CN113452069A - 一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，首先结合连接无源网络的VSC换流器的拓扑结构建立二步离散预测模型，然后以交流电压跟踪为控制器首要目标，以降低开关频率为次要目标，构造相应的代价函数，设计得到VSC逆变站的二步模型预测控制器。所述方法避免了传统PI调节器的参数整定环节，对一步模型预测进行了延时补偿，在无源负荷波动时响应速度快，能有效改善电能质量，提高控制系统的鲁棒性，由于引入了直流电容电流前馈，在逆变器直流侧电压出现波动时，能使得交流电压能更快的恢复稳定。

Description

一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法

技术领域

本发明属于电力工程技术领域。具体涉及一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法。

背景技术

海上钻井平台和孤岛等无源网络的用电负荷波动较大，为保证无源网络的正常运行，VSC逆变站必须提供稳定的交流电压支撑。传统的PI双闭环控制器，PI参数整定麻烦，在负荷波动下响应较慢。模型预测控制无需PWM调制和PI整定环节，响应速度快，但是目前的常用的一步模型预测控制，在k时刻计算k+1时刻的代价函数，将使代价函数最小的开关状态运用于k时刻，忽略了采样、计算和实施控制带来的延时，难以实际应用。

发明内容

本发明通过推导二步模型预测函数，构造合理的代价函数，采用遍历法，在k时刻计算k+2时刻计算所有开关状态下的代价函数，将使代价函数最小的开关状态作用于k+1时刻，从而补偿采样、计算和实施控制带来的延时。

本发明提供的技术方案是：

一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤1：根据VSC逆变器拓扑结构建立离散数学模型，对第k时刻的相关电气量参数进行采样和测量，其中包括逆变侧三相电流i₀(k)、负载三相电流i_s(k)、负载三相电压u₀(k)、逆变侧的直流电压u_dc(k)、直流侧电容电流i_c(k)；

步骤2：根据一步预测模型函数式(7)以及8种可能的开关状态结合步骤1中采样的参数计算k+1时刻的交流电压预测值u₀(k+1)；

步骤3：根据直流侧电容电流前馈式，代入k时刻的采样值u_dc(k)、i_c(k)，计算得到k+1时刻的直流电压预测值u_dc(k+1)；

步骤4：根据二步预测函数式(12)，代入k+1时刻的预测值u₀(k+1)、u_dc(k+1)，计算k+2时刻的交流电压预测值u₀(k+2)；

步骤5：计算二步预测的代价函数式，计算代价函数值g；

步骤6：利用三相系统变量的矢量角原理对二步预测控制的参考值式进行计算；

步骤7：采用遍历法对代价函数式进行滚动优化计算所有开关组合下的输出预测值和对应的代价函数值g，循环计算比较后选择最小代价函数值g_min所对应的k+1时刻的开关状态信号，作用于VSC逆变器；

步骤8：在下一个采样周期k时刻到k+1时刻时重复步骤1～步骤7。

在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，一步预测模型函数基于以下公式：

式中

在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，带直流侧电容电流前馈的二步预测模型函数基于以下公式：

在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，利用三相系统的矢量角原理得到二步预测的参考值，基于以下公式：

其中，

为(k+2)时刻交流母线电压参考值的预测值；

为k时刻交流母线电压参考值的矢量幅值；ω为其旋转角速度；T_s为采样周期。

在上述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，代价函数基于以下公式：

式中λ_u、λ_v为权重系数；电压

和

为参考电压矢量

的实部和虚部；u_0α(k+2)和u_0β(k+2)为预测电压矢量u₀(k+2)的实部和虚部；对代价函数式进行滚动优化计算所有开关组合下的输出预测值和对应的代价函数值g，循环计算比较后选择最小代价函数值g_min所对应的k+1时刻的开关状态信号。

因此，本发明具有如下优点：1、本发明为解决一步预测中采样、计算和实施控制产生的延时问题，提出多步模型预测控制策略，实现延时补偿。2、当逆变器直流侧电压出现波动时，在二步预测控制算法中引入的直流侧电容电流前馈，能在直流电压波动时，使得交流电压能更快地恢复稳定。

