模块化多电平变换器等效空间矢量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变换器等效空间矢量模型预测控制方法，包括：将模块化多电平变换器各桥臂视为一个整体，提出一组适用于模块化多电平变换器的等效空间矢量，减少单位时间内模型预测控制方法所需评估的电压矢量的数量；根据所提的等效空间矢量，预测输出电流，采用模型预测进行电流控制；选取最优等效空间矢量，计算其作用时间；根据所计算的时间，在等效空间矢量停延时间上添加离散域下的补偿项，降低输出电流的跟踪误差；采用比例积分控制和比例积分谐振控制对桥臂能量和环流进行控制；计算模块化多电平变换器桥臂调制参考信号，采用载波移相调制实现调制环节。本发明专利技术所提出的方法及装置无需添加额外的硬件电路，与传统模型预测控制方法相比，可显著降低控制器所需计算量并提高其跟踪控制精度。低控制器所需计算量并提高其跟踪控制精度。低控制器所需计算量并提高其跟踪控制精度。

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法


[0001]本专利技术涉及模块化多电平变换器模型预测控制
，尤其涉及一种模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平变换器(Modular multilevel converter,MMC)具有模块化、可扩展性的结构、开关频率低和谐波性能好等优势，受到业界广泛关注，并应用于高压直流输电(High voltage direct current,HVDC)系统、电机驱动、电池储能系统(battery energy storage systems,BESS)、电力电子变压器(Power electronic transformer,PET)、静止同步无功补偿器(Synchronic static compensators,STATCOM)等应用场合中。
[0003]MMC拓扑结构复杂，为实现其正常运行，所需控制目标较多(包括输出电流、环流、电容电压等)。为实现上述目标，通常采用级联结构的比例积分控制器(Proportional
‑
integral,PI)和比例积分谐振(Proportional
‑
integral
‑
resonant,PIR)控制器，其存在控制结构复杂和动态响应速度慢的问题。为提高系统动态响应速度，模型预测控制方法(Model predictive control,MPC)逐渐被应用于MMC中。
[0004]专利技术人在实现本专利技术的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
[0005]1、MMC子模块及开关器件众多，单位周期内所需评估的电压矢量数量庞大，导致MMC控制系统计算负担重，控制器成本高；
[0006]2、MMC内部无源器件及传感器数量众多，模型参数不匹配使得模型预测控制方法跟踪误差大，控制精度低。
[0007]上述两方面局限性限制了模型预测控制在MMC中的推广应用。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法，本专利技术通过将MMC各桥臂视为一个整体，提出了一组适用于MMC的等效空间矢量，减少了单位时间内模型预测控制方法所需评估的电压矢量的数量；通过在等效空间矢量停延时间上添加离散域下的补偿项，降低输出电流的跟踪误差，详见下文描述：
[0009]第一方面，一种模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法，所述方法包括：
[0010]将模块化多电平变换器各桥臂视为一个整体，提出一组适用于模块化多电平变换器的等效空间矢量，减少单位时间内模型预测控制方法所需评估的电压矢量的数量；
[0011]根据所提的等效空间矢量，预测输出电流，采用模型预测进行电流控制；
[0012]选取最优等效空间矢量，计算其作用时间；
[0013]根据所计算的时间，在等效空间矢量停延时间上添加离散域下的补偿项，降低输出电流的跟踪误差；
[0014]采用比例积分控制和比例积分谐振控制对桥臂能量和环流进行控制；
[0015]计算模块化多电平变换器桥臂调制参考信号，采用载波移相调制实现调制环节。
[0016]其中，所述将模块化多电平变换器各桥臂视为一个整体，提出一组适用于模块化多电平变换器的等效空间矢量具体为：
[0017]将模块化多电平变换器的每个桥臂视为一个整体，将其定义为等效桥臂单元。在每个等效桥臂单元中，其电容电压等于直流侧电容电压v
dc
，输出电压定义为u
xj
，其中，x＝{u,l}，j＝{a,b,c}。每个等效桥臂单元包括等效开关S
eq1
和等效开关S
eq2
。当S
eq1
处于导通状态而S
eq2
处于关断状态时，该等效桥臂单元处于投入状态，其输出电压为v
dc
(记为1)；当S
eq1
处于关断状态而S
eq2
处于导通状态时，该等效桥臂单元处于切除状态，其输出电压为v
dc
(记为0)。
