CN107276107B - 基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法 - Google Patents

基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，每一桥臂配置N个子模块与1个全桥模块，子模块指半桥型模块，全桥模块电容电压取为子模块的一半，低频模型预测控制方法具体包括：将上、下桥臂模块投入数作为控制变量，对交流电流、环流与子模块电容电压分层控制，利用交流电流指标函数选出最优开关状态组合；采用环流指标函数调整上、下桥臂的子模块投入个数；结合全桥模块工作状态确定最终子模块投入个数；最后计算相邻时刻子模块投入个数差值，采用优化均压策略实现子模块电容电压的平衡控制，降低了系统开关频率；该方法物理模型清楚，无需考虑复杂的参数整定与权重系数设计，易实现数字化控制且减少了寻优计算量。

Description

基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子领域，特别涉及一种基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法。
背景技术
近年来，随着电力电子技术的快速发展，多电平变换器得到更多地研究和应用。模块化多电平换流器作为一种新型多电平换流器以其模块化结构、容量易扩展、谐波含量低以及灵活功率调节能力等特点被广泛地应用于长距离的柔性直流输电、无功补偿、新能源发电并网等高压大功率场合，具有广阔的发展前景。由于MMC具有诸多有利特性，因此MMC拓扑结构、控制方法与调制策略、电容电压平衡控制及环流抑制等方面成为学者深入研究的热点之一。
传统模块化多电平换流器的每个桥臂上含有N个结构相同的子模块，输出电平数可达到为2N+1。如图1所示混合型模块化多电平换流器拓扑，混合型模块化多电平换流器在传统MMC的每个桥臂上增加1个全桥模块，输出电平数最大可达到4N+1。混合型模块化多电平换流器的传统方法是基于PI控制器的双闭环矢量控制策略，可实现对系统功率、环流与电容电压的控制。该方法的控制过程调节时间较长，控制延时会严重影响系统性能，并且对控制器参数比较敏感且参数整定过程复杂，参数设计结果的好坏对系统性能有直接的影响。
模型预测控制是近些年发展起来的一种新型控制方法，通过建立系统离散状态模型，设置控制量的指标函数选取最优开关状态组合，实现对目标的直接控制。Rodriguez J等人发表的《Predictive current control of a voltage source inverter》将模型预测控制应用于电压源换流器，体现了模型预测控制的控制思想。J.Qin等人发表的《Predictive Control of a Modular Multilevel Converter for a Back-to-Back HVDCSystem》将模型预测控制应用于MMC-HVDC系统，通过合理设计指标函数的权重系数，较好地实现了多目标协调控制，但该方法存在计算量大、开关频率高、系统损耗大等问题。目前，模型预测控制在传统MMC上的应用较为广泛，但在混合型MMC系统的应用仍需进一步的研究。
发明内容
本发明是针对混合型模块化多电平换流器控制存在的问题，提出了一种基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，减少了寻优计算量，降低了开关频率。
本发明的技术方案为：一种基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，基于混合型模块化多电平换流器结构：每一桥臂配置N个子模块与1个全桥模块，子模块指半桥型模块，全桥模块电容电压取为子模块的一半，低频模型预测控制方法具体包括：将上、下桥臂模块投入数作为控制变量，对交流电流、环流与子模块电容电压分层控制，首先利用交流电流指标函数选出最优开关状态组合；其次采用环流指标函数调整上、下桥臂的子模块投入个数；再次结合全桥模块工作状态确定最终子模块投入个数；最后计算相邻时刻子模块投入个数差值，采用优化均压策略实现子模块电容电压的平衡控制。
