一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统，包括第一步预测和第二步预测，第一步预测包括计算第一预测电流，设计第一步预测的代价函数，求解最优电压增量，得到第一步预测的桥臂电压指令值；第二步预测包括基于第一预测电流和第一步预测的桥臂电压指令值计算第三预测电流，设计第二步预测的代价函数，求解最优电压增量，得到第二步预测的桥臂电压指令值，将其作为桥臂电流控制器的输出。本发明专利技术提供的基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，消除了数字信号处理器固有一拍延时的影响，无需进行控制参数设计，降低了控制器设计的复杂度，在跟踪桥臂电流指令值时，无须分频设计控制器，控制结构简单。

【技术实现步骤摘要】
一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统
本专利技术属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统。
技术介绍
MMC(ModularMultilevelConverter，模块化多电平换流器)由于具有模块化、易扩展、开关频率低和谐波特性好等优势，广泛的应用于中、高压场景中。常采用的MMC控制器有基于经典控制理论的线性控制器和基于最优控制理论的MPC(ModelPredictiveControl，模型预测控制)控制器。MMC的控制结构一般包括两部分：交流侧控制器和环流抑制器，分别实现交流侧电流控制和环流的抑制。基于经典控制理论设计PI控制器和PR控制器实现交流侧和环流控制。实际上，MMC桥臂电流中包括所有的电流信息，如交流侧电流、直流电流及环流，通过控制桥臂电流可同时实现交流侧电流控制和环流抑制。目前已有研究基于经典控制理论提出了桥臂电流控制的方法，但需要PI控制器及PR控制器等多个控制器并联，完成对桥臂电流中不同频率电流指令值的跟踪，控制结构复杂，控制器数量较多，需设计的控制参数较多。模型预测控制作为一种时域控制方法，建模方便；采用滚动优化策略，而非全局一次优化，可以有效补偿模型失配及外部扰动等因素带来的预测误差，具有一定抗扰动的能力，动态性能较好，而且可准确跟踪多频带的复合信号。现有的基于MPC的MMC控制方法，控制器的计算量与级联子模块的数量有关，随着级联子模块数量增加，计算量呈指数增加。目前，工程中普遍采用数字信号处理器实现控制算法。但由于采样、计算以及PWM占空比更新等过程，数字信号处理器通常存在一个控制周期延时。当前控制周期所计算的控制量要在下一控制周期才能真正作用在系统上，这会影响控制器的性能。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统，旨在消除数字信号处理器固有一拍延时的同时，解决现有MMC桥臂电流控制策略控制器数量多，参数整定复杂及动态响应慢的问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，包括基于MMC桥臂模型的两步预测：第一步预测：对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化，得到上、下桥臂第一预测电流：其中，p和n分别表示上桥臂和下桥臂，j＝a，b，c；ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)代表上、下桥臂第一预测电流，Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期，urefpj(k-1)、urefnj(k-1)为k-1控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，ipj(k)、inj(k)代表k控制周期上、下桥臂电流采样值，uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值；设计第一步预测的上、下桥臂代价函数Jp1(k)、Jn1(k)，求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k)：其中，ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)代表上、下桥臂第二预测电流，irefpj(k+1)、irefnj(k+1)为k+1控制周期上、下桥臂电流的指令值。将第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压的指令值相加，得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k)、urefnj(k)：第二步预测：基于上、下桥臂第一预测电流ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)和第一步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k)、urefnj(k)，计算上、下桥臂第三预测电流：设计第二步预测的上、下桥臂代价函数Jp2(k)、Jn2(k)，求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)：其中，ipj_pre2(k+2|k+1)、inj_pre2(k+2|k+1)代表上、下桥臂第四预测电流，irefpj(k+2)、irefnj(k+2)为k+2控制周期上、下桥臂电流指令值。将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)与第一步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k)、urefnj(k)相加，得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k+1)、urefnj(k+1)：将第二步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k+1)、urefnj(k+1)作为k控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，输入至调制单元中，得到驱动信号控制MMC桥臂的输出电压，从而实现桥臂电流控制。具体地，上、下桥臂第二预测电流，如下式：具体地，上、下桥臂第四预测电流，如下式：具体地，第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k)，由令代价函数求导所得导数为0推出，如下式：具体地，第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)，由令代价函数求导所得导数为0推出，如下式：具体地，k+1控制周期上桥臂电流的指令值irefpj(k+1)、k+2控制周期上桥臂电流的指令值irefpj(k+2)均取k控制周期输入的上桥臂电流指令值；k+1控制周期上桥臂电流的指令值irefnj(k+1)、k+2控制周期下桥臂电流的指令值irefnj(k+2)均取k控制周期输入的下桥臂电流指令值。按照本专利技术的另一方面，提供了一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制系统，包括：第一步预测模块，对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化，得到上、下桥臂第一预测电流，基于第一步预测的上、下桥臂代价函数，求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量，将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压指令值相加，得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值；第二步预测模块，基于上、下桥臂第一预测电流和第一步预测的上、下桥臂电压指令值计算上、下桥臂第三预测电流，基于第二步预测的上、下桥臂代价函数，求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量，将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量与第一步预测的上、下桥臂电压指令值相加，得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值；控制模块，将第二步预测的上、下桥臂电压指令值作为k控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，输入至调制单元中，得到驱动信号控制MMC的桥臂电压，从而实现桥臂电流的控制。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、本专利技术提供的基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，当前控制周期计算输出的是下一控制周期的控制量，可消除数字信号处理器固有一拍延时的影响；2、本专利技术提供的基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，无需参数整定，降低了控制器的复杂度；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，其特征在于，包括两步预测：/n第一步预测：对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化，得到上、下桥臂第一预测电流；/n基于第一步预测的上、下桥臂代价函数，求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量；/n将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压指令值相加，得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值；/n第二步预测：基于上、下桥臂第一预测电流和第一步预测的上、下桥臂电压指令值，计算上、下桥臂第三预测电流；/n基于第二步预测的上、下桥臂代价函数，求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量；/n将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量与第一步预测的上、下桥臂电压指令值相加，得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值；/n将第二步预测的上、下桥臂电压指令值作为当前控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，输入至调制单元中，得到驱动信号控制MMC的桥臂电压，从而实现桥臂电流的控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，其特征在于，包括两步预测：
第一步预测：对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化，得到上、下桥臂第一预测电流；
基于第一步预测的上、下桥臂代价函数，求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量；
将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压指令值相加，得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值；
第二步预测：基于上、下桥臂第一预测电流和第一步预测的上、下桥臂电压指令值，计算上、下桥臂第三预测电流；
基于第二步预测的上、下桥臂代价函数，求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量；
将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量与第一步预测的上、下桥臂电压指令值相加，得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值；
将第二步预测的上、下桥臂电压指令值作为当前控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，输入至调制单元中，得到驱动信号控制MMC的桥臂电压，从而实现桥臂电流的控制。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上、下桥臂第一预测电流ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)，如下式：



