CN109787232B - 链式svg的基于模型预测控制的混合式分散控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统及方法，包括：中央控制器，所述中央控制器包括能够进行并行通信的通信节点，所述通信节点的数目不小于每一相中含有的功率模块数目；每一个通信节点分别与A，B，C三相的功率模块单元进行通信；中央控制器向A，B，C三相的功率模块单元分别发送控制信号，每一相中接收到控制信号功率模块单元读取中央处理器所给的指令，再将该控制信号发送给下一个相邻的功率模块单元，依次类推，直到所有的功率模块单元都接收到控制指令。本发明能够有效减小通讯时延，并且降低中央控制器的计算难度，更加利用工业实现。

Description

链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子控制技术领域，尤其涉及一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

级联H桥型功率变换器由于其可扩展性，在大功率工业领域得到了广泛关注。在电机驱动领域，级联H桥型功率变换器直流侧需要移相变压器来提供隔离直流电源，进而造成整个功率变换器体积大、费用高。但是，在SVG领域，笨重的移相变压器可以被先进的直流电压控制策略所取代。因此，级联H桥型功率变换器在SVG领域有着广阔的应用前景。

参照图1，链式SVG每一相都是由多个结构完全一样的功率模块单元组成，N个功率模块单元叠加电压进而实现电压等级的抬升，同时多电平叠加能够保证良好的输出波形，大幅度降低输出电压的谐波含量。但是，由于链式SVG中存在众多功率模块单元，其控制策略显得尤为关键。发明人发现，当前主要存在两种控制架构：集中式控制和分布式控制。在集中式控制中，系统需要具备一个运算能力强大的中央处理器，这无疑会增加系统成本。并且，该控制结构的模块化以及可扩展性很差。对于分布式控制来说，主要有三种典型方式：星型结构的分布式控制，总线型的分布式控制以及环形的分布式控制。在星型结构的分布式控制中，中央控制器需要具备大量的点对点通信线与接口，进而导致中央处理器运算压力大，存在溢出的危险。在总线型分布式控制当中，中央控制器与分布式控制器的通信是基于问答机制。这将会导致故障响应周期长，严重影响设备的安全稳定运行。在环形的分布式控制系统当中，传输延时问题相对严重。严重情况下，将会导致系统运行不稳定。同时，也会造成系统故障响应不及时。除此之外，对于链式SVG的直流电压控制，传统的PI控制动态响应慢。预测控制因其动态响应快得到了研究者的注意，但是在预测控制当中，输出与给定之间存在一定的误差，严重影响系统的控制精度。

发明内容

针对现有链式SVG控制技术存在的不足，本发明提出了一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统及方法，既能降低中央控制器的计算负担、减小分布式控制器与中央控制器之间的通信延时，又能提高系统的动态响应与控制精度。

根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：

一种混合式分散控制系统，包括：中央控制器，所述中央控制器包括能够进行并行通信的通信节点，所述通信节点的数目不小于每一相中含有的功率模块单元数目；每一个通信节点分别与A，B，C三相的功率模块单元进行通信；

中央控制器向A，B，C三相的功率模块单元分别发送控制信号，每一相中接收到控制信号功率模块单元读取中央处理器所给的指令，再将该控制信号发送给下一个相邻的功率模块单元，依次类推，直到所有的功率模块单元都接收到控制指令。

进一步地，系统上电时自动检测中央控制器与各功率模块单元之间的通讯时延，针对不同功率模块单元，提前不同时间发送控制数据，使得各功率模块单元能够在同一时间接收到中央控制器的控制信号。

在另外一些实施方式中，公开了如下技术方案：

一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制方法，该方法在中央控制器中实现，包括：

采用模型预测直接功率控制方法控制直流电压，在控制过程中，引入内模控制，即：将前k次的功率误差和第k次的给定值相加，作为第k+1次的预测控制值；

采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡。

进一步地，采样交流侧三相电压和电流信息，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的电压电流信号，经过计算分别得到有功功率和无功功率；确定有功功率参考值和无功功率参考值；

将前k次的功率误差和第k次的给定值相加，作为第k+1次的预测控制值；

根据计算得到的有功功率和无功功率、有功功率参考值和无功功率参考值以及第k+1次的预测控制值，采用模型预测直接功率控制方法，得到α、β坐标系下的预测控制电压矢量，进行坐标变换后，得到直流电压输出。

进一步地，采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡，具体为：

注入的负序电压通过以下公式计算得出：

式子中

I⁺是正序电流幅值，θ^-为注入的负序电压的相角，V^-为注入的负序电压的幅值，K_n为比例系数。

进一步地，该方法在功率模块单元中实现，包括：将级联H桥三相直流电压平均值作为每个功率模块单元电压的给定值，与每个功率模块单元实际电压做差，并乘以比例系数作为功率模块单元端电压给定值修正量的有效值。