所述上或下桥臂子模块投入个数确定步骤如下：
1)检测系统交流电流并构建其预测模型，计算不同电平下的交流电流预测值，评估所有可能的交流电流指标函数值，选取使交流电流指标函数值最小的输出电平，实现对参考电流的最优跟踪，得到最优跟踪控制的桥臂模块投入个数并表示为npj，其中p表示上桥臂，j表示A、B、C三相；
2)检测各相环流并构建其预测模型，比较三种调整电压下的环流指标函数值大小，选取使环流指标函数值最小的补偿电平，此时环流抑制效果最好，此时将上桥臂等效调整个数表示为npdiffj；
3)判断交流电流控制环节选取的桥臂模块投入个数npj，如果为整数，则全桥模块控制算法无需参与，反之参与输出；根据电容器充放电特性，结合桥臂电流方向与全桥模块电容电压大小确定其工作状态，+0.5、0、-0.5分别表示正向投入、0状态投入和反向投入，桥臂全桥模块等效投入个数表示为spj且其取值为+0.5、0或-0.5；桥臂子模块最终投入个数为npj、npdiffj与spj三者之和。
所述基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，采用优化均压策略实现子模块电容电压的平衡控制方法具体包括：计算相邻时刻子模块投入个数差值△Npj，按照指标函数值对子模块降序排列，选取电容电压指标函数值最大的子模块动作，直到选取动作的子模块个数为子模块投入个数差值；若△Npj大于零，则在上一时刻处于切除状态的桥臂子模块中选取电容电压指标函数值最大的|△Npj|个子模块投入；若△Npj小于零，则在上一时刻处于投入状态的桥臂子模块中选出电容电压指标函数值最大的|△Npj|个子模块在下一时刻切除。
本发明的有益效果在于：本发明基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，根据混合型MMC拓扑特点，将全桥模块作为电压校正模块，起到调整上、下桥臂模块投入个数的效果以抑制环流；全桥模块还可调节输出电平数，降低输出谐波含量；该方法同时实现交流电流跟踪、环流抑制与电容电压平衡；计算相邻时刻子模块投入个数差值，采用优化均压策略实现子模块电容电压平衡控制，降低了系统开关频率；该方法物理模型清楚，无需考虑复杂的参数整定与权重系数设计，易实现数字化控制且减少了寻优计算量。
附图说明
图1为混合型模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图2为本发明混合型模块化多电平换流器的模型预测控制结构图；
图3为本发明交流侧输出电流波形图；
图4为本发明A相环流波形图；
图5为本发明A相上、下桥臂电流波形图；
图6为本发明A相上桥臂电流频谱图；
图7为本发明A相上、下桥臂全桥模块电容电压波形图；
图8为传统均压策略下子模块一个工频周期开关状态图；
图9为传统均压策略下子模块电容电压波形图；
图10为本发明优化均压策略下子模块一个工频周期开关状态图；
图11为本发明优化均压策略下子模块电容电压波形图。
具体实施方式
基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，基于系统离散状态模型，将上、下桥臂模块投入数作为控制变量，对交流电流、环流与子模块电容电压分层控制。首先利用交流电流指标函数选出最优开关状态组合；其次采用环流指标函数调整上、下桥臂的子模块投入个数；再次结合全桥模块工作状态确定最终子模块投入个数；最后计算相邻时刻子模块投入个数差值，采用优化均压策略实现子模块电容电压的平衡控制，减少了子模块开关动作次数，有效降低了开关频率。
本实施方式采用的混合型模块化多电平换流器拓扑如图1所示，每一桥臂配置N个子模块与1个全桥模块，sm1～smN表示子模块，子模块指半桥型模块，smH表示全桥模块，全桥模块电容电压取为子模块的一半。
图2中的混合型MMC主电路包括三相电路，每一相电路包括上下两个桥臂，共六个，每一桥臂包含4个子模块与1个全桥模块。模型预测控制程序流程图也如图2所示，控制策略有以下六个步骤：
1)检测交流电流并构建其预测模型；
