一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法，利用规定的上下桥臂电平组合的选取规则，选取最佳的电平组合，并结合桥臂子模块电容电压排序结果和桥臂电流方向，确定各子模块的开关状态。本发明专利技术无需PI控制器，省略了繁琐的参数整定过程，只需要利用一个系统价值函数即可实现多目标控制，无需增加各种控制环，简化了控制，同时，提高系统的动态响应能力，从而提高了系统工作效率。

A Mixed Model Predictive Control Method with Half-Bridge and Full-Bridge Submodules

The invention discloses a half-bridge and full-bridge sub-module hybrid MMC model predictive control method, which uses the prescribed selection rules of upper and lower bridge arm level combination to select the best level combination, and determines the switching state of each sub-module based on the results of capacitance voltage sequencing of bridge arm sub-module and the direction of bridge arm current. The invention does not need a PI controller, omits the tedious parameter setting process, only needs to use a system value function to realize multi-objective control, does not need to add various control loops, simplifies control, and improves the dynamic response ability of the system, thereby improving the working efficiency of the system.

【技术实现步骤摘要】
一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法
本专利技术涉及多电平电力电子变换器领域的模型预测控制方法，具体是一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法。
技术介绍
基于电压源换流器(VSC)的直流输电技术，在我国称之为柔性直流输电技术。由于采用全控型开关器件，具有不需要换相电压、独立控制有功功率和无功功率输出、可以向无源网络供电等特点，在新能源发电并网、城市电网增容改造、海上平台孤立负荷供电等领域具有广阔的应用前景。模块化多电平换流器(MMC)以其模块化设计、开关频率低、谐波性能好等诸多优点已成为当前柔性直流输电工程的首选技术方案，但基于半桥子模块的MMC不具备直流故障穿越能力，无法阻断故障电流，需依靠交流断路器或直流断路器实现故障的清除。基于半桥和全桥子模块混合的MMC，在满足直流故障电流清除能力的同时，可以利用全桥子模块的负电平输出，实现过调制运行，而且相比于全桥型MMC，可减少开关器件的数量，降低损耗。半桥和全桥子模块混合的MMC的正常运行需要满足3个控制目标：输出电流控制、桥臂环流控制和子模块电容电压平衡控制。目前对于混合型MMC的控制主要是采用PI控制器的闭环控制，虽然PI控制的稳态精度较高，但是控制器数量会随着控制目标的增多而增加，这就给PI参数的整定增加了困难，且由于控制目标较多，PI参数整定过程也比较繁琐，增加了工作人员的工作量，另外,对于混合型MMC不同的工作状况，PI参数都需要重新调整，也给工作人员增加了额外的负担。
技术实现思路
针对上述现有技术存在的问题，本专利技术提供一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法，无需数量众多的PI控制器，省略繁琐的参数整定过程，且能够在省略传统PI控制参数整定过程的同时提高系统的动态响应能力，减轻工作人员的工作量和负担。