一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法，包括：根据分组排序方法对换流器每一桥臂的子模块进行电容电压排序，根据电压等级将子模块进行分组，每组之间重新分配子模块，以保证每组包含相同数量的子模块；当被控变量的代价函数达到最小时，根据换流器离散时间模型获得下一时刻子模块组的最佳投切状态；在子模块的优化范围之内，当代价函数达到最小时，获得子模块的最佳投切状态；根据子模块的最佳投切状态和环流抑制控制电平，输出最终的子模块投切状态。本发明专利技术通过分组排序和多层模型预测控制大大减少了模型预测控制应用于模块化多电平换流器时的计算量巨大、无法实时控制的问题，对多个被控变量分别进行控制。

A Model Predictive Control Method for Modular Multilevel Converters

The invention discloses a model predictive control method for modular multi-level converter, which includes: sorting capacitive voltage of each sub-module of converter arm according to grouping sorting method, grouping sub-modules according to voltage level, and reallocating sub-modules among each group to ensure that each group contains the same number of sub-modules; when the cost function of controlled variables reaches the minimum The optimal switching state of the sub-module group at the next time is obtained according to the discrete-time model of converter; the optimal switching state of the sub-module is obtained when the current price function reaches the minimum within the optimization range of the sub-module; and the final switching state of the sub-module is output according to the optimal switching state of the sub-module and the control level of circulating current suppression. By grouping and multi-layer model predictive control, the method greatly reduces the problem of huge calculation and real-time control when model predictive control is applied to modular multi-level converter, and controls multiple controlled variables separately.

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法
本专利技术涉及高压输电
，尤其涉及一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法。
技术介绍
风力发电、光伏发电作为经济性和实用性较高的可再生能源，近年发展迅速。受限于目前我国风力和光伏发电资源主要分布在西部，负荷主要分布在中东部地区的实际情况以及电力系统消纳问题，风力发电和光伏发电的发展举步维艰，出现了大量的“弃风”、“弃光”现象。因此，实现新能源并网和远距离输电的需求十分迫切。远距离大容量输电无论从技术上还是经济上都宜选择高压直流输电(high-voltagedirectcurrent，HVDC)方式，模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)以其低谐波、低开关频率、低损耗、高效率的特点在高压直流输电领域得到广泛应用。但是基于模块化多电平换流器的直流输电技术出现较晚，而且拓扑结构相对于常规两电平和三电平换流器复杂很多，许多已有的机理分析方法不再适用于MMC-HVDC，国内外对于MMC-HVDC的研究尚有不完善之处。模型预测控制(modelpredictivecontrol，MPC)产生于20世纪70年代，是一种基于模型的计算机控制方法。在过程控制领域模型预测控制已被认为是唯一能以系统和直观的方式处理多变量约束系统在线优化控制的先进技术，因此模型预测控制在石化、造纸、电力、航空航天等领域得到了广泛的应用。模型预测控制应用于模块化多电平换流器系统时，相对于PI控制器，不需要额外的调制器，桥臂的各个子模块的最优开关状态直接由成本函数控制选择。当模型预测控制应用于具有大量子模块的模块化多电平换流器系统时，可选的上下桥臂子模块控制选项数较多，给模型预测控制控制器的硬件设计带来巨大挑战。对于每个桥臂具有N个子模块的模块化多电平换流器系统来说，如果保持每一相投入的子模块个数固定为N时，模型预测控制需要控制的可选控制选项有个，若每一相投入子模块的个数不固定为N，则可选的控制选项有22N个，如此多的控制选项显然无法实现模块化多电平换流器系统的实时控制。现有技术针对模型预测控制应用于模块化多电平换流器系统时的计算量问题提出了很多方法，包括基于电压电平的模型预测控制方法、基于离散数学电压矢量模型的快速电压模型预测控制策略等等，但是大都存在计算量降低不够明显，方法验证还停留在少量子模块的模块化多电平换流器系统，代价函数的选择没有统一标准，不具有广泛适应性的缺点。
技术实现思路
为解决现有技术存在的局限和缺陷，本专利技术提供一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法，包括：获得模块化多电平换流器的数学模型，所述模块化多电平换流器的数学模型为：其中，j＝a、b或c，ujP为j相上桥臂SM模块电压之和，ujN为j相下桥臂SM子模块电压之和，Udc为直流侧电压，ucj为模块化多电平换流器交流侧j相输出电压，ijP、ijN分别为j相上下桥臂电流，isj为j相输出电流，满足isj＝ijN-ijp，isumj为同时流过上下桥臂的内部电流，称为j相内部电流，而且R为桥臂电阻，L为桥臂电感；根据所述模块化多电平换流器的数学模型使用欧拉法获得换流器离散时间模型，所述换流器离散时间模型为：其中，ujT、ujD分别为j相上下桥臂投入子模块的电压，uacj为j相交流侧输出电压，Larm、Rarm、l、r分别为桥臂与交流侧输出线路上的电感与电阻，iacj为j相交流输出电流，根据分组排序方法对换流器每一桥臂的子模块进行电容电压排序，根据电压等级将子模块进行分组，每组之间重新分配子模块，以保证每组包含相同数量的子模块；获得代价函数，所述代价函数为：当被控变量的代价函数达到最小时，根据所述换流器离散时间模型获得下一时刻子模块组的最佳投切状态；根据所述子模块组的最佳投切状态获得上桥臂的寻优区间，所述上桥臂的寻优区间为：其中，上下桥臂分别投入p和q个子模块组，p+q＝a，0≤p，q≤a，上下桥臂投入子模块的数量之和为n；在所述上桥臂的寻优区间之内，当被控变量的代价函数达到最小时，获得子模块的最佳投切状态；根据所述子模块的最佳投切状态获得在环流抑制调节范围之内各种控制选项的下一时刻相间环流的预测值；在各种控制选项的相间环流的预测值之内，当被控变量的代价函数达到最小时，输出最终的子模块投切状态。可选的，所述获得模块化多电平换流器的数学模型的步骤包括：根据基尔霍夫电压定律获得公式(1)如下：其中，j＝a、b或c，ujP为j相上桥臂SM模块电压之和，ujN为j相下桥臂SM子模块电压之和，Udc为直流侧电压，uLR_jP为j相上桥臂电抗两端电压，uLR_jN为j相下桥臂电抗两端电压，ucj为模块化多电平换流器交流侧j相输出电压；获得上下桥臂电流的关系如下：其中，ijP、ijN分别为j相上下桥臂电流，isj为j相输出电流，满足isj＝ijN-ijp，isumj为同时流过上下桥臂的内部电流，称为j相内部电流，而且获得上下桥臂电抗上的压降为：其中，R为桥臂电阻，L为桥臂电感；根据公式(1)和公式(3)获得j相输出电压ucj为：j相和直流侧构成的环路根据基尔霍夫定律获得公式(5)如下：Udc＝ujP+ujN+uLR_jP+uLR_jN(5)根据公式(2)、公式(3)和公式(5)获得公式(6)如下：可选的，所述根据分组排序方法对换流器每一桥臂的子模块进行电容电压排序之后包括：更新下一时刻等效子模块电压如下：获得桥臂能量、相间环流以及交流侧电流如下：可选的，所述根据所述子模块的最佳投切状态获得在环流抑制调节范围之内各种控制选项的下一时刻相间环流的预测值的步骤之前包括：为上下桥臂设置占总模块个数1％的子模块作为所述环流抑制调节范围。本专利技术具有下述有益效果：本专利技术提供的模块化多电平换流器的模型预测控制方法，包括：根据分组排序方法对换流器每一桥臂的子模块进行电容电压排序，根据电压等级将子模块进行分组，每组之间重新分配子模块，以保证每组包含相同数量的子模块；当被控变量的代价函数达到最小时，根据换流器离散时间模型获得下一时刻子模块组的最佳投切状态；在子模块的优化范围之内，当代价函数达到最小时，获得子模块的最佳投切状态；根据子模块的最佳投切状态和环流抑制控制电平，输出最终的子模块投切状态。本专利技术提供的技术方案通过分组排序和多层模型预测控制大大减少了模型预测控制应用于模块化多电平换流器时的计算量巨大、无法实时控制的问题，对多个被控变量分别进行控制。另外，本专利技术提供的模型预测控制的代价函数只需考虑一个被控变量，避免了考虑多个被控变量时固定权重适应性不强的问题。附图说明图1为本专利技术实施例一提供的模块化多电平换流器的单相结构示意图。图2为本专利技术实施例一提供的电容电压分组排序的流程图。图3为本专利技术实施例一提供的模型预测控制方法的流程图。图4为本专利技术实施例一提供的子模块电容电压示意图。图5为本专利技术实施例一提供的桥臂子模块电容电压之和示意图。图6为本专利技术实施例一提供的逆变侧换流器的仿真结果示意图。图7为本专利技术实施例一提供的添加环流抑制模块的桥臂环流示意图。图8为本专利技术实施例一提供的不添加环流抑制模块的桥臂环流示意图。图9为本专利技术实施例一提供的逆变侧和整流侧有功功率动态响应曲线的示意图。具体实施方式为使本领域的技术人员更好地理本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法，其特征在于，包括：获得模块化多电平换流器的数学模型，所述模块化多电平换流器的数学模型为：

