本发明专利技术公开了一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法，属于电力电子设备低频运行时的控制方法领域。该方法将传统MPC算法离散模型中桥臂电流的预测量替换为最优参考值，从而直接得出桥臂电压的参考值，因此省略了目标函数的建立及滚动优化过程，大大减小了计算量。在此基础上，利用改进桥臂电流预测的方式注入高频环流，不仅可以兼顾系统多个控制目标的实现，还可以使系统控制器数量减少(即避免了传统的桥臂电流控制器)的情况下提高控制精度，达到无跟踪误差的目的，与此同时也实现了电容电压低频波动的显著抑制，相比于传统高频注入法效果更好。传统高频注入法效果更好。传统高频注入法效果更好。
【技术实现步骤摘要】
一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法
[0001]本专利技术涉及电力电子设备低频运行时的控制方法领域，具体涉及一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法。
技术介绍
[0002]随着电力电子技术的发展，在高压大功率领域，基于全控型电压源型逆变器的柔性直流输电技术得到广泛应用，但大多数逆变器结构复杂，不易扩展。2001年，德国的Marquardt等人提出了一种新型的模块化多电平变换器(MMC)。这种变换器具有模块化，可拓展性强，输出电压质量好，不需要笨重变压器等优势，被学者们认为是最具有潜力的柔性直流输电的电力电子拓扑之一。
[0003]MMC一般会通过DC
‑
AC变换输出正弦电压电流，使得在输出的功率中有基波成分和二次谐波成分。根据输入输出功率守恒，可以推导出桥臂存在功率脉动，且会作用在子模块上，使得子模块电容电压在参考电压附近波动。而这种现象在中高压电机领域中会制约MMC的应用，由于电机多采用变频控制，电容电压的波动问题尤为严重，由此带来的电容器容量骤增、变换器成本升高及体积增大等后果都是不容忽视的问题。而目前抑制电容电压波动的方法主要有低频环流注入法和高频注入法等。
[0004]低频环流注入法可以抑制电压波动，但这种方法的本质是通过注入的低频环流来抑制上下桥臂电容电压波动中的共模成分，而电容电压波动中最主要的差模成分却并未得到抑制，因此其抑制波动的能力十分有限。高频注入法(专利申请号201911030745)通过在输出侧注入高频零序电压，桥臂中注入相同频率的高频环流的方法，建立功率传输通道，可以有效抑制电容电压波动。但在高频注入法中，由于高频环流注入部分需要利用PI调节等控制，参数设计复杂，且当注入波形非标准正弦时，如梯形波，会存在跟踪误差，电压波动的抑制效果也会有所影响。
[0005]MMC自身具有多个控制目标，包括输出电流控制、环流控制和子模块电容电压平衡等，又由于MMC是一个复杂的非线性系统，学者提出利用模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)对MMC进行多目标的控制。研究表明，将MPC算法应用于MMC的控制，不仅可以避免传统的PI、PR控制器，还能够实现多个目标的共同调节，从而控制系统设计更为简单。但是，由于传统MPC算法本身需要建立目标函数，进行滚动优化，所以不可避免地增大了计算量。
技术实现思路
[0006]基于上述背景，本专利技术提供了一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法。该方法将传统MPC算法离散模型中桥臂电流的预测量替换为最优参考值，从而直接得出桥臂电压的参考值，因此省略了目标函数的建立及滚动优化过程，大大减小了计算量。在此基础上，利用改进桥臂电流预测的方式注入高频环流，不仅可以兼顾系统多个控制目标的实现，还可以使系统控制器数量减少(即避免了传统的桥臂电流控制器)的情况下提高控制
精度，达到无跟踪误差的目的，与此同时也实现了电容电压低频波动的显著抑制，相比于传统高频注入法效果更好。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法，包括以下步骤：
[0009](1)依据基尔霍夫定律，建立三相MMC拓扑的连续域数学模型；
[0010](2)利用欧拉前向公式将三相MMC拓扑的连续域数学模型离散化，得到关于桥臂电流的离散域数学模型；
[0011](3)将所述的离散域数学模型中桥臂电流预测值替换为最优参考值，得到关于MMC桥臂电压参考的计算公式；
[0012](4)将高频零序电压引入到桥臂电流的离散域数学模型中，在步骤(3)所述的关于MMC桥臂电压参考的计算公式基础上得到注入高频电压后的桥臂电压参考的计算公式；
[0013](5)通过输出电流、直流侧电流以及环流参考值以及各电流量之间的关系，得到桥臂电流的最优参考值，代入步骤(4)得到的注入高频电压后的桥臂电压参考的计算公式，得到桥臂电压参考值注入三相MMC拓扑，经合适的调制方法后实现MMC低频运行控制。
[0014]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0015](1)本专利技术采用直接预测最优桥臂电流的方法，充分利用了桥臂里的电流信息，相比于传统的模型预测控制，省略了选取目标函数以及滚动优化的复杂过程，计算量与子模块个数无关，大大减小了计算量。