2)定义交流电流指标函数，选取最优电流控制效果的模块投入个数；
3)检测环流并构建其预测模型；
4)定义环流指标函数，选取最佳环流抑制效果的调整个数；
5)结合全桥模块控制算法，确定全桥模块工作状态以及等效投入个数；
6)综合以上得到子模块最终的投入个数，根据子模块电容电压平衡控制策略确定每个子模块的工作状态。
以上桥臂为例，具体实现过程如下所示：
首先，检测系统交流电流并构建其预测模型，计算不同电平下的交流电流预测值，评估所有可能的交流电流指标函数值，选取使交流电流指标函数值最小的输出电平，实现对参考电流的最优跟踪，得到最优跟踪控制的上桥臂模块投入个数并表示为npj。其中p表示上桥臂，j表示A、B、C三相。
其次，检测各相环流并构建其预测模型，比较三种调整电压下的环流指标函数值大小，选取使环流指标函数值最小的补偿电平，此时环流抑制效果最好，此时将上桥臂等效调整个数表示为npdiffj。
再次，判断交流电流控制环节选取的上桥臂模块投入个数npj，如果为整数，则全桥模块控制算法无需参与，反之参与输出。根据电容器充放电特性，结合桥臂电流方向与全桥模块电容电压大小确定其工作状态，+0.5、0、-0.5分别表示正向投入、0状态投入和反向投入，上桥臂全桥模块等效投入个数可表示为spj且其取值为+0.5、0或-0.5。综上，上桥臂子模块最终投入个数为npj、npdiffj与spj三者之和。
最后，计算相邻时刻子模块投入个数差值，按照指标函数值对子模块降序排列，选取电容电压指标函数值最大的子模块动作，直到选取动作的子模块个数为子模块投入个数差值。若△Npj大于零，则在上一时刻处于切除状态的上桥臂子模块中选取电容电压指标函数值最大的|△Npj|个子模块投入；若△Npj小于零，则在上一时刻处于投入状态的上桥臂子模块中选出电容电压指标函数值最大的|△Npj|个子模块在下一时刻切除，有效减少子模块开关动作次数，降低系统开关频率。其中△Npj表示上桥臂相邻时刻的子模块投入个数差值。
基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，适用高压大功率场合，基于系统离散状态模型，将上、下桥臂模块投入数作为控制变量，对交流电流、环流与子模块电容电压分层控制。首先利用交流电流指标函数选出最优开关状态组合；其次采用环流指标函数调整上、下桥臂的子模块投入个数；再次结合全桥模块工作状态确定最终子模块投入个数；最后计算相邻时刻子模块投入个数差值，采用优化均压策略实现子模块电容电压平衡控制，减少子模块开关动作次数。
交流电流控制环节，上、下桥臂模块投入个数分别可取[0 0.5 1…N-0.5 N]与[NN-0.5…1 0.5 0]，计算2N+1种不同电平的交流电流预测值，并代入交流电流指标函数，选取使指标函数值最小的模块投入个数。
交流电流预测表达式：
式中epj(t+Ts)与enj(t+Ts)分别表示上、下桥臂输出电压预测值；ij(t)表示交流电流检测值，ij(t+Ts)为交流电流预测值；esj(t+Ts)为电网电压预测值，当Ts足够小时，近似认为esj(t+Ts)＝esj(t)；Leq＝L+Lf/2，表示等效电感；R与L分别表示连接电阻与电感，Lf表示换流电抗器。
交流电流指标函数：
G1＝|ij *(t+Ts)-ij(t+Ts)|
式中ij *(t+Ts)表示交流侧电流参考值。
环流控制环节，对交流电流控制环节选取投入的模块个数进行判断，若为整数，全桥模块控制算法不用参与，否则参与输出。根据控制算法确定全桥模块工作状态，+0.5、0、-0.5分别表示正向投入、0状态投入和反向投入。因此模块投入个数的三种调整情况分别为保持不变、加半个或减半个，利用环流指标函数选出环流控制效果最佳时的调整个数。
环流预测值与调整电压表达式：
式中idiffj(t+Ts)与idiffj(t)分别表示不平衡电流预测值和检测值，idiffj＝icj+idc/3，icj表示环流。epdiffj与endiffj表示全桥模块作为电压校正模块的调整电压，Vdc(t+Ts)表示直流侧电压预测值，由于直流侧采用直流电源，该预测值恒定。
环流指标函数：
G2＝|idiffj(t+Ts)-idc *(t+Ts)/3|