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器的模型预测控制方法，其特征在于，包括：获得模块化多电平换流器的数学模型，所述模块化多电平换流器的数学模型为：其中，j＝a、b或c，ujP为j相上桥臂SM模块电压之和，ujN为j相下桥臂SM子模块电压之和，Udc为直流侧电压，ucj为模块化多电平换流器交流侧j相输出电压，ijP、ijN分别为j相上下桥臂电流，isj为j相输出电流，满足isj＝ijN-ijp，isumj为同时流过上下桥臂的内部电流，称为j相内部电流，而且R为桥臂电阻，L为桥臂电感；根据所述模块化多电平换流器的数学模型使用欧拉法获得换流器离散时间模型，所述换流器离散时间模型为：其中，ujT、ujD分别为j相上下桥臂投入子模块的电压，uacj为j相交流侧输出电压，Larm、Rarm、l、r分别为桥臂与交流侧输出线路上的电感与电阻，iacj为j相交流输出电流，根据分组排序方法对换流器每一桥臂的子模块进行电容电压排序，根据电压等级将子模块进行分组，每组之间重新分配子模块，以保证每组包含相同数量的子模块；获得代价函数，所述代价函数为：当被控变量的代价函数达到最小时，根据所述换流器离散时间模型获得下一时刻子模块组的最佳投切状态；根据所述子模块组的最佳投切状态获得上桥臂的寻优区间，所述上桥臂的寻优区间为：其中，上下桥臂分别投入p和q个子模块组，p+q＝a，0≤p，q≤a，上下桥臂投入子模块的数量之和为n；在所述上桥臂的寻优区间之内，当被控变量的代价函数达到最小时，获得子模块的最佳投切状态；根据所述子模块的最佳投切状态获得在环流抑制调节范围之内各种控制选项的下一时刻相间环流的预测值；在各种控制选项的相间环流的预...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿志强，董俊根，韩永明，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11