为了实现上述目的，本专利技术提供一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法，利用规定的上下桥臂电平组合的选取规则，选取最佳的电平组合，并结合桥臂子模块电容电压排序结果和桥臂电流方向，确定各子模块的开关状态，具体包括以下步骤：(1)根据有功功率和无功功率指令值和计算输出电流给定值其中，j＝a，b，c，代表a，b，c三相，is为输出电流；(2)根据有功功率指令值和无功功率指令值计算桥臂环流给定值(3)确定桥臂电压变化范围：设工作在负电平状态的全桥子模块的最大个数为M，根据电容电压平衡要求，M≤N/3，确定桥臂电压的变化范围拓展为[-MUc，-(M-1)Uc,…，(N-1)Uc，NUc]，同时直流电压为Udc＝(N-M)Uc；其中，N为每个桥臂的子模块个数，Uc为额定子模块电容电压；(4)输出电流控制：根据半桥和全桥子模块混合的模块化多电平变换器输出电流的离散化方程，计算下一时刻输出电流的预测值isj(k+1)，输出电流的离散化方程是：其中，k为第k时刻，Ld为系统的等效输出电感，Ld＝L/2+Ls；L为桥臂电感，Ls为输出电感，Rd为系统的等效输出电阻，Rd＝R/2+Rs；R为桥臂电阻，Rs为输出电阻，Ts为采样频率，usj为电网电压，upj、unj为上下桥臂的输出电压，设子模块电容电压平衡，则ucjim≈Uc，i＝p,n，m＝1,2,…,N，ucjim为各子模块的电容电压,p为变换器的上桥臂，n为变换器的下桥臂，m代表每个桥臂的N个不同的子模块，则upj＝NpjUc，unj＝NnjUc；Npj，Nnj分别为上下桥臂导通的子模块的个数和状态，若Npj，Nnj为正值，表示所选择的子模块输出+Uc，若Npj，Nnj为负值，表示所选择的全桥子模块输出-Uc，为保证每相上下桥臂同时导通的子模块的电压和为(N-M)Uc，Npj，Nnj选取的规则为：(Npj,Nnj)＝[(-M,N),(-(M-1),N-1),...,(N-1,-(M-1)),(N,-M)]；(5)确定输出电流的价值函数：根据步骤(1)和步骤(4)中得到的输出电流的给定值和预测值isj(k+1)，得到输出电流的价值函数为：(6)桥臂环流控制：根据半桥和全桥子模块混合的模块化多电平变换器桥臂环流的离散化方程，并结合步骤(4)中上下桥臂导通的子模块的个数和状态的选取规则，计算不同开关组合下，下一时刻桥臂环流预测值izj(k+1)，桥臂环流的离散化方程为：其中，izj＝(ipj+inj)/2，ipj，inj为变换器上下桥臂的桥臂电流；(7)确定桥臂环流的价值函数：根据步骤(1)和步骤(5)中所得到的桥臂环流的给定值i*zj和预测值izj(k+1)，得到预测输出电流的价值函数为：(8)确定整个系统的价值函数：为同时控制变换器的输出电流和桥臂环流，引入输出电流权重系数λs和桥臂环流权重系数λz，得到整个系统的价值函数：Jj＝λsJsj+λzJzj根据步骤(4)中变换器上下桥臂电平的选取规则，选取使系统价值函数Jj最小的开关组合为给定的电平组合，记为(9)电容电压平衡控制和子模块投入状态确定：采用排序算法对桥臂电容电压进行平衡控制，根据变换器的桥臂电流方向，和步骤(8)中给定的上下桥臂电平组合确定每个子模块的开关状态,方法如下：①确定上桥臂每个子模块的开关状态若ipj>0，对所有的N个子模块电容电压进行排序，选取电容电压小的个子模块，使它们工作在+Uc状态，其它子模块工作在切除状态；若ipj>0，对桥臂中F个全桥子模块电容电压进行排序(F为桥臂中全桥子模块的个数)，选取电容电压大的个全桥子模块，使它们工作在-Uc状态，其它子模块工作在切除状态；若ipj≤0，对所有的N个子模块电容电压进行排序，选取电容电压大的个子模块，使它们工作在+Uc状态，其它子模块工作在切除状态；若ipj≤0，对桥臂中F个全桥子模块电容电压进行排序，选取电容电压小的个全桥子模块，使它们工作在-Uc状态，其它子模块工作在切除状态；②确定下桥臂每个子模块的开关状态若ipj>0，对所有的N个子模块电容电压进行排序，选取电容电压小的个子模块，使它们工作在+Uc状态，其它子模块工作在切除状态；若ipj>0，对桥臂中F个全桥子模块电容电压进行排序，选取电容电压大的个全桥子模块，使它们工作在-Uc状态，其它子模块工作在切除状态；若ipj≤0，对所有的N个子模块电容电压进行排序，选取电容电压大的个子模块，使它们工作在+Uc状态，其它子模块工作在切除状态；若ipj≤0，对桥臂中F个全桥子模块电容电压进行排序，选取电容电压小的个全桥子模块，使它们工作在-Uc状态，其它子模块工作在切除状态。与现有技术相比，本专利技术无需PI控制器，省略了繁琐的参数整定过程，只需要利用一个系统价值函数即可实现多目标控制，无需增加各种控制环，简化了控制，同时，提高系统的动态响应能力，从而提高了系统工作效率。附图说明图1是本专利技术的流程图；图2是本专利技术的半桥和全桥子模块混合的模块化多电平变换器的主电路拓扑；图3是本专利技术的半桥子模块电路拓扑；图4是本专利技术的全桥子模块电路拓扑；图5是本专利技术上桥臂子模块投入流程图；图6是本专利技术下桥臂子模块投入流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图2所示，一种应用本预测控制方法的半桥和全桥子模块混合的模块化多电平变换器电路，包括a、b、c三相电路本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法，其特征在于，利用规定的上下桥臂电平组合的选取规则，选取最佳的电平组合，并结合桥臂子模块电容电压排序结果和桥臂电流方向，确定各子模块的开关状态，具体包括以下步骤：(1)根据有功功率和无功功率指令值P

