一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法，针对MMC结构，建立含输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差的四阶离散状态方程；构建以输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差为控制目标的评价函数；通过在滚动预测之前计算出相邻投入模块数的预测差值，将滚动预测过程需要的乘法运算简化为加法运算，减少了控制器的计算量；通过分析滚动预测搜索空间对输出电流、环流电流的影响，得到简化滚动预测搜索空间，进一步简化了计算量，具体包括：快速滚动预测方法与简化滚动预测搜索空间。本发明专利技术采用快速滚动预测方法与简化滚动预测搜索空间，在保证系统整体控制性能的同时，减少了控制器的计算量。

A fast prediction method based on modular multilevel converter structure

The invention discloses a fast prediction method based on the structure of modularized multilevel converter. According to the MMC structure, the four order discrete state equation with output current, circulation current, bridge arm sub module voltage and bridge arm sub module voltage difference is established, and the output current, circulation current, bridge arm sub module voltage and bridge arm are built. The submodule voltage difference is the evaluation function of the control target; by calculating the prediction difference of the number of adjacent input modules before the rolling prediction, the multiplication operation required by the rolling prediction process is simplified as an addition operation, and the calculation amount of the controller is reduced. The search space of rolling prediction is simplified and the calculation is further simplified, including the fast rolling prediction method and the simplified rolling prediction search space. The invention adopts the fast rolling prediction method and the simplified rolling prediction search space, and reduces the calculation amount of the controller while ensuring the overall control performance of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法
本专利技术涉及模块化多电平变换器，具体是一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法。
技术介绍
模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,MMC)具有模块化结构、低谐波输出以及冗余控制等特点，近几年来，以其优越的性能在高压直流输电、中压电机驱动以及静止无功补偿等领域受到了广泛的研究。模型预测控制(modelpredictivecontrol，MPC)作为一种非线性优化控制方法，不需要进行参数整定且具有良好的动态响应能力，在处理有约束多目标优化问题具备很大优势。而随着微控制器技术的不断发展，基于有限控制集的模型预测控制(finitecontrolsetMPC，FCS-MPC)在电力电子与电力驱动领域也逐渐受到关注与研究。然而当FCS-MPC应用到多电平变换器控制上时，一方面，多电平变换器拥有较多的开关器件，需要遍历的开关组合数多；另一方面，多电平变换器的控制目标相比传统两电平变换器控制目标增多，加大了评价函数的计算量。现有减少多电平模型预测控制计算量方法主要包括：1)构建相邻控制周期投入模块数关系，即以上一个控制周期投入模块数为中心，构建当前控制周期有限控制集；2)对多电平变换器目标实行分层控制，将多目标优化问题转化为多个单目标优化问题。两种方法虽能有效地减少计算量，但也存在明显缺陷，前者限制了变换器的动态性能并且未给出有限控制集范围对控制目标性能的影响，后者会使控制目标之间缺乏协调性。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法，减少计算量，提高模型预测控制方法在工程实践中的可行性。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法，其包括以下步骤：1)针对模块化多电平变换器MMC的结构，依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，建立含输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差，即共模电压与差模电压的四阶状态方程方程，如下所示：其中，状态变量由输出电流isj、环流电流idiffj、共模电压及差模电压组成，j＝a,b,c；输入变量u＝[0,Udc,0,0]T，由直流侧电压Udc组成；N表示单个桥臂级联子模块数目，Np，Nn分别表示上、下桥臂投入子模块数目；Ls和Rs分别为交流侧电感与电阻，L和R分别为桥臂电感与电阻，Csm表示模块化多电平变换器子模块电容值，02×2表示2×2的零矩阵；2)利用向前欧拉法对所述四阶状态方程进行离散化并整理后得到：x(k+1)＝AvTsx(k)+C；其中：I表示4×4单位矩阵，Ts表示控制周期，x(k)表示状态变量在t＝kTs时刻的采样值，x(k+1)表示状态变量在t＝(k+1)Ts时刻的预测值；Av是关于投入模块数Np，Nn的线性矩阵函数；3)构建以输出电流、环流电流、共模电压及差模电压为控制目标的评价函数J，利用2)中得到的离散状态方程，推导出输出电流、环流电流、共模电压及差模电压的预测值，利用功率守恒与桥臂能量关系，推导出输出电流、环流电流、共模电压及差模电压的参考值；利用2)中得到的离散状态方程，推导出相邻投入模块数对应预测差值计算公式；分析滚动预测搜索空间对输出电流、环流电流的影响，推导出简化的滚动预测搜索空间计算公式。步骤3)中，评价函数J的表达式为：J＝(x(k+1)-xref(k+1))TW(x(k+1)-xref(k+1))；xref(k+1)由输出电流参考值环流电流参考值共模电压参考值及差模电压参考值组成，权重因子矩阵W用来描述输出电流、环流电流、共模电压及差模电压之间的相对重要程度。步骤3)中，首先得到dq坐标系下的输出电流参考值然后通过坐标变换得到abc坐标系下的参考值环流电流参考值其中，P表示传输的有功功率。步骤3)中，共模电压参考值及差模电压参考值的计算公式如下：其中Vsj、Isj分别表示输出电压、电流的幅值，ω表示旋转角频率。步骤3)中，预测差值计算公式如下：Δxm(k+1)＝xm(k+1)-x(m-1)(k+1)＝Av((Npm-Np(m-1)),(Nnm-Nn(m-1)))Tsx(k)；其中，xm(k+1)表示当投入模块数为(Npm，Nnm)时所对应状态变量x的预测值，xm(k+1)表示当投入模块数为(Np(m-1)，Nn(m-1))时所对应状态变量x的预测值，0≤Npm≤N，0≤Nnm≤N，1≤m≤Q，Q＝(N+1)2，Q表示投入模块数总数。步骤3)中，简化的滚动预测搜索空间计算公式为：Er＝max{Er1,Er2}；Er1表示能够保证输出电流谐波特性的最小滚动预测搜索空间；Er2表示能够保证谐波环流抑制效果的最小滚动预测搜索空间；|Np+Nn-N|≤Er。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术依据基本电路定律，对MMC结构建立含输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差的四阶离散状态方程，并构建以输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差为控制目标的评价函数。然后通过在滚动预测之前计算出相邻投入模块数的预测差值，将滚动预测过程需要的乘法运算简化为加法运算，减少了控制器的计算量。除此之外，通过分析滚动预测搜索空间对输出电流、环流电流的影响，得到简化滚动预测搜索空间。该方法对基于MMC结构的模型预测控制方法的快速滚动预测具有重要意义。本专利技术采用快速滚动预测方法与简化滚动预测搜索空间，在保证系统整体控制性能的同时，减少了控制器的计算量。附图说明图1是用于快速预测方法模块化多电平变换器系统结构图。图2是本专利技术一实施例基于快速滚动预测方法示意图。图3是本专利技术一实施例基于简化滚动预测搜索空间示意图。图4是本专利技术一实施基于快速滚动预测与简化滚动预测搜索空间方法的算法流程图。具体实施方式图1是用于快速预测方法模块化多电平变换器系统结构图。由三个相单元组成，每相包含上、下两个桥臂，每个桥臂由N个半桥子模块SM与桥臂电抗器L、寄生电阻R级联构成。每个子模块通过控制开关S1，S2使之处于投入或旁路状态。图中Udc与idc表示直流母线电压与电流，upj与unj表示j相上、下桥臂输出电压，isj表示j相输出电流(j＝a,b,c)。依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，建立含输出电流、环流电流、共模电压及差模电压的四阶状态方程方程，如下所示：其中：状态变量由输出电流isj(j＝a,b,c)、环流电流idiffj、共模电压及差模电压组成，输入变量u＝[0,Udc,0,0]T由直流侧电压Udc组成。N表示单个桥臂级联子模块数目，Np，Nn分别表示上、下桥臂投入子模块数目，Ls和Rs分别为交流侧电感与电阻，Csm表示子模块电容值，02×2表示2×2的零矩阵。图2是本专利技术一实施例基于快速滚动预测方法示意图。首先以MMC一相桥臂为例进行分析，当执行预测控制算法时，所有可能的投入模块数组合(Np，Nn)都需要被代入到离散状态方程来对状态变量进行预测，并满足使J最小的投入模块数将会被应用到MMC中。由于桥臂子模块数为N，投入模块数总数Q的计算公式为：Q＝(N+1)2假设Np，Nn均是连续变量，则可以将Av看作是一个连续可微矩阵函数，其沿方向的方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)针对模块化多电平变换器MMC的结构，依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，建立含输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差，即共模电压与差模电压的四阶状态方程方程，如下所示：

