CN112865524A - 一种模块化多电平dc/dc变换器的模型预测控制方法 - Google Patents

一种模块化多电平dc/dc变换器的模型预测控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，用以实现高压侧电流、低压侧电流和桥臂环流的精确控制，包括：建立模块化多电平DC/DC变换器的离散预测模型和被控变量的代价函数，当代价函数达到最小值时获得下一时刻子模块的最佳投切组合。然后根据子模块电容电压的变化规律将子模块分为投入组和切除组，应用归并排序算法对每一桥臂的子模块进行电容电压排序，最终输出子模块的最佳投切组合。本发明通过模型预测控制和归并排序算法，解决了传统的PI控制器无法实现变换器的精确控制，参数整定困难等问题，同时解决了模型预测控制应用在模块化多电平DC/DC变换器时计算量大，无法实时控制等问题。

Description

一种模块化多电平DC/DC变换器的模型预测控制方法
技术领域
本发明属于大功率电力电子变换器技术领域，涉及一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法。
背景技术
近年来，随着高压直流输电的快速发展，直流电网技术受到了广泛的关注。直流电网具有控制灵活和占地面积较小等优点。直流电网不仅可以实现不同区域的大规模新能源接入，还可以实现不同电网间的直流互联，从而实现电能的高效配置。但是由于已投运的直流输电线路具有不同的电压等级，如何实现不同电压等级的直流线路互联互通成为目前直流电网组网的难题。因此可实现能量双向流动的DC/DC变换器是未来直流电网建设的关键设备之一。
模块化多电平DC/DC变换器具有易于拓展、能量可双向流动等优点，通过合理设计每个桥臂子模块个数，该变换器可以实现任意电压等级的变换。同时该变换器还具备双向故障阻断能力，因此该变换器适用于高压大功率直流电能变换场合。
目前模块化多电平DC/DC变换器的控制策略主要为双闭环PI控制，由于模块化多电平DC/DC变换器是一个多输入多输出、强耦合的非线性系统，因此传统的双闭环控制具有参数整定困难、动态响应速度较慢等缺点。模型预测控制(MPC)具有动态响应快、易于实现等优点，可以实现模块化多电平DC/DC变换器的快速有效控制。
发明内容
本发明提供了一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，以解决目前PI控制器存在的参数整定困难，响应速度慢等问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：建立模块化多电平DC/DC变换器的状态空间模型；
步骤2：利用前向欧拉法对系统的状态空间模型进行离散化处理，得到高压侧电流、低压侧电流、桥臂环流的预测方程；
步骤3：根据高压侧电流、低压侧电流、桥臂环流的预测方程建立相应的参考值；
步骤4：根据步骤2和步骤3，设计所控变量的目标函数；
步骤5：设计桥臂电容电压的排序控制方法和系统整体的控制策略，即成。
本发明具有以下有益效果：
(1)建立了模块化多电平DC/DC变换器的简化预测模型，提供了相应控制目标的解析表达式，简化了系统的控制器设计；
(2)将子模块电容电压进行排序控制，降低了目标函数的复杂度和控制器计算量；
(3)最小化了内外桥臂能量交换所需的环流，减小了系统损耗和开关器件应力；
(4)系统的动态响应速度较快，输出电流纹波较小。
附图说明
附图1为本发明提供的模块化多电平DC/DC变换器拓扑结构图。
附图2为本发明采用的模型预测控制策略原理示意图。
附图3为模块化多电平DC/DC变换器高压侧电流示意图。
附图4为模块化多电平DC/DC变换器低压侧电流示意图。
附图5为模块化多电平DC/DC变换器桥臂环流示意图。
附图6为模块化多电平DC/DC变换器子模块电容电压示意图。
以上附图中的符号名称：VdcH，VdcL分别为变换器高压侧和低压侧电压；Idc1，Idc2分别为变换器高压侧和低压侧电流；
Figure BDA0002269790280000011
和
Figure BDA0002269790280000012
分别表示两相外桥臂两端电压；
Figure BDA0002269790280000013
Figure BDA0002269790280000014
和
Figure BDA0002269790280000015
分别表示两相内桥臂两端电压；
Figure BDA0002269790280000016
和