【技术特征摘要】
1.一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制方法，其特征在于，利用规定的上下桥臂电平组合的选取规则，选取最佳的电平组合，并结合桥臂子模块电容电压排序结果和桥臂电流方向，确定各子模块的开关状态，具体包括以下步骤：(1)根据有功功率和无功功率指令值P*和Q*，计算输出电流给定值其中，j＝a，b，c，代表a，b，c三相,is为输出电流；(2)根据有功功率指令值P*和无功功率指令值Q*，计算桥臂环流给定值(3)确定桥臂电压变化范围：设工作在负电平状态的全桥子模块的最大个数为M，根据电容电压平衡要求，M≤N/3，确定桥臂电压的变化范围拓展为[-MUc，-(M-1)Uc,…，(N-1)Uc，NUc]，同时直流电压为Udc＝(N-M)Uc；其中，N为每个桥臂的子模块个数，Uc为额定子模块电容电压；(4)输出电流控制：根据半桥和全桥子模块混合的模块化多电平变换器输出电流的离散化方程，计算下一时刻输出电流的预测值isj(k+1)，输出电流的离散化方程是：其中，k为第k时刻，Ld为系统的等效输出电感，Ld＝L/2+Ls；L为桥臂电感，Ls为输出电感，Rd为系统的等效输出电阻，Rd＝R/2+Rs；R为桥臂电阻，Rs为输出电阻，Ts为采样频率，usj为电网电压，upj、unj为上下桥臂的输出电压，设子模块电容电压平衡，则ucjim≈Uc，i＝p,n，m＝1,2,…,N，ucjim为各子模块的电容电压,p为变换器的上桥臂，n为变换器的下桥臂，m代表每个桥臂的N个不同的子模块，则upj＝NpjUc，unj＝NnjUc；Npj，Nnj分别为上下桥臂导通的子模块的个数和状态，若Npj，Nnj为正值，表示所选择的子模块输出+Uc，若Npj，Nnj为负值，表示所选择的全桥子模块输出-Uc，为保证每相上下桥臂同时导通的子模块的电压和为(N-M)Uc，Npj，Nnj选取的规则为：(Npj,Nnj)＝[(-M,N),(-(M-1),N-1),...,(N-1,-(M-1)),(N,-M)]；(5)确定输出电流的价值函数：根据步骤(1)和步骤(4)中得到的输出电流的给定值和预测值isj(k+1)，得到输出电流的价值函数为：(6)桥臂环流控制：根据半桥和全桥子模块混合的模块化多电平变换器桥臂环流的离散化方程，并结合步骤(4)中上下桥臂导通的子模块的个数和状态的选取规则，计算不同开关组合下，下一时刻桥臂环流预测值izj(k+1)，桥臂环流的离散化方程为：其中，izj＝(ipj+inj)/2，ipj，inj为变换器上下桥臂的桥臂电流；(7)确定桥臂环流的价值函数：根据步骤(1)和步骤(5)中所得到的桥臂环流的给定值i*zj和预测值izj(k+1)，得到预测输出电流的价值函数为：(8)确定整个系统的价值函数：为同时控制变换器的输出电流和桥臂环流，...

【专利技术属性】
技术研发人员：公铮，郑曦，戴鹏，杨连胜，李康，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32