基于MMC的SST新型DAB DC-DC变换器的模型预测控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于MMC的SST新型DAB DC‑DC变换器的模型预测控制方法，该方法根据MMC拓扑结构，对基于MMC的SST新型DAB DC‑DC变换器分别构建MMC交流侧和MMC直流侧的连续域等效数学模型；将单臂单相MMC交流侧的连续域等效数学模型进行离散化；针对MMC交流侧电流选择其模型预测控制策略的价值函数；根据交流侧电流的价值函数和预测模型构建MPC控制器；将单臂单相MMC直流侧的连续域等效数学模型进行离散化；针对MMC环流选择其MPC控制策略的价值函数；根据MMC环流的价值函数和预测模型构建其MPC控制器；利用MPC控制器对进行电容均压控制。与现有技术相比，本发明专利技术可在不影响SST的传输性能的情况下实现有效控制。

【技术实现步骤摘要】
基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法
本专利技术涉及固态变压器中间隔离级双有源全桥DC-DC变换器新型拓扑及其控制
，尤其是涉及一种基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法。
技术介绍
随着风、光、储等新能源的快速发展，大量的分布式能源的接入对电网的安全稳定运行、电能质量以及谐波治理提出了较为严峻的考验。同时电网有限的消纳能力已经成为了限制分布式发电的快速发展的主要因素之一。由于分布式能源受环境、气候、天气的影响较大，输出的功率具有较大的随机性和波动性，通常需要一个具有电流隔离的双向转换器来控制分布式发电与电网之间的功率流。而采用双有源全桥(dualactivebridge，DAB)变流器的三级结构固态变压器(solid-statetransformer，SST)由于具有功率双向可控的特性，已成为一种作为分布式能源提供智能化接口的有效解决方案之一。三级结构的SST不仅可以为太阳能、风电等分布式能源提供交、直流接口，可以实现多端口电能管理、智能电网电能调度控制等功能，还具有电压变换、无功补偿、电气隔离等优势。固态变压器(SST)作为在未来智能电网中重要的组成部分，其中间隔离级的双有源全桥DC-DC变换器的性能在一定程度上会直接影响SST的传输性能。然而，传统三级式SST中间隔离级DAB中存在开关管应力过大、传输功率较小、可靠性差的问题。而采用了一种由N个结构相同的DC-DC变换器串联输入并联输出的中间隔离级DAB拓扑存在采用的DC-DC变换器个数应与高电压等级的输电要求相适应的问题，可扩展性和适应性较差。基于模块化多电平转换器的隔离型双向DC-DC换流器将单相模块化多电平技术已逐渐应用于隔离变压器的双侧变流器，扩大了该拓扑的应用范围，但是该拓扑仅采用单个隔离变压器进行电压等级变换，存在在隔离变压器检修时并不具备不间断供电能力的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，该方法可较为方便地改变运行方式以适应传输电能的要求，在高频变压器发生故障或按计划进行检修时，具有不间断供电或短时停电即可恢复供电的能力，并能够有效提高供电可靠性。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，该方法包括如下步骤：S1：根据MMC拓扑结构，对基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器分别构建MMC交流侧和MMC直流侧的连续域等效数学模型；S2：将单臂单相MMC交流侧的连续域等效数学模型进行离散化；S3：针对MMC交流侧电流选择交流侧输出电流的预测模型预测控制策略的价值函数；S4：根据交流侧电流的价值函数和交流侧输出电流的预测模型构建MPC控制器；S5：将单臂单相MMC直流侧的连续域等效数学模型进行离散化；S6：针对MMC环流选择环流抑制的预测模型控制策略的价值函数；S7：根据MMC环流的价值函数和环流抑制的预测模型构建其MPC控制器；S8：利用步骤S4和步骤S7得到的相应MPC控制器对进行电容均压控制。步骤S1的具体内容为：根据单臂单相MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建出MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型，将各MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型相加获取单臂单相MMC交流侧等效数学模型，将MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型相减获取单臂单相MMC直流侧等效数学模型。根据单臂单相MMC拓扑结构和Kirchhoff定律，得到的MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型的表达式为：式中，L、R分别为MMC的桥臂电感和桥臂电阻；LT、RT分别为DAB隔离变压器交流侧的等效电感和等效电阻；udc为直流侧输入的直流电压；ip、in分别为MMC上桥臂电流和下桥臂电流；up、un分别为上下桥臂投入子模块电压之和；us为交流侧电压；uv为MMC输出电压；is为交流侧输出电流；idiff为MMC桥臂环流。所述单臂单相MMC交流侧等效数学模型的表达式为：式中，Ls＝LT+L/2，Rs＝RT+R/2。所述单臂单相MMC直流侧等效数学模型的表达式为：其中，单臂单相MMC桥臂环流idiff为：式中：idc为直流侧电流；iz为桥臂环流谐波分量。步骤S2中，利用中点欧拉差分的方法，将单臂单相MMC交流侧的连续域等效数学模型进行离散化。步骤S3中，针对MMC交流侧电流选择交流侧输出电流的预测模型预测控制策略的价值函数的表达式为：gd＝|izref(k+1)-iz(k+1)|式中：isrsf(k+1)为k+1时刻的交流侧电流的跟踪参考值，iz(k+1)为k+1时刻的桥臂环流谐波分量。步骤S4具体包括下列步骤：41)对MMC桥臂定义子模块的开关函数；42)获取MMC输出的电压参考值；43)预测下一个采样周期有限个可能的开关状态；44)根据每一种开关状态，预测下一个采样周期的交流侧电流is(k+1)的值；45)计算每一种开关状态所对应的价值函数值；46)对每一种开关状态所对应的价值函数值进行滚动优化，得出有限个开关状态中价值函数值最小的开关状态；47)根据MMC-DAB单侧的单相等效电路，获取MMC在k+1时刻上桥臂和下桥臂的电压值。针对MMC环流选择环流抑制的预测模型控制策略的价值函数的表达式为：gd＝|izref(k+1)-iz(k+1)|式中：izref(k+1)为k+1时刻的MMC桥臂环流的参考值，iz(k+1)为k+1时刻的桥臂环流谐波分量。环流抑制的预测模型的表达式为：idiff(k+1)＝Cidiff(k+1)+D[2udc-(unref(k+1)+up(k)+udiff)-(unref(k+1)+un(k)+udiff)]式中：udc为直流侧电压值；idiff(k+1)为k+1时刻MMC桥臂环流，unref(k+1)为最优开关状态所对应的k+1时刻MMC变流器的下桥臂电压值；步骤S7具体包括下列步骤：71)确定补偿电压udiff有限个状态数；72)根据udiff的每个状态数，预测出下一个采样周期的内部电流的idiff的值；73)根据MMC环流选择的MPC控制策略的价值函数，计算每一种开关状态所对应的价值函数值；74)对每一种开关状态所对应的价值函数值通过滚动优化，获取有限个状态数中价值函数最小的补偿电压值；75)根据获取的有限个状态数中价值函数最小的补偿电压值计算最终上桥臂、下桥臂的参考电压。本专利技术提供的基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：一、本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MMC的SST新型DAB DC-DC变换器的模型预测控制方法，其特征在于，包括下列步骤：/n1)根据MMC拓扑结构，对基于MMC的SST新型DAB DC-DC变换器分别构建MMC交流侧和MMC直流侧的连续域等效数学模型；/n2)将单臂单相MMC交流侧的连续域等效数学模型进行离散化；/n3)针对MMC交流侧电流选择交流侧输出电流的预测模型预测控制策略的价值函数；/n4)根据交流侧电流的价值函数和交流侧输出电流的预测模型构建MPC控制器；/n5)将单臂单相MMC直流侧的连续域等效数学模型进行离散化；/n6)针对MMC环流选择环流抑制的预测模型控制策略的价值函数；/n7)根据MMC环流的价值函数和环流抑制的预测模型构建其MPC控制器；/n8)利用步骤4)和步骤7)得到的相应MPC控制器对进行电容均压控制。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)根据MMC拓扑结构，对基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器分别构建MMC交流侧和MMC直流侧的连续域等效数学模型；
2)将单臂单相MMC交流侧的连续域等效数学模型进行离散化；
3)针对MMC交流侧电流选择交流侧输出电流的预测模型预测控制策略的价值函数；
4)根据交流侧电流的价值函数和交流侧输出电流的预测模型构建MPC控制器；
5)将单臂单相MMC直流侧的连续域等效数学模型进行离散化；
6)针对MMC环流选择环流抑制的预测模型控制策略的价值函数；
7)根据MMC环流的价值函数和环流抑制的预测模型构建其MPC控制器；
8)利用步骤4)和步骤7)得到的相应MPC控制器对进行电容均压控制。