附图说明

图1为VSC逆变器拓扑图。

图2为二步模型预测控制流程图。

具体实施方式

首先介绍本发明的方法原理。

首先推导逆变侧交流母线电压的二步模型预测函数。

根据图1所示的VSC逆变器拓扑结构和参考方向，结合基尔霍夫电流和电压定律，可得VSC逆变器在三相静止坐标下的数学模型为

式中u_0a、u_0b、u_0c——负载三相交流电压矢量

i_0a、i_0b、i_0c——VSC换流器三相交流电流矢量

i_sa、i_sb、i_sc——负载三相交流电流矢量

u_dc——直流侧直流电压

开关函数s_n反应了逆变器每一相桥臂的开关状态，定义为

令s_x＝[s_a s_b s_c]^T表示VSC逆变器三相桥臂的开关组合，总共存在8种状态，取值如下：

根据Clark公式可得到s_x＝[s_xα s_xβ]^T有以下8个状态组合，总共7种不同的开关组合：

采用Clark公式将式(1)变换到αβ两相静止坐标系中得

将两相静止坐标系的数学模型式(5)改写成状态方程的形式为

式中，X为状态变量；u_dcs_x为输入量，i_s为扰动量；A、B、B_d为相应的系数矩阵。

假设在一个采样周期kT_s内，输入量u_dcs_x和扰动量i_s均保持不变，状态方程离散化可得一步模型预测函数为

假设在kT_s到(k+1)T_s一个采样周期内，扰动变量i_s不变，即i_s(k+1)＝i_s(k)，则可推导逆变站交流电压二步模型预测函数为

当VSC-HVDC系统向无源网络稳定供电时，常默认k时刻和k+1时刻的直流电压是相等的，即u_dc(k+1)≈u_dc(k)，若直流侧存在功率变化或短时故障时，此时输入逆变器的直流电压会产生波动，进而使得输出的交流电压波形质量变差。

现推导u_dc(k+1)与u_dc(k)间关系。直流电容电流公式为式(9)，u_c(k)表示k时刻的直流电容电压采样值，i_c(k)表示k采样时刻直流电容电流采样值，u_c(k+1)是k+1时刻的直流电容电压采样值，则可得k+1时刻直流电容电压的预测值为式(10)。最后将式(10)代入二步预测式(8)整理可得逆变站交流母线电压二步模型预测式为(11)。二步模型预测控制中引入了直流侧电容电流前馈，使得在直流电压短时故障波动时，交流电压能更快的恢复稳定。

然后构造合理的代价函数。

VSC逆变器的首要控制目标是让负载侧的交流电压稳定在额定值附近，为了实现负载交流电压的有效跟踪，选择交流电压参考值与预测变量误差的平方和为主要跟踪项构建代价函数为

其次，为了降低开关损耗，提高换流器的效率，选择与开关频率相关的目标项为次要项，结合两项构造代价函数为：

式中λ_u、λ_v为权重系数；电压

和

为参考电压矢量

的实部和虚部；u_0α(k+2)和u_0β(k+2)为预测电压矢量u₀(k+2)的实部和虚部，次要项n_sw为当前时刻的开关状态转向下一时刻的开关状态所涉及的开关次数和。

在二步预测控制中认为

则会带来误差，所以需要对参考电压的未来值进行估计。

代价函数的定义是预测变量与下一个采样时刻参考值之间的误差。通常情况下，默认代价函数中的参考值是保持不变的，然而在瞬时及采样正弦参考时，参考值的相位会出现一定偏差，受控变量和参考变量将会出现延时，所以需要估计未来参考值来提高控制精度。

考虑到三相系统的矢量表示法后，可以将一次采样时间的矢量角变化来补偿未来参考值的误差，则k时刻的电压参考值可表示为

式中，

是k时刻的电压幅值；θ(k)是k时刻的矢量角。

处于稳态时，假设该矢量角以角速度ω旋转并保持幅值不变，则k+1时刻的参考矢量角可通过下式计算：

θ(k+1)＝θ(k)+ωT_s (15)

结合式(14)、(15)和

未来参考值矢量估算如下：

将式(14)代入式(16)得到：

同样也可以估算

的未来参考值，可得

代价函数式(13)中约束项的权重将按照以下方法来选取：

本发明构建的代价函数中主要目标项为交流电压跟踪，可以将其权重系数λ_u直接设置为1。本发明选取的次要评价指标为VSC逆变器的平均开关频率。如式(19)，式中f_sk为第k相桥臂两个电力电子开关在一段时间内的平均开关频率，同时采用负载电压的总谐波畸变率(THD)为辅助评价指标。