进一步地，功率模块单元端电压给定值修正量的角度为

其中y为电流矢量的角度。

在另外一些实施方式中，公开了如下技术方案：

一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

在另外一些实施方式中，公开了如下技术方案：

一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述的方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)提出了一种混合式分散控制结构，能够有效减小通讯时延，并且降低中央控制器的计算难度，更加利用工业实现。

(2)提出了一种基于改进模型预测控制的直流电压控制方法。该方法与传统PI控制器相比，动态响应快。与传统模型预测控制相比，有效减小了有功功率与无功功率误差，同时也降低了交流侧电流谐波。

(3)对于扩大链式SVG的应用具有重要意义。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为现有技术中链式SVG拓扑图；

图2为实施例一中混合式分散控制结构；

图3为实施例二中第一级控制框图，即改进的模型预测直接功率控制框图；

图4为实施例二中第二级控制框图，即相间直流电压平衡控制框图；

图5为实施例二中第三级控制框图，即相内直流电压控制框图；

图6为实施例二中所提三级控制系统整体控制系统。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，提出了一种链式SVG的基于模型预测直接功率控制的混合式分散控制系统，参照图2，包括：中央控制器具备并提供多路并行通信。并行通信的支路数等于每一相中含有的功率模块单元数目。中央控制器中的每个通信节点负责三台功率模块单元。这三个功率模块单元分别对应着A，B，C三相。中央处理器中每一条通信支路将三个功率模块单元的控制信号发送给就近的功率模块单元，然后接收到控制信号的功率模块单元读取中央处理器所给的指令，再将该信息发送给下一个相邻功率模块单元，下一个功率模块单元再进行相同操作，将中央处理器给的指令发送给第三个功率模块单元。

功率模块单元向中央控制器发送数据时，采取类似的规律。为避免通讯时延产生的一系列问题，系统上电时自动检测各个控制器之间的通讯时延，进而得出中央控制器与各子模块之间的通讯时延。针对不同功率模块单元，提前不同时间发送控制数据，使得各分布式处理器能够在同一时间接收到中央控制器的控制信号。

需要说明的是，功率模块单元也包括处理器，相当于中央处理器的子处理器，也即分布式处理器。

本实施例提出的混合式分散控制结构，能够有效减小通讯时延，并且降低中央控制器的计算难度，更加利用工业实现。

实施例二

针对提出来的混合式分散控制系统，提出了一种三级控制结构，参照图6，其中，第一级以及第二级控制在中央处理器中完成，第三级控制在各子模块分布式控制器中实现。

第一级控制的结构示意图如图3所示，为控制直流电压，提出了一种利用内模控制改进的模型预测直接功率控制策略。在模型预测直接功率控制中，当系统处于稳定状态时，功率偏差几乎为零，从而造成控制器误差跟踪中的误差控制矢量就不能够有效的进行选择，因此一定的误差是控制器正常工作的所必须的条件。为了补偿该误差，可将内模控制引入模型预测直接功率控制中来。能在一定程度上减小模型预测直接功率控制当中有功功率和无功功率的静差，提升功率跟踪效果。

其中经过内模控制改进的模型预测直接功率控制可通过以下推导实现：

采样交流侧三相电压和电流信息e_abc，i_abc，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的电压电流信号e_αβ，i_αβ，经过计算分别得到有功功率和无功功率：

无功功率参考值根据实际需要人为给定。有功功率根据直流输出电压跟参考电压经过PI调解得到。其中直流侧输出电压可以由下式计算得出：

其中，V_dc,a，V_dc,b，V_dc,c分别是级联H桥的三相直流电压；V_dc,Ai，V_dc,Bi，V_dc,Ci分别是级联H桥每一相中对应的第i个子模块的直流侧电压。

由基尔霍夫定理可以得出三相链式SVG的数学模型表达式为：

其中V_α，V_β为链式SVG在两相静止坐标系下的输入电压。忽略掉交流侧电感的寄生电阻R，将公式(3)离散化，可以得到：

对公式(1)进行离散化，再结合公式(4)可以得出预测控制电压矢量表达式为：

为了提升功率跟踪控制效果，降低交流侧电流谐波，内模控制被引入。其原理是将前k次的误差和第k次的给定值相加，作为第k+1次的预测控制值，类似于准积分控制器的控制效果，因此能够在一定程度上减小VSR模型预测直接功率控制的有功P和无功功率Q的静差。

内模控制表达式为：

将功率累计误差与k+1时刻的给定相加一起作为新的k+1时刻的给定值即为内膜控制补偿值。

第二级控制的结构示意图如图4所示，通过采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡。经计算分析可知，负序电压注入并不会影响三相静态无功补偿器吸收的有功功率。但是，每相当中经过负序电压注入产生的有功功率可以有所不同，进而三相的有功率可以通过负序电压注入的方式进行调节。其注入的负序电压可通过以下公式计算得出：

