海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于电流误差阈值的动态级联预测控制方法，通过将不同的控制目标根据重要程度进行优先级排序，然后按照优先级的顺序筛选开关矢量的方式实现多目标控制，消除了传统模型控制权系数众多，调试复杂，多目标杂糅、优先级混乱的问题。该方法通过电流误差计算，自动调整第一级电流控制器所筛选开关矢量的数量，克服了传统级联预测控制由筛选开关矢量固定所导致的优先级较低目标的控制性能差的问题。此外，该方法还改善了第一级电流控制的效果，提高了永磁同步风机并网电能质量。该方法在风电并网领域应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】
海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法
本专利技术属于海洋风力发电系统并网控制
，具体涉及一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法。
技术介绍
本部分的陈述仅仅是提供了与本专利技术相关的
技术介绍
信息，不必然构成在先技术。大力发展可再生能源是解决能源与环境问题的重要手段，海洋风力发电是可再生能源利用的重要方式。但是，目前大量的海洋风电机组因变流器接入控制及调度等原因无法长期并网而难以发挥作用，形势不容乐观。改进风电变流器系统性能，提升风电并网品质已成为当务之急。直驱永磁同步风电变流器因具有换流设备结构简单、造价低、功率密度大、效率高和故障穿越能力强等优点，已成为海洋风力发电系统的主要配置类型，如图1所示。该系统包含运营、风电系统及电力变流器控制层三个控制层。其中，变流器控制层的主要控制目标如下：(1)发电机侧，快速、精确地跟踪转矩的控制指令；(2)电网侧，快速、精确地跟踪有功、无功功率的控制指令；(3)母线处，控制母线中点电压保持平衡同时维持总电压跟踪参考值。在实际控制时，该系统是典型的多时间尺度动力学系统，风机传动链等机械部分(时间常数为ms-s级)、发电机等电磁部分(时间常数为μs级)以及含有半导体开关器件的变流器等(时间常数为ns-μs级)时间常数迥异，且呈现机械-电磁强耦合的现象。此外，该系统在多种运行工况(起动、稳态与故障穿越等)下需要同时兼顾多个控制目标。据专利技术人了解，变流器控制层的传统控制方法包含矢量控制和直接控制两类。然而，这两类传统的控制方法存在以下不足：1)传统控制本质上属于单目标控制，实现多目标控制只能采用层层级联的控制结构，这降低了系统控制带宽，降低了系统整体的动态性能。2)低开关频率下传统控制的电能质量变差。3)传统控制方法无法包含非线性约束。模型预测控制通过代价函数将时间常数迥异和特性多样的控制目标放在一个函数中进行同时控制，具有多目标优化能力和多工况适应能力，可以处理时变、非线性、强耦合、多目标、多约束系统的最优控制问题，被誉为电力电子与电力传动的第三代控制技术，已在电机驱动、电力变流器等领域得到广泛应用。传统模型预测控制通过一个代价函数包含多个控制目标，分别设置不同的权系数以确定目标的优先级。然而，该系统的诸多控制目标相互耦合，且跨多时间尺度、多数量级，难以设置最优的权系数来权衡各控制目标的优先级，因此难以保证较好的控制效果。为此，有学者提出了级联预测控制，通过将不同的控制目标根据重要程度进行优先级排序，然后按照优先级的顺序筛选开关矢量的方式实现多目标控制，如图2所示。但是，传统级联预测控制每一层筛选的开关数量是固定的，牺牲了优先级较低目标的控制性能，以两级控制目标为例：传统级联预测控制在第一阶段的优化中将选择数目较少且固定的开关矢量，以保证第一级的控制效果；第二级又在第一级所选择的开关矢量中遴选使第二级最优的开关矢量，限制了第二级优化的选择范围，降低了第二级目标的控制性能。此外，固定的优先级顺序也难以适应所有工况下的控制要求。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，本专利技术通过将不同的控制目标根据重要程度进行优先级排序，然后按照优先级的顺序筛选开关矢量的方式实现多目标控制，消除了传统模型控制权系数众多，调试复杂，多目标杂糅、优先级混乱的问题。根据一些实施例，本专利技术采用如下技术方案：一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，对于电机侧变流器，包括以下步骤：获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；根据检测数据预测下一时刻数据；计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；使用包含电流误差和开关频率限制的代价函数进行开关矢量选择，选择代价函数最小的开关矢量；在下一控制周期按照选出的最优开关矢量，控制变流器。作为可选择的实施方式，获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理的具体过程包括：采样电机侧电流、电机定子磁链角度以及电机侧电机的转速，将电机侧电流经过park变换，转化成定子电流dq轴分量，将转速和参考进行比较送入PI控制器，得到转矩参考。作为可选择的实施方式，计算电流误差的具体过程包括：计算dq坐标系下的定子电流，其中d轴的定子电流参考由转矩误差获得，通过控制d轴的定子电流参考，控制转矩，进而控制转速达到参考转速，q轴的定子电流参考根据最大转矩电流控制设定为0。一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制系统，包括：数据预处理模块，被配置为获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；预测模块，被配置为根据检测数据预测下一时刻数据；参数设置模块，被配置为计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；代价函数控制模块，被配置为使用包含电流误差和开关频率限制的代价函数进行开关矢量选择，选择代价函数最小的开关矢量；变流器控制模块，被配置为在下一控制周期按照选出的最优开关矢量，控制变流器。一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，对于电网侧变流器，包括以下步骤：获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；根据检测数据预测下一时刻数据；计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；计算电流误差阈值，筛选出小于电流误差阈值的开关矢量；对筛选出的开关矢量进行开关频率控制，选择开关频率小于预设值的开关矢量；对选择的开关矢量进行电容中性点电压控制，最终筛选出最优开关矢量；在下一控制周期按照选出最优开关矢量，控制变流器。作为可选择的实施方式，获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理的具体过程包括：获取电网侧电压和电流，及背靠背变流器直流母线电压和两电容电压差值，计算电网侧发出的有功功率和无功功率，将电网侧电流相电压经过clark变换，转化到αβ轴坐标系，将直流母线电压和参考进行比较送入PI控制器，得到参考d轴电流参考。作为可选择的实施方式，计算电流误差阈值的具体过程包括：计算电网侧电流αβ轴分量iα、iβ与其参考值的差值的平方和，选择最小的电流误差值乘相应系数作为电流误差阈值。作为可选择的实施方式，对选择的开关矢量进行电容中性点电压控制的具体过程包括：计算上下两个均压电容的电容中性点电压差值的平方，选取平方值最小的开关矢量为最优开关矢量。一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制系统，包括：数据预处理模块，被配置为获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；预测模块，被配置为根据检测数据预测下一时刻数据；参数计算模块，被配置为计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；电流误差控制模块，被配置为计算电流误差阈值，筛选出小于电流误差阈值的开关矢量；开关频率控制模块，被配置为对筛选出的开关矢量进行开关频率控制，选择开关频率小于预设值的开关矢量；电容中性点电压控制模块，被配置为对选择的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，对于电机侧变流器，其特征是：包括以下步骤：/n获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；/n根据检测数据预测下一时刻数据；/n计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；/n使用包含电流误差和开关频率限制的代价函数进行开关矢量选择，选择代价函数最小的开关矢量；/n在下一控制周期按照选出的最优开关矢量，控制变流器。/n

