一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法技术

本发明专利技术涉及变流器预测控制领域，提供一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法。现有模型预测控制通常以网侧电流、MMC内部环流、电容电压均衡为预测控制目标，需建立多个代价函数并合理选取权重系数，且输出电平数受限，环流抑制效果不佳。本发明专利技术以MMC桥臂电流为控制目标，包含了网侧电流、内部环流及直流电流多种成分，无需权重系数；且以单个桥臂为基本控制单元，增加输出电平组合数，增强对环流的抑制；给出了桥臂电流指令值的生成方法，其中直流侧流入各相桥臂的电流指令值通过桥臂瞬时功率的变化得出，可使子模块电容电压更好地稳定在额定值附近。本发明专利技术可改善传统模型预测控制的控制性能，计算量较小，实现简单。单。单。

【技术实现步骤摘要】
一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法


[0001]本专利技术涉及变流器预测控制领域，具体地，涉及一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑如图2所示，每个桥臂均由N个子模块串联而成，上、下桥臂构成一相。由于其模块化串联的结构，MMC具有对开关器件耐压要求低，输出波形质量高，可靠性高，易于扩展的优势，在高压直流输电系统、电机驱动、统一潮流控制器等中高压大容量场合得到广泛应用。但其子模块串联的结构使得MMC控制策略较为复杂，除去网侧电流控制，还需考虑MMC内部的环流抑制及子模块电容电压均衡控制。
[0003]模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)适用于多输入多输出的非线性系统，相较于经典线性控制(PI双闭环控制)，可方便地实现多个控制目标，动态响应快速，且原理简明。缺点在于多个控制目标之间需要通过权重系数来协调，若权重系数选取不当将导致控制效果恶化；而且计算负担大，在每个周期内需要计算所有可能的子模块开关状态，并从中选取使得控制目标表现最优的开关组合。
[0004]现有MPC通过分别建立相应的代价函数，实现对MMC网侧电流与内部环流的控制，子模块电容电压均衡则采用排序算法来实现，并将每相投入子模块数目固定为N，输出电平数目限制为(N+1)，以此减小计算量，稳定直流侧电压。然而在子模块数目较多的MMC中，该种方法由于子模块开关组合数目受限，会使得输出电压质量降低，谐波含量增大，且环流抑制效果变差。
[0005]因此，提出一种兼顾多个控制目标，提高控制性能，输出电平数多同时不增加计算量的模型预测控制方法具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是克服现有技术的上述缺陷，提出一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法。该方法在模型预测的理念基础上，将MMC的桥臂电流作为控制对象，由于桥臂电流中包含网侧电流成分、环流成分与直流侧电流成分，多个控制目标可以共同实现，无需通过权重系数协调；同时将传统MPC以MMC一相为控制单元转变为以MMC单个桥臂为控制单元，在增加输出电平数，增强环流抑制效果的同时，保证计算量较小。
[0007]为此，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法，包括以下步骤：
[0009]步骤1：建立模块化多电平变流器MMC桥臂电流的离散时域模型；
[0010]步骤2：在t时刻采样得到MMC直流侧电压、并网点电压与各桥臂电流，代入离散时域模型中得到桥臂电流在t+T
s
时刻的预测值，T
s
为采样周期；
[0011]步骤3：根据t时刻MMC向交流侧传输的功率指令值求得MMC交流侧电流指令值，并
根据MMC交、直流侧瞬时功率平衡关系得出直流侧流入MMC各相桥臂的电流指令值，最终计算出t+T
s
时刻各桥臂电流指令值；
[0012]步骤4：将t+T
s
时刻各桥臂电流指令值与预测值之差的绝对值作为代价函数，针对MMC中的每个桥臂，计算出使得代价函数最小的投入子模块个数；
[0013]步骤5：根据电容电压排序算法确定每个桥臂中具体应投入的子模块，控制子模块的开通与关断；
[0014]步骤6：每隔一个采样周期T
s
，重复以上步骤。
[0015]本专利技术的有益效果在于：
[0016]1.本专利技术将MMC桥臂电流作为控制对象进行模型预测控制，包含网侧电流、MMC内部环流及直流侧电流多个控制目标，无需建立多个代价函数，以免权重系数选取不合理影响控制效果；