Figure BDA0002269790280000017
分别表示流过两相外桥臂的电流；
Figure BDA0002269790280000018
Figure BDA0002269790280000021
和
Figure BDA0002269790280000022
分别表示流过两相内桥臂的电流；
Figure BDA0002269790280000023
和
Figure BDA0002269790280000024
分别表示流过两相各桥臂中点的输出电流；SMx表示桥臂子模块，其下标x表示子模块的序号。La为桥臂电感，用来抑制故障情况下桥臂故障电流；Lr为回路电感，主要为环流提供流通回路；Lm为输出滤波电感，滤除低压侧输出电流的纹波；Cf为输出滤波电容，主要用来滤除开关谐波。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图对本发明的具体实施方式进行详细地描述。
本发明提供了一种模块化多电平DC/DC变换器的模型预测控制方法，如附图2所示，其控制策略的方法(原理)是：
根据模块化多电平DC/DC变换器的工作原理，建立其数学模型并进行离散化处理，得到变换器的离散预测模型。忽略低压侧滤波器漏感电流，选择高压侧电流和低压侧电流之差、低压侧电流和环流作为控制变量，建立相应的离散预测模型。根据相应控制变量的参考值和采样值，设计模块化多电平DC/DC变换器的模型预测控制器；
采集模块化多电平DC/DC变换器的桥臂电压和桥臂电流，经过相应的变换矩阵变换后送入模型预测控制器，模型预测控制器通过计算得到每个桥臂开通子模块的数量；
电容电压控制器收到模型预测控制器计算的桥臂子模块开通数量，通过排序算法实现桥臂子模块电容电压的均衡，然后将触发脉冲送到模块化多电平DC/DC变换器，从而实现低压侧电流、高压侧电流和环流的精确控制。
本发明提供的一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1：建立模块化多电平DC/DC变换器的数学模型：
根据基尔霍夫电压定律，建立系统的状态空间方程：
Figure BDA0002269790280000025
其中，状态向量x，输入向量u和扰动向量w分别为：
Figure BDA0002269790280000026
w＝[VdcH VdcL]T
状态空间矩阵A、B、N分别表示为：
Figure BDA0002269790280000027
Figure BDA0002269790280000028
Figure BDA0002269790280000029
由式(1)可以看出，状态变量和输入变量之间的耦合性较强。为了解耦状态变量和输入变量之间的耦合，利用模块化多电平DC/DC变换器的对称性，通过坐标变换，将状态变量和输入映射到新的坐标系(Σ-Δ坐标系)，新的状态变量表示为：
Figure BDA00022697902800000210
其中，iΣi和iΣo分别为高压侧和低压侧电流，主要用于高压侧和低压侧之间的能量传输。iΔi为环流，用于内、外桥臂之间交换能量，实现内外桥臂的能量均衡。iΔo为传递到输出侧的滤波器漏感电流。vΣi和vΣo分别为高压侧电压和低压侧电压。vΔi和vΔo分别为驱动环流和滤波器漏感电流的电压。任何一个电流分量受相应的电压分量独立控制。
其中变换矩阵分别为：
Figure BDA0002269790280000031
转换后的模块化多电平DC/DC变换器状态空间模型为：
Figure BDA0002269790280000032
其中各系数矩阵分别为：
Figure BDA0002269790280000033
Figure BDA0002269790280000034
Figure BDA0002269790280000035
为了方便模型的离散化，解耦状态变量之间的强耦合，需要将系数矩阵
Figure BDA00022697902800000312
进行对角化，忽略低压侧滤波器漏感电流，定义新的状态变量z：
Figure BDA0002269790280000036
其中
Figure BDA0002269790280000037
为
Figure BDA0002269790280000038
的右特征向量组成的模态矩阵，z表示为：
z＝[ie ic io 0]T，其中ie＝iΣi-0.5iΣo，ic＝iΔi，io＝iΣo，分别表示为高压侧和低压侧电流之差，环流和低压侧电流。
则新的状态空间方程可以写为：
Figure BDA0002269790280000039