2.根据权利要求1所述的基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，其特征在于，步骤1)的具体内容为：
根据单臂单相MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建出MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型，将各MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型相加获取单臂单相MMC交流侧等效数学模型，将MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型相减获取单臂单相MMC直流侧等效数学模型。


3.根据权利要求2所述的基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，其特征在于，根据单臂单相MMC拓扑结构和Kirchhoff定律，得到的MMC-DAB单侧的单臂单相MMC的数学模型的表达式为：






式中，L、R分别为MMC的桥臂电感和桥臂电阻；LT、RT分别为DAB隔离变压器交流侧的等效电感和等效电阻；udc为直流侧输入的直流电压；ip、in分别为MMC上桥臂电流和下桥臂电流；up、un分别为上下桥臂投入子模块电压之和；us为交流侧电压；uv为MMC输出电压；is为交流侧输出电流；idiff为MMC桥臂环流。


4.根据权利要求3所述的基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，其特征在于，所述单臂单相MMC交流侧等效数学模型的表达式为：



式中，Ls＝LT+L/2，Rs＝RT+R/2。


5.根据权利要求3所述的基于MMC的SST新型DABDC-DC变换器的模型预测控制方法，其特征在于，所述单臂单相MMC直流侧等效数学模型的表达式为：



其中，单臂单相MMC桥臂环流id...

【专利技术属性】
技术研发人员：程启明，赵淼圳，马信乔，江畅，程尹曼，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：上海;31