[0016](2)本专利技术利用桥臂电流预测的方式注入环流，无需PI、PR传统控制器的复杂结构，同时能够达到良好的跟踪效果。
[0017](3)本专利技术采用桥臂电流预测的控制策略，在此基础上实现高频注入，能够达到比传统注入更好的波动抑制效果。
附图说明
[0018]图1为三相MMC电路拓扑；
[0019]图2为桥臂电流预测控制的总体框图；
[0020]图3为频率50Hz突变至10Hz时的电容电压波形(未注入高频)；
[0021]图4为图3工况下的输出电流波形；
[0022]图5为图3工况下的桥臂电流跟踪波形；
[0023]图6为运行频率10Hz下高频注入后的子模块电压波形；
[0024]图7为频率渐变情况下的高频注入的子模块电压波形；
[0025]图8为图6工况下的输出电流波形。
具体实施方式
[0026]以下将结合附图和具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0027]图1所示为三相MMC的主拓扑图，三相MMC有6个桥臂，每个桥臂包含有N个子模块。其中直流母线电压为U
dc
，直流侧电流为i
dc
，上桥臂电压和下桥臂电压分别为u
pj
和u
nj
(j＝a,b,c)，上桥臂电流和下桥臂电流分别为i
pj
和i
nj
，桥臂环流的交流成分为i
zj
，输出相电压为u
j
，输出相电流为i
j
，桥臂电感为L0，桥臂电阻为R0。
[0028]图2所示为本专利技术提出的基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法的框图，该控制方法包括功率外环控制、总体能量控制、桥臂电流预测控制以及子模块电压平衡控制四个部分。功率外环控制采用dq坐标系和瞬时功率理论，将功率的指令值和实时计算值比较，差值经过PI控制器，得到有功和无功电流分量；总体能量控制将U
dc
/N作为参考值，将三相所有子模块的电容电压平均值作为实时采样值，比较的差值送到PI调节器得到直流侧参考电流再均分给各相，得到各相直流侧参考电流桥臂电流预测控制是整个控制的核心，它将得到的输出电流、环流以及直流电流整合在一起，利用离散模型预测公式计算得到相应的桥臂电压参考值子模块电压平衡控制是为了保证低频运行时桥臂内的子模块电容电压平衡，需要实时监测每一个子模块的电压u
c
(i)，参考值为一相桥臂的子模块电压平均值作差后结合桥臂电流的极性确定电压平衡信本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)依据基尔霍夫定律，建立三相MMC拓扑的连续域数学模型；(2)利用欧拉前向公式将三相MMC拓扑的连续域数学模型离散化，得到关于桥臂电流的离散域数学模型；(3)将所述的离散域数学模型中桥臂电流预测值替换为最优参考值，得到关于MMC桥臂电压参考的计算公式；(4)将高频零序电压引入到桥臂电流的离散域数学模型中，在步骤(3)所述的关于MMC桥臂电压参考的计算公式基础上得到注入高频电压后的桥臂电压参考的计算公式；(5)通过输出电流、直流侧电流以及环流参考值以及各电流量之间的关系，得到桥臂电流的最优参考值，代入步骤(4)得到的注入高频电压后的桥臂电压参考的计算公式，得到桥臂电压参考值，通过调制后实现MMC低频运行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的三相MMC拓扑的连续域数学模型为：在于，步骤(1)中，所述的三相MMC拓扑的连续域数学模型为：输出侧电流、桥臂电流及直流电流的关系式为：i
j
＝i
pj
‑
i
nj
通过电流关系式，得到桥臂电流为：式中，U
dc
为直流母线电压，L0为桥臂电感，R0为桥臂电阻，μ
pj
和u
nj
分别表示j相上下桥臂电压，i
pj
和i
nj
分别表示j相上下桥臂电流，u
j
为j相输出相电压，i
j
为j相输出相电流，i
cj
为j相桥臂环流，i
zj
为j相桥臂环流的交流成分，i
dcj
为j相直流电流，j＝a，b，c分别表示三相。3.根据权利要求2所述的一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的离散域数学模型为：在于，步骤(2)中，所述的离散域数学模型为：式中，i
pj
(k+1)和i
nj
(k+1)表示k+1时刻j相上下桥臂电流的预测值，U
dc
(k)和u
j
(k)分别是k时刻直流侧和j相交流侧的测量电压，u
pj
(k)和u
nj
(k)分别表示k时刻的j相上下桥臂电压，i
pj
(k)和i
nj
(k)分别表示k时刻的j相上下桥臂电流，T
s
表示控制步长。4.根据权利要求1所述的一种基于改进桥臂电流预测的MMC低频运行控制方法，其特征
在于，步骤(3)中，所述的关于MMC桥臂电压参考的计算公式为：在于，步骤(3)中，所述的关于MMC桥臂电压参考的计算公式为：式中，和表示k+1时刻j相上下桥臂电流参考值，U
dc
(k)和u
j
(k)分别是k时刻直流侧和j相交流侧的测量电压，和分别表示k时刻的j相上下桥臂电压参考值，i
pj
(k)和i
nj
(k)分别表示k时刻的j相上下桥臂电流...
【专利技术属性】
技术研发人员：白志红，蒋守赞，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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