式子中

I⁺是正序电流幅值。

第三级控制的结构示意图如图5所示，调节每个功率模块单元的端电压实现相内每个模块的直流电压的均衡。其具体实现方式为：

将级联H桥三相直流电压平均值作为每个子模块电压的给定值，与每个子模块实际电压做差，并乘以比例系数作为功率子模块端电压给定值修正量的有效值。端电压给定值修正量的角度为

其中y为电流矢量的角度。

本实施例提出的基于改进模型预测控制的直流电压控制方法，与传统PI控制器相比，动态响应快。与传统模型预测控制相比，有效减小了有功功率与无功功率误差，同时也降低了交流侧电流谐波。

实施例三

在一个或多个实施方式中，提出了一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例二中在中央处理器中实现的方法。

实施例四

在一个或多个实施方式中，提出了一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现实施例二中在功率模块单元中实现的方法。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种混合式分散控制系统，其特征在于，包括：中央控制器，所述中央控制器包括能够进行并行通信的通信节点，所述通信节点的数目不小于每一相中含有的功率模块单元数目；每一个通信节点分别与A，B，C三相的功率模块单元进行通信；

中央控制器向A，B，C三相的功率模块单元分别发送控制信号，每一相中接收到控制信号功率模块单元读取中央处理器所给的控制信号，再将该控制信号发送给下一个相邻的功率模块单元，依次类推，直到所有的功率模块单元都接收到控制信号；

系统上电时自动检测中央控制器与各功率模块单元之间的通讯时延，针对不同功率模块单元，提前不同时间发送控制信号，使得各功率模块单元能够在同一时间接收到中央控制器的控制信号；

包括三级控制系统，第一级控制在中央控制器中实现，采用模型预测直接功率控制方法控制直流电压，第二级控制在中央控制器中实现，采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡；第三级控制在功率模块单元中实现，将级联H桥三相直流电压平均值作为每个功率模块单元电压的给定值，与每个功率模块单元实际电压做差，并乘以比例系数作为功率模块单元端电压给定值修正量的有效值；

第一级控制在中央控制器中实现，采用模型预测直接功率控制方法控制直流电压，预测控制电压矢量表达式为：

采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡，具体为：

注入的负序电压通过以下公式计算得出：

式子中

I⁺是正序电流幅值，θ^-为注入的负序电压的相角，V^-为注入的负序电压的幅值，K_n为比例系数，V_dc,a，V_dc,b，V_dc,c分别为级联H桥的三相直流电压；

功率模块单元端电压给定值修正量的角度为

其中y为电流矢量的角度；

在第一级控制中，采样交流侧三相电压和电流信息，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的电压电流信号，经过计算分别得到有功功率和无功功率；确定有功功率参考值和无功功率参考值；

将前k次的功率误差和第k次的给定值相加，作为第k+1次的预测控制值；

根据计算得到的有功功率和无功功率、有功功率参考值和无功功率参考值以及第k+1次的预测控制值，采用模型预测直接功率控制方法，得到α、β坐标系下的预测控制电压矢量，进行坐标变换后，得到直流电压输出。

2.一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制方法，其特征在于，该方法在中央控制器和功率模块单元中实现，包括三级控制：

第一级控制在中央控制器中实现，采用模型预测直接功率控制方法控制直流电压，预测控制电压矢量表达式为：

将得到的预测控制电压矢量进行坐标变换后，得到直流电压输出；

在控制过程中，引入内模控制，即：将前k次的功率误差和第k次的给定值相加，作为第k+1次的预测控制值；

第二级控制在中央控制器中实现，采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡；

第三级控制在功率模块单元中实现，将级联H桥三相直流电压平均值作为每个功率模块单元电压的给定值，与每个功率模块单元实际电压做差，并乘以比例系数作为功率模块单元端电压给定值修正量的有效值；

采用负序电压注入的方法实现相间直流电压均衡，具体为：

注入的负序电压通过以下公式计算得出：

式子中

I⁺是正序电流幅值，θ^-为注入的负序电压的相角，V^-为注入的负序电压的幅值，K_n为比例系数；V_dc,a，V_dc,b，V_dc,c分别为级联H桥的三相直流电压；

功率模块单元端电压给定值修正量的角度为

其中y为电流矢量的角度；

在第一级控制中，采样交流侧三相电压和电流信息，经过坐标变换得到两相静止坐标系下的电压电流信号，经过计算分别得到有功功率和无功功率；确定有功功率参考值和无功功率参考值；

将前k次的功率误差和第k次的给定值相加，作为第k+1次的预测控制值；

根据计算得到的有功功率和无功功率、有功功率参考值和无功功率参考值以及第k+1次的预测控制值，采用模型预测直接功率控制方法，得到α、β坐标系下的预测控制电压矢量，进行坐标变换后，得到直流电压输出。

3.一种链式SVG的基于模型预测控制的混合式分散控制系统，其特征在于，包括服务器，所述服务器包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求2所述的方法。

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