，可以看到每个桥臂均含有四个功率开关管和一个电容[14]。每相桥臂的开关器件通过并联电容来对其耐压进行钳位，使得正常工作时电容电压基本维持在直流母线电压的一半。由于飞跨电容的存在，它对电路中谐波进行抑制的同时也导致整个变换器的体积增大，不利于实现高功率密度集成化。这种拓扑依然需要设置死区时间来避免上下桥臂直通的问题[15]。
2 三相VIENNA整流器工作原理和数学模型
2.1 VIENNA整流器的电路拓扑及工作原理
图2-1所示为三相三电平VIENNA整流器电路拓扑示意图。ugx表示交流侧电网电压(x=a, b, c)；L为电网侧升压电感；R为升压电感的寄生电阻；Dxp, Dxn为二极管整流桥；Sx1和Sx2是反向串联开关管；udcp、udcn分别是两个分裂电容C1、C2上的电压，电容C1、C2的中点o连接至Sx2开关管的阴极；ic1、ic2分别是流经两分裂电容C1、C2的电流，udc为直流母线电压。
2.2 VIENNA整流器的数学模型
对于电力电子变换器的控制大多数依赖于系统的数学模型，本节通过基尔霍夫电压电流定律推导了在三相abc静止坐标系和两相αβ静止坐标系下的电路数学模型，并画出相对应的等效电路图。
由上述所推导的电路等效电路图可知，三相VIENNA系统数学模型的特点具有多耦合性、非线性和时变性。为了控制策略方便实现，通常是将三相abc静止坐标系变换到αβ两相静止坐标系下。
VIENNA 整流器的空间电压矢量分布 传统的三电平整流器，总共有3^3=27种开关矢量组合，27种开关矢量对应19个空间电压矢量，如图2-8所示。根据幅值的不同可将19个矢量分为4类，即零矢量、小矢量、中矢量和大矢量。其中小矢量存在冗余矢量，每一个小矢量分别对应两种开关状态；由于前级全桥二极管不控整流的影响，零矢量仅仅对应一种开关状态(即[OOO])，并且不存在全为正[PPP]和负[NNN]的状态组合。
3 三相 VIENNA 整流器模型预测直接功率控制策略 ....................... 23
3.1 模型预测直接功率控制策略 ............................. 23
3.1.1 模型预测控制的基本原理 .......................... 23
3.1.2 直接功率控制 ............................... 24
4 基于占空比优化的 VIENNA 整流器模型预测优化控制策略 ....... 33
4.1 基于占空比优化的无权重模型预测双矢量定频控制策略 ........ 33
4.1.1 基于扇区划分的快速模型预测控制....................... 33
4.1.2 优选冗余小矢量的中点电位波动控制 ................ 34
5 实验与结果分析 ................................ 49
5.1 实验平台建立 ........................ 49
5.1.1 基于RT-Box半实物实验平台设计 ........................ 49
5.1.2 主电路参数选择 ...................... 49
5 实验与结果分析
5.1 实验平台建立
5.1.1 基于RT-Box半实物实验平台设计
RT-Box是一款面向电力电子应用的半实物仿真器。它具有极为丰富的模拟和数字通道，同时集成高性能的FPGA运算模块，可以快速的在硬件在环（HIL）和快速控制原型中高效处理实时模型。
图5-1所示为搭建的实验样机，主电路采用RT-Box来模拟，它是利用PLECS平台将主电路载入到RT-Box中，控制芯片型号为TMS320F28335芯片。接下来对前面所提控制策略进行实验验证，包括传统FCS-MPC、双矢量UFMPC-DV和三矢量UFMPC-TV策略。实验参数和仿真参数保持一致，如表4-5所示。
6 总结与展望
6.1 总结
本文以三相VIENNA整流器为研究对象，对该整流器拓扑的数学模型和控制策略进行详细的分析和研究。针对传统模型预测控制应用于变换器时存在的电网电流纹波较大、开关频率不固定、中点平衡权重因子选取困难的问题，本文提出了基于占空比优化的VIENNA整流器无权重模型预测三矢量定频控制策略。仿真和实验结果表明，所提策略的动静态效果较好。本文的研究结果如下：
(1) 针对传统模型预测控制在控制周期内作用单一矢量，引起开关频率不固定问题，采用基于占空比优化的UFMPC-DV控制策略，可以近似实现固定开关频率控制，此控制可以降低并网电流纹波，有效改善网侧电流静态性能。UFMPC-DV控制策略存在某些控制周期依然作用单矢量的问题，故提出一种基于占空比优化的UFMPC-TV控制策略，借鉴空间电压脉宽调制实现固定开关频率控制，并进一步降低并网电流纹波，整个实现过程简单且易于实现。
(2) 对传统模型预测控制在实现中点电位波动抑制问题时，需在目标函数中引入平衡因子项进行研究，表明权重系数的不同选取会影响网侧电流畸变率和直流侧中点电位的波动效果，研究了一种利用冗余小矢量来构建无权重系数的功率单目标代价函数，以避免权重系数的繁琐选取问题，结果表明可以抑制直流侧中点波动。针对传统模型预测控制遍历寻优效率低下，研究了一种精细扇区划分的快速模型预测控制，这种方式可以减少处理器计算负担，以获得在更高开关频率场合的应用。
(3) 搭建了VIENNA整流器的MATLAB仿真模型和半实物实验验证平台，并在平台上进行了一系列实验验证工作，稳态和暂态结果表明，同采用的UFMPC-DV控制策略相比，所提出的UFMPC-TV策略利用三矢量合成方式可以使得网侧电流纹波更小。
参考文献（略）