其中，
Figure BDA00022697902800000310
Figure BDA00022697902800000311
Figure BDA0002269790280000041
步骤2：建立模块化多电平DC/DC变换器的离散预测模型：
为了应用于模型预测控制，需要对式(5)的状态空间模型进行离散化处理。
本发明采用前向欧拉离散，离散公式为：
Figure BDA0002269790280000042
其中z(k+1)表示下一步预测值，z(k)表示当前采样值，Ts表示采样周期。
离散后的状态空间方程表示为：
Figure BDA0002269790280000043
步骤3：建立模型预测代价函数：
根据模块化多电平DC/DC变换器控制目标和工作原理，建立模型预测的代价函数为：
Figure BDA0002269790280000044
其中，λ1,λ2,λ3分别为相应控制目标的权重因子，
Figure BDA0002269790280000045
分别为高压侧和低压侧电流之差、环流和低压侧电流的参考值。
其中，高压侧和低压侧电流参考值之差的参考值为0，低压侧电流的参考值为：
Figure BDA0002269790280000046
由于桥臂电感远远小于低压侧滤波电感，环流的参考值可以表示为：
Figure BDA0002269790280000047
其中，
Figure BDA0002269790280000048
分别为内外桥臂的电压幅值，
Figure BDA0002269790280000049
为内外桥臂的电压相位差，ω为基频调制频率。Xa为桥臂电感的感抗，表示为：
Xa＝ωLa (11)
本发明所应用的拓扑由半桥子模块组成，所以桥臂电压必须大于零且不得超过高压侧电压，此约束条件可以表示为：
Figure BDA00022697902800000410
Figure BDA00022697902800000411
通过遍历所有的开关组合，找到使代价函数最小的开关组合作为模型预测控制器的输出，通过调整权重因子来改变相应控制目标的重要程度。
步骤4：利用排序算法实现电容电压的均衡：
在模型预测控制计算得到变换器最优的开关组合之后，利用归并排序算法实现电容电压的均衡，然后生成触发脉冲送到模块化多电平DC/DC变换器中。
根据本发明所述内容，按照图1所示拓扑结构在MATLAB/Simulink中搭建了相应的仿真模型来验证本发明所提算法的可行性和有效性，系统参数如表1所示。
表1仿真参数表
Figure BDA00022697902800000412
Figure BDA0002269790280000051
图3和图4分别表示本发明实施下模块化多电平DC/DC变换器高压侧电流和低压侧电流示意图。由图可以看出，变换器高压侧电流维持在300A左右，变换器低压侧电流维持在600A左右，并且基本不存在纹波电流。
图5为模块化多电平DC/DC变换器桥臂环流示意图。桥臂环流为幅值13kA的正弦电流，用于实现内外桥臂的能量平衡。
图6为模块化多电平DC/DC变换器子模块电容电压示意图。由图可以看出，桥臂子模块电容电压维持在2500V左右，内外桥臂能量达到平衡。
由仿真波形可以看出，本发明提出的模型预测控制方法可以实现对模块化多电平DC/DC变换器的低压侧电流和高压侧电流精确控制，并在平衡桥臂能量的前提下，实现了桥臂环流的最小化。
以上实施方式仅仅为了说明本发明的原理而采用的示范性实施方式，但是本发明的保护范围并不仅限于此种实施方式。在不脱离本发明的实质的情况下，其各种变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立模块化多电平DC/DC变换器的数学模型：
Figure FDA0002269790270000011
z＝[ie ic io 0]T，其中ie＝iΣi-0.5iΣo，ic＝iΔi，io＝iΣo，分别表示为高压侧和低压侧电流之差，环流和低压侧电流。
Figure FDA0002269790270000012
分别为相应的系数矩阵；
步骤2：建立模块化多电平DC/DC变换器的离散预测模型：
采用前向欧拉离散，离散后的预测模型为：
Figure FDA0002269790270000013
其中z(k+1)表示下一步预测值，z(k)表示当前采样值；
步骤3：建立模型预测代价函数：
建立模型预测的代价函数为：
Figure FDA0002269790270000014
λ1,λ2,λ3分别为相应控制目标的权重因子，