【技术特征摘要】
20210520 CN 20211055364391.一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，对于电机侧变流器，其特征是：包括以下步骤：
获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；
根据检测数据预测下一时刻数据；
计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；
使用包含电流误差和开关频率限制的代价函数进行开关矢量选择，选择代价函数最小的开关矢量；
在下一控制周期按照选出的最优开关矢量，控制变流器。


2.如权利要求1所述的一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，其特征是：获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理的具体过程包括：
采样电机侧电流、电机定子磁链角度以及电机侧电机的转速，将电机侧电流经过park变换，转化成定子电流dq轴分量，将转速和参考进行比较送入PI控制器，得到转矩参考。


3.如权利要求1所述的一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，其特征是：计算电流误差的具体过程包括：计算dq坐标系下的定子电流，其中d轴的定子电流参考由转矩误差获得，通过控制d轴的定子电流参考，控制转矩，进而控制转速达到参考转速，q轴的定子电流参考根据最大转矩电流控制设定为0。


4.一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制系统，其特征是：包括：
数据预处理模块，被配置为获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；
预测模块，被配置为根据检测数据预测下一时刻数据；
参数设置模块，被配置为计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；
代价函数控制模块，被配置为使用包含电流误差和开关频率限制的代价函数进行开关矢量选择，选择代价函数最小的开关矢量；
变流器控制模块，被配置为在下一控制周期按照选出的最优开关矢量，控制变流器。


5.一种海洋直驱永磁同步风电变流器动态级联预测控制方法，对于电网侧变流器，其特征是：包括以下步骤：
获取计算所需检测数据，对检测数据进行预处理；
根据检测数据预测下一时刻数据；
计算下一控制周期变流器不同开关矢量状态下的惩罚项参数；
计算电流误差阈值，筛选出小于电流误差阈值的开关...

【专利技术属性】
技术研发人员：张祯滨，李俊达，李真，孙远翔，刘晓栋，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37