Model Predictive Control for 3-Level NPC Inverters

Abstract

"برز التحكم التنبؤي بالنموذج (Model Predictive Control - MPC) كإستراتيجية تحكم فعّالة لمحولات القدرة متعددة المستويات، وذلك بفضل استجابته الديناميكية السريعة، وسهولة تضمين قيود النظام، وقدرته على التعامل مع أهداف تحكم متعددة ضمن إطار تحسين واحد. تبحث هذه الورقة في تطبيق التحكم التنبؤي بالنموذج على العواكس ثلاثية المستويات من نوع Neutral-Point-Clamped (NPC)، والتي تُستخدم على نطاق واسع في تطبيقات القدرة المتوسطة والعالية نظرًا لقدرتها على تقليل الإجهاد الواقع على عناصر القدرة، وتحسين جودة شكل موجة الخرج، وخفض التشوه التوافقي مقارنةً بالعواكس التقليدية ثنائية المستويات. يركز منهج التحكم المقترح على تحقيق تتبع دقيق للتيار، والحد من تأثيرات تردد التبديل، والحفاظ على توازن جهد النقطة المتعادلة (Neutral Point Voltage Balance)، والذي يُعد أحد أبرز التحديات في بنية العاكس ثلاثي المستويات من نوع NPC. ومن خلال اختيار حالة التبديل المثلى عند كل لحظة أخذ عينات اعتمادًا على دالة كلفة (Cost Function) محددة مسبقًا، يضمن المتحكم تحسين الأداء في حالتي الاستقرار والانتقال، مع المحافظة على توازن جهد مكثفات وصلة التيار المستمر (DC-Link). تسلط هذه الدراسة الضوء على مبدأ عمل التحكم التنبؤي بالنموذج في العواكس ثلاثية المستويات من نوع NPC، وتناقش صياغة النموذج التنبؤي ودالة الكلفة، كما تقيّم أداء نظام التحكم من حيث دقة تتبع التيار، وجودة التوافقيات، والاستجابة الديناميكية. وتُظهر النتائج أن التحكم التنبؤي بالنموذج (MPC) يوفر حلاً فعالًا ومرنًا لتحسين أداء العواكس ثلاثية المستويات من نوع NPC في تطبيقات إلكترونيات القدرة المتقدمة. "Model Predictive Control (MPC) has emerged as a powerful control strategy for multilevel power converters due to its fast dynamic response, straightforward in clusion of system constraints, and ability to handle multiple control objectives within a single optimization framework. This paper investigates the application of MPC to three-level Neutral-Point-Clamped (NPC) inverters, which are widely used in medium- and high-power applications because of their reduced voltage stress, improved output waveform quality, and lower harmonic distortion compared with conventional two-level inverters. The proposed control approach focuses on accurate current tracking, mitigation of switching frequency effects, and maintenance of neutral-point voltage balance, which remains one of the main challenges in three-level NPC topology. By selecting the optimal switching state at each sampling instant based on a predefined cost function, the controller ensures enhanced steady-state and transient performance while preserving the dc-link capacitor voltage balance. The study highlights the operating principle of MPC for 3-level NPC inverters, discusses the formulation of the predictive model and cost function, and evaluates the control performance in terms of tracking accuracy, harmonic quality, and dynamic behavior. The results demonstrate that MPC provides an effective and flexible solution for improving the performance of 3-level NPC inverters in advanced power electronic applications