Figure FDA0002269790270000015
分别为高压侧和低压侧电流之差、环流和低压侧电流的参考值；
步骤4：利用归并排序算法实现电容电压的均衡：
在模型预测控制计算得到变换器最优的开关组合之后，利用归并排序算法实现电容电压的均衡，然后生成触发脉冲送到模块化多电平DC/DC变换器中。
2.根据权利要求1所述的模型预测控制方法，其特征在于，所述获得模块化多电平DC/DC变换器的数学模型的步骤包括：
步骤1：根据基尔霍夫电压定律，建立系统的状态空间方程：
Figure FDA0002269790270000016
其中，状态向量x，输入向量u和扰动向量w分别为：
Figure FDA0002269790270000017
w＝[VdcH VdcL]T
步骤2：解耦状态变量和输入变量之间的耦合：
为了解耦状态变量和输入变量之间的耦合，通过坐标变换，将状态变量和输入变量映射到新的坐标系(Σ-Δ坐标系)，变换后的状态变量为：
Figure FDA0002269790270000018
其中，iΣiiΣo分别为高压侧和低压侧电流，iΔi为环流，iΔo为传递到输出侧的滤波器漏感电流。vΣi、vΣo、vΔi和vΔo分别为驱动相应电流的电压。VdcH和VdcL分别为变换器高压侧电压和低压侧电压；
步骤3：解耦状态变量之间的耦合：
为了方便模型的离散化，需要将系数矩阵
Figure FDA0002269790270000019
进行对角化，忽略低压侧滤波器漏感电流，定义新的状态变量z：
Figure FDA00022697902700000110
其中z＝[iΣi-0.5iΣo iΔiiΣo 0]T，
Figure FDA00022697902700000111
为
Figure FDA00022697902700000112
的右特征向量组成的模态矩阵的逆矩阵；
则得到新的变换器状态空间方程：
Figure FDA00022697902700000113
其中
Figure FDA00022697902700000114
3.根据权利要求1所述的模型预测控制方法，其特征在于，所述获得的模块化多电平DC/DC变换器的离散预测模型：
本发明采用前向欧拉离散，离散后的状态空间方程表示为：
Figure FDA0002269790270000021
根据模块化多电平DC/DC变换器控制目标和工作原理，建立模型预测的代价函数：
Figure FDA0002269790270000022
λ1,λ2,λ3分别为相应控制目标的权重因子，
Figure FDA0002269790270000023
分别为高压侧和低压侧电流之差、环流和低压侧电流的参考值。
4.根据权利要求1所述的模型预测控制方法，其特征在于，所述的电容电压排序算法为归并排序算法，该算法根据子模块的电容电压的变化规律，对子模块进行分组归并排序，然后对步骤2、3和4得到的子模块切换状态进行重新分配，保证子模块电容电压的平衡。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115622465A (zh) * 2022-11-18 2023-01-17 西南交通大学 一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法
CN116865532A (zh) * 2023-09-05 2023-10-10 国网山西省电力公司临汾供电公司 一种采用模型预测控制的交直变换器的控制方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115622465A (zh) * 2022-11-18 2023-01-17 西南交通大学 一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法
CN115622465B (zh) * 2022-11-18 2023-04-11 西南交通大学 一种多电平变流器无权重因子模型预测控制方法
CN116865532A (zh) * 2023-09-05 2023-10-10 国网山西省电力公司临汾供电公司 一种采用模型预测控制的交直变换器的控制方法
CN116865532B (zh) * 2023-09-05 2023-11-24 国网山西省电力公司临汾供电公司 一种采用模型预测控制的交直变换器的控制方法

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