【技术特征摘要】
1.一种基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法，其特征在于，包括以下步骤：1)针对模块化多电平变换器MMC的结构，依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，建立含输出电流、环流电流、桥臂子模块电压和及桥臂子模块电压差，即共模电压与差模电压的四阶状态方程方程，如下所示：其中，状态变量由输出电流isj、环流电流idiffj、共模电压及差模电压组成，j＝a,b,c；输入变量u＝[0,Udc,0,0]T，由直流侧电压Udc组成；N表示单个桥臂级联子模块数目，Np，Nn分别表示上、下桥臂投入子模块数目；Ls和Rs分别为交流侧电感与电阻，L和R分别为桥臂电感与电阻，Csm表示模块化多电平变换器子模块电容值，02×2表示2×2的零矩阵；2)利用向前欧拉法对所述四阶状态方程进行离散化并整理后得到：x(k+1)＝AvTsx(k)+C；其中：C＝(I+AcTs)x(k)+BTsu(k)；I表示4×4单位矩阵，Ts表示控制周期，x(k)表示状态变量在t＝kTs时刻的采样值，x(k+1)表示状态变量在t＝(k+1)Ts时刻的预测值；Av是关于投入模块数Np，Nn的线性矩阵函数；3)构建以输出电流、环流电流、共模电压及差模电压为控制目标的评价函数J，利用2)中得到的离散状态方程，推导出输出电流、环流电流、共模电压及差模电压的预测值，利用功率守恒与桥臂能量关系，推导出输出电流、环流电流、共模电压及差模电压的参考值；利用2)中得到的离散状态方程，推导出相邻投入模块数对应预测差值计算公式；分析滚动预测搜索空间对输出电流、环流电流的影响，推导出简化的滚动预测搜索空间计算公式。2.根据权利要求1所述的基于模块化多电平变换器结构的快速预测方法，其特征在于，步骤3)中，评价函数J的表达...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗安，郭鹏，岳雨霏，胡家瑜，何志兴，徐千鸣，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43