[0017]2.传统MPC将一相作为一个控制单元，每相投入子模块之和固定为N，上、下桥臂投入子模块个数的组合方式有(N+1)种，输出电压有(N+1)个电平，共需计算(N+1)次；而本专利技术将单个桥臂作为一个控制单元，每个桥臂中投入子模块数可在0到N间变化，上、下桥臂投入子模块个数的组合方式则有(N+1)2种，输出电压有(2N+1)个电平，计算次数同样为(N+1)次，但输出波形质量更高，环流抑制效果更好；
[0018]3.本专利技术通过桥臂瞬时功率的变化求取直流侧电流指令值，可将子模块电容电压稳定在额定值附近，无需针对每个电容电压进行预测控制。
附图说明
[0019]图1为本专利技术提供的基于桥臂电流的MMC模型预测控制流程图；
[0020]图2为模块化多电平变流器拓扑结构图；
[0021]图3为具体实施案例中MMC有功功率P与无功功率Q的动态响应波形图；
[0022]图4为具体实施案例中MMC交流侧三相电流的动态响应波形图；
[0023]图5为具体实施案例中MMC的A相上桥臂子模块电容电压波形图；
[0024]图6为具体实施案例中MMC内部三相环流波形图。
具体实施方式
[0025]下面结合附图，对本专利技术的具体实施方式进行详细介绍。
[0026]一、模块化多电平变流器基本原理
[0027]图2为模块化多电平变流器拓扑结构，共有6个桥臂，每个桥臂均由N个子模块与1个桥臂电感L0串联而成，上、下桥臂构成一相，R0为代表桥臂内部损耗的等效虚拟电阻。子模块均为半桥结构，包括上、下两个开关管与反并联二极管，一个电容器。当上管导通，下管关断时，子模块投入，输出电平为电容电压U
c
；当上管关断，下管导通时，子模块切除，输出电平为0；当两个开关管均关断，则子模块处于闭锁状态。运行时，通过改变上、下桥臂投入的子模块个数，来改变MMC输出电压与电流。
[0028]二、基于桥臂电流的MMC模型预测控制方法说明
[0029]如图1所示，本专利技术提供的基于桥臂电流的MMC模型预测控制具体实施步骤如下：
[0030]步骤1，建立MMC桥臂电流的离散时域模型。
[0031]首先建立桥臂电流表达式如下：
[0032][0033]式中，L0、R0分别表示MMC桥臂电抗值与等效电阻值，i
pj
与i
nj
分别表示j相的上桥臂电流与下桥臂电流(j＝a,b,c)，u
pj
与u
nj
分别表示j相的上、下桥臂电压，U
dc
表示MMC直流侧电压，u
sj
表示MMC并网点电压。
[0034]利用差分公式对式(1)进行离散化，得出MMC桥臂电流的离散模型如下：
[0035][0036]式中，i
pj
(t+T
s
)、i
nj
(t+T
s
)分别代表上、下桥臂电流在(t+T
s
)时刻的预测值，i
pj
(t)、i
nj
(t)则表示桥臂电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立模块化多电平变流器MMC桥臂电流的离散时域模型；步骤2：在t时刻采样得到MMC直流侧电压、并网点电压与各桥臂电流，代入离散时域模型中得到桥臂电流在t+T
s
时刻的预测值，T
s
为采样周期；步骤3：根据t时刻MMC向交流侧传输的功率指令值求得MMC交流侧电流指令值，并根据MMC交、直流侧瞬时功率平衡关系得出直流侧流入MMC各相桥臂的电流指令值，最终计算出t+T
s
时刻各桥臂电流指令值；步骤4：将t+T
s
时刻各桥臂电流指令值与预测值之差的绝对值作为代价函数，针对MMC中的每个桥臂，计算出使得代价函数最小的投入子模块个数；步骤5：根据电容电压排序算法确定每个桥臂中具体应投入的子模块，控制子模块的开通与关断；步骤6：每隔一个采样周期T
s
，重复以上步骤。2.根据权利要求1所述的基于桥臂电流的模块化多电平变流器模型预测控制方法，其特征在于，所述的步骤1具体为：建立桥臂电流表达式如下：式中，L0、R0分别表示MMC桥臂电抗值与等效电阻值，i
pj
与i
nj
分别表示j相的上桥臂电流与下桥臂电流，j＝a,b,c；u
pj
与u
nj
分别表示j相的上、下桥臂电压，U
dc
表示MMC直流侧电压，u
sj
表示MMC并网点电压；利用差分公式对式(1)进行离散化，得出MMC桥臂电流的离散时域模型如下：式中，i
pj
(t+T
s
)、i
nj
(t+T
s
)分别代表上、下桥臂电流在t+T
s
时刻的预测值，i
pj
(t)、i
nj
(t)则表示桥臂电流在t时刻的采样值，U
dc
(t+T
s
)、u
sj
(t+T
s
)分别表示在t+T
s
时刻直流侧电压值与MMC并网点电压值，由于采样周期较小，认为U
dc
(t+T
s
)＝U
dc
(t)，u
sj
(t+T
s
)＝u
sj
(t)；u

【专利技术属性】
技术研发人员：李梦菲，常晓飞，杨欢，赵荣祥，杨勇，陆翌，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：