其中，p和n分别表示上桥臂和下桥臂，j＝a，b，c；ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)代表上、下桥臂第一预测电流，Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期，urefpj(k-1)、urefnj(k-1)为k-1控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，ipj(k)、inj(k)代表k控制周期上、下桥臂电流采样值，uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值；
所述第一步预测的上、下桥臂代价函数Jp1(k)、Jn1(k)，如下式：



所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k)，如下式：



其中，ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)代表上、下桥臂第二预测电流，irefpj(k+1)、irefnj(k+1)为k+1控制周期上、下桥臂电流的指令值；
所述上、下桥臂第二预测电流ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)，如下式：



其中，ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)为上、下桥臂第一预测电流，Δurefpj(k)、Δurefnj(k)为第一步预测的上、下桥臂最优电压增量，Lf为桥臂电感，Ts为控制周期。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上、下桥臂第三预测电流ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)，如下式：



其中，p和n分别表示上桥臂和下桥臂，j＝a，b，c；ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)代表上、下桥臂第二预测电流，Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期，urefpj(k)、urefnj(k)为k控制周期输出的上、下桥臂电压指令值，irefpj(k+1)、irefnj(k+1)为k+1控制周期上、下桥臂电流指令值，uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值；
所述第二步预测的上、下桥臂代价函数Jp2(k)、Jn2(k)，如下式：



所述第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)，如下式：



其中，ipj_pre2(k+2|k+1)、inj_pre2(k+2|k+1)代表上、下桥臂第四预测电流，irefpj(k+2)、irefnj(k+2)为k+2控制周期上、下桥臂电流指令值；
所述上、下桥臂第四预测电流ipj_pre2(k+2|k+1)、inj_pre2(k+2|k+1)，如下式：



其中，ipj_pre1(k+2|k+1)、inj_pre1(k+2|k+1)为上、下桥臂第三预测电流，Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)为第二步预测的上、下桥臂最优电压增量，Lf为桥臂电感，Ts为控制周期。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k)由令第一步预测的上、下桥臂代价函数求导所得导数为0推出，如下式：



其中，Jp1(k)、Jn1(k)为第一步预测的上、下桥臂代价函数，Δurefpj(k)、Δurefnj(k)为第一步预测的上、下桥臂最优电压增量。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)由令第二步预测的上、下桥臂代价函数求导所得导数为0推出，如下式：


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【专利技术属性】
技术研发人员：尹项根，王祯，陈卫，赖锦木，许贤昶，尹昕，
申请(专利权)人：华中科技大学，广州智光电气股份有限公司，长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42