[0018]根据等效桥臂单元的开关状态及其三相等效控制回路，三相MMC系统中存在8个等效开关组合，分别与8个等效空间矢量对应。8个空间矢量被定义为U0～U7。6个非零矢量可将αβ参考平面等分为6份(SectorI～SectorVI)。在每个周期内，6个非零矢量被评估，通过对两个最优空间矢量的选择及其作用时间的计算，可对模块化多电平变换器的输出电流进行控制。
[0019]其中，所述根据所提的等效空间矢量，预测输出电流，采用模型预测进行电流控制具体为：
[0020]模块化多电平变换器的预测模型可表示为：
[0021][0022]式中，i
α
和i
β
分别为输出电流在α轴和β轴上的分量，u
α
和u
β
分别为等效输出电压在α轴和β轴上的分量，u
gα
和u
gβ
分别为电网电压在α轴和β轴上的分量。
[0023]基于上式，模块化多电平变换器输出电流的模型可进一步离散为：
[0024][0025]通过上述方程，可对6个非零空间矢量下的输出电流进行预测
[0026]U
Ω
＝(U1,U2,U3,U4,U5,U6)
[0027]式中，U
Ω
为6个等效空间矢量的集合。
[0028]其中，所述选取最优等效空间矢量，计算其作用时间具体为：
[0029]为选取最优的矢量，可将目标函数定义为：
[0030][0031]式中，J为目标函数，和可利用拉格朗日三阶插值法表示为：
[0032][0033]在U
Ω
中，目标函数数值最小的两个非零矢量被选为最优等效空间矢量，记为U
opt1
和U
opt2
。
[0034]最优等效空间矢量的作用时间计算原理如图5所示。每个周期内最终电压都包含两个最优等效空间矢量(U
opt1
和U
opt2
)和零矢量(U0或U7)。上述矢量作用下的预测电流矢量可以通过式(6)计算求解，并表示为ΔI
opt1
,ΔI
opt2
,和ΔI0。上述各预测电流矢量对应的作
用时间可分别表示为t
opt1
,t
opt2
,和(T
s
‑
t
opt1
‑
t
opt2
)。
[0035]将上述三个空间矢量及其预测电流矢量分解到α轴和β轴坐标系下，可得联立方程：
[0036][0037]联立求解方程可求得两个最优等效空间矢量的作用时间为：
[0038][0039][0040]式中，u
opt1α
和u
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法，其特征在于，所述方法包括：将模块化多电平变换器各桥臂视为一个整体，提出一组适用于模块化多电平变换器的等效空间矢量，减少单位时间内模型预测控制方法所需评估的电压矢量的数量；根据所提的等效空间矢量，预测输出电流，采用模型预测进行电流控制；选取最优等效空间矢量，计算其作用时间；根据所计算的时间，在等效空间矢量停延时间上添加离散域下的补偿项，降低输出电流的跟踪误差；采用比例积分控制和比例积分谐振控制对桥臂能量和环流进行控制；计算模块化多电平变换器桥臂调制参考信号，采用载波移相调制实现调制环节。2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法，其特征在于，所述将模块化多电平变换器各桥臂视为一个整体，提出一组适用于模块化多电平变换器的等效空间矢量具体为：将模块化多电平变换器的每个桥臂视为一个整体，将其定义为等效桥臂单元。在每个等效桥臂单元中，其电容电压等于直流侧电容电压v
dc
，输出电压定义为u
xj
，其中，x＝{u,l}，j＝{a,b,c}。每个等效桥臂单元包括等效开关S
eq1
和等效开关S
eq2
。当S
eq1
处于导通状态而S
eq2
处于关断状态时，该等效桥臂单元处于投入状态，其输出电压为v
dc
(记为1)；当S
eq1
处于关断状态而S
eq2
处于导通状态时，该等效桥臂单元处于切除状态，其输出电压为v
dc
(记为0)。根据等效桥臂单元的开关状态及其三相等效控制回路，三相MMC系统中存在8个等效开关组合，分别与8个等效空间矢量对应。8个空间矢量被定义为U0～U7。6个非零矢量可将αβ参考平面等分为6份。在每个周期内，6个非零矢量被评估，通过对两个最优空间矢量的选择及其作用时间的计算，可对模块化多电平变换器的输出电流进行控制。3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器等效空间矢量模型预测控制方法，其特征在于，所述根据所提的等效空间矢量，预测输出电流，采用模型预测进行电流控制具体为：模块化多电平变换器的预测模型可表示为：式中，i
α
和i
β
分别为输出电流在α轴和β轴上的分量，u
α
和u
β
分别为等效输出电压在α轴和β轴上的分量，u
gα
和u
gβ
分别为电网电压在α轴和β轴上的分量。基于上式，模块化多电平变换器输出电流的模型可进一步离散为：通过上述方程，可对6个非零空间矢量下的输出电流进行预测U
Ω
＝(U1,U2,U3,U4,U5,U6)式中，U
Ω
为6个等效空间矢量的集合。4....

【专利技术属性】
技术研发人员：肖迁，张育炜，穆云飞，贾宏杰，侯恺，陆文标，余晓丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：