式中idc *(t+Ts)表示直流侧电流参考值。
子模块电容电压控制环节，根据桥臂电流方向确定子模块充放电状态，通过计算相邻时刻的子模块投入个数差值，选取电容电压指标函数值最大的子模块动作，直到选取动作的子模块个数为子模块投入个数差值，有效减少子模块的开关动作次数。
相邻时刻的子模块投入个数差值：
ΔNmj＝Nmj*(t+Ts)-Nmj(t)
式中m取p、n，分别表示上、下桥臂。
子模块电容电压指标函数：
式中imj(t)表示桥臂电流；Vdc表示直流侧电压值；ucji(t+Ts)表示子模块电容电压的预测值；i表示单桥臂上子模块序号，本实施方式中i的取值为1～4。
图3～11表示采用上述混合型模块化多电平换流器及所提模型预测控制方法获得的仿真效果。图3表示A相交流侧电流，通过FFT分析可得其谐波畸变率仅为0.34％，交流电流控制效果良好。图4与图5分别表示混合型MMC的A相环流及其上、下桥臂电流，A相上桥臂电流频谱分析如图6所示，THD值为1.13％，表明环流二倍频分量含量较少，系统具有较好的环流控制效果。图7表示A相上、下桥臂全桥模块电容电压，由此可得A相上、下桥臂全桥模块电容电压均稳定在其参考值左右。图8与图9分别表示传统均压策略下的子模块一个工频周期开关状态与子模块电容电压，图10与图11分别表示优化均压策略下的子模块在一个工频周期开关状态与子模块电容电压。由仿真结果可得，两种均压策略下的子模块电容电压波动范围并未产生明显差异，但传统均压策略的平均开关频率在6.1kHz左右，而优化均压策略可使子模块的平均开关频率降低为2.4kHz左右，降低了系统开关频率，减少了子模块开关动作次数。

Claims (2)

1.一种基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，基于混合型模块化多电平换流器结构：每一桥臂配置N个子模块与1个全桥模块，子模块指半桥型模块，全桥模块电容电压取为子模块的一半；低频模型预测控制方法具体包括：将上、下桥臂模块投入数作为控制变量，对交流电流、环流与子模块电容电压分层控制，首先利用交流电流指标函数选出最优开关状态组合；其次采用环流指标函数调整上、下桥臂的子模块投入个数；再次结合全桥模块工作状态确定最终子模块投入个数；最后计算相邻时刻子模块投入个数差值，采用优化均压策略实现子模块电容电压的平衡控制；
其特征在于，所述上或下桥臂子模块投入个数确定步骤如下：
1)检测系统交流电流并构建其预测模型，计算不同电平下的交流电流预测值，评估所有可能的交流电流指标函数值，选取使交流电流指标函数值最小的输出电平，实现对参考电流的最优跟踪，得到最优跟踪控制的桥臂模块投入个数并表示为npj，其中p表示上桥臂，j表示A、B、C三相；
2)检测各相环流并构建其预测模型，比较三种调整电压下的环流指标函数值大小，选取使环流指标函数值最小的补偿电平，此时环流抑制效果最好，此时将上桥臂等效调整个数表示为npdiffj；
3)判断交流电流控制环节选取的桥臂模块投入个数npj，如果为整数，则全桥模块控制算法无需参与，反之参与输出；根据电容器充放电特性，结合桥臂电流方向与全桥模块电容电压大小确定其工作状态，+0.5、0、-0.5分别表示正向投入、0状态投入和反向投入，桥臂全桥模块等效投入个数表示为spj且其取值为+0.5、0或-0.5；桥臂子模块最终投入个数为npj、npdiffj与spj三者之和。
2.根据权利要求1所述基于混合型模块化多电平换流器的低频模型预测控制方法，其特征在于，采用优化均压策略实现子模块电容电压的平衡控制方法具体包括：计算相邻时刻子模块投入个数差值△Npj，按照指标函数值对子模块降序排列，选取电容电压指标函数值最大的子模块动作，直到选取动作的子模块个数为子模块投入个数差值；若△Npj大于零，则在上一时刻处于切除状态的桥臂子模块中选取电容电压指标函数值最大的|△Npj|个子模块投入；若△Npj小于零，则在上一时刻处于投入状态的桥臂子模块中选出电容电压指标函数值最大的|△Npj|个子模块在下一时刻切除。
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