次要项的权重系数λ_v取值由0开始，每次仿真后逐渐增大数值，观察平均开关频率和负载电压THD的变化趋势，既要保证负载电压质量所受影响较小，同时兼顾降低开关频率的效果，本发明λ_v最终选取0.13。

最后采用上述的理论进行预测，包含以下八个执行步骤：

步骤一：根据VSC逆变器拓扑结构建立离散数学模型，对第k时刻的相关电气量参数进行采样和测量，其中主要包括i₀(k)、i_s(k)、u₀(k)、u_dc(k)、i_c(k)，为一步预测做准备。

步骤二：根据一步预测模型函数式(7)以及8种可能的开关状态结合采样的相关参数计算k+1时刻的交流电压预测值u₀(k+1)。

步骤三：根据直流侧电容电流前馈式(11)，代入k时刻的采样值u_dc(k)、i_c(k)，计算得到k+1时刻的直流电压预测值u_dc(k+1)。

步骤四：根据构建的二步预测函数式(12)，代入k+1时刻的预测值u₀(k+1)、u_dc(k+1)，计算k+2时刻的交流电压预测值u₀(k+2)。

步骤五：计算二步预测的代价函数式(14)，计算代价函数值g。

步骤六：利用三相系统变量的矢量角原理对二步预测控制的参考值式(19)进行计算。

步骤七：采用遍历法对代价函数式进行滚动优化计算所有开关组合下的输出预测值和对应的代价函数值g，循环计算比较后选择最小代价函数值g_min所对应的k+1时刻的开关状态信号，作用于VSC逆变器。

步骤八：在下一个采样周期时重复步骤一～步骤七。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (5)

1.一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，其特征在于，

包括以下步骤：

步骤1：根据VSC逆变器拓扑结构建立离散数学模型，对第k时刻的相关电气量参数进行采样和测量，其中包括逆变侧三相电流i₀(k)、负载三相电流i_s(k)、负载三相电压u₀(k)、逆变侧的直流电压u_dc(k)、直流侧电容电流i_c(k)；

步骤2：根据一步预测模型函数式(7)以及8种可能的开关状态结合步骤1中采样的参数计算k+1时刻的交流电压预测值u₀(k+1)；

步骤3：根据直流侧电容电流前馈式，代入k时刻的采样值u_dc(k)、i_c(k)，计算得到k+1时刻的直流电压预测值u_dc(k+1)；

步骤4：根据二步预测函数式(12)，代入k+1时刻的预测值u₀(k+1)、u_dc(k+1)，计算k+2时刻的交流电压预测值u₀(k+2)；

步骤5：计算二步预测的代价函数式，计算代价函数值g；

步骤6：利用三相系统变量的矢量角原理对二步预测控制的参考值式进行计算；

步骤7：采用遍历法对代价函数式进行滚动优化计算所有开关组合下的输出预测值和对应的代价函数值g，循环计算比较后选择最小代价函数值g_min所对应的k+1时刻的开关状态信号，作用于VSC逆变器；

步骤8：在下一个采样周期k时刻到k+1时刻时重复步骤1～步骤7。

2.根据权利要求1所述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，其特征在于，一步预测模型函数基于以下公式：

式中

3.根据权利要求1所述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，其特征在于，带直流侧电容电流前馈的二步预测模型函数基于以下公式：

4.根据权利要求1所述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，其特征在于，利用三相系统的矢量角原理得到二步预测的参考值，基于以下公式：

其中，

为(k+2)时刻交流母线电压参考值的预测值；

为k时刻交流母线电压参考值的矢量幅值；ω为其旋转角速度；T_s为采样周期。

5.根据权利要求1所述的一种向无源网络供电的逆变站多步模型预测控制方法，其特征在于，代价函数基于以下公式：

式中λ_u、λ_v为权重系数；电压

和

为参考电压矢量

的实部和虚部；u_0α(k+2)和u_0β(k+2)为预测电压矢量u₀(k+2)的实部和虚部；对代价函数式进行滚动优化计算所有开关组合下的输出预测值和对应的代价函数值g，循环计算比较后选择最小代价函数值g_min所对应的k+1时刻的开关状态信号。

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