模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法与流程

本发明涉及变流器控制领域，具体地，涉及一种模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法。

背景技术：

模块化多电平变流器高压直流输电系统(Modular Multilevel Converter High Voltage Direct Current Transmission，MMC-HVDC)因其具有良好的电能传输质量、灵活的功率调节能力及结构简单、易于拓展等特性，在海上风电等可再生新能源发电并网和长距离柔性直流输电场合得到广泛应用。MMC因其采用模块化子模块拓扑结构，相比传统的两电平电压源型变流器，须在运行时额外考虑子模块电容均压控制。已有MMC模型预测控制方法通过计算并比较不同开关状态下的预测电流，选取最优开关状态，需要进行多次计算。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流参考值计算下一时刻t+T_s相电压的最优值；

步骤2：根据模块化多电平变流器的桥臂内部电流参考值计算下一时刻t+T_s每相被开通的子模块电容电压之和的最优值；

步骤3：分别计算模块化多电平变流器的上、下桥臂子模块电容电压的平均值，为上桥臂子模块电容电压平均值，为下桥臂子模块电容电压平均值；

步骤4：根据桥臂电流方向和子模块电容电压大小对子模块进行排序；

步骤5：计算t+T_s时刻上下桥臂需开通子模块的数量；选择对应的子模块作为开通子模块；并输出触发指令控制开通子模块以及其余子模块的开断；

步骤6：每隔采样时间T_s，重复步骤1至步骤5；当模块化多电平变流器关闭时，结束。

优选地，所述步骤1中相电压最优值的计算公式为：

$e_j(t+T_s)=u_s\left(t\right)+R^{\′}i\left(t\right)+L^{\′}\frac{i_j^{*}(t+T_s)-i_j\left(t\right)}{T_s}$

式中，e_j(t+T_s)为t+T_s时刻相电压的最优值，下标j＝a,b,c，表示对应的相序，L′表示MMC系统等效电感，R′表示MMC系统等效电阻，T_s表示采样时间间隔，t表示当前时刻，u_sj(t)表示t时刻交流侧相电压测量值，i_j(t)为t时刻相电流的测量值。

优选地，所述步骤2中各相子模块电容电压之和最优值的计算公式为：

$V_{sumj}(t+T_s)=V_{dc}\left(t\right)-2L_b\frac{i_{diffj}^{*}(t+T_s)-i_{diffj}\left(t\right)}{T_s}$

式中，V_sumj(t+T_s)为t+T_s时刻子模块电容电压之和最优值，V_dc(t)为直流母线电压，L_b为MMC桥臂电感，为桥臂内部电流参考值，i_difjf(t)为桥臂内部电流。

优选地，所述步骤4包括：

当上桥臂的电流i_pj(t)大于0(方向为正)，则将上桥臂子模块根据子模块电容电压大小升序排列；

当下桥臂的电流i_nj(t)大于0(方向为正)，则将下桥臂子模块根据子模块电容电压大小升序排列；

当上桥臂的电流i_pj(t)小于0(方向为负)，则将上桥臂子模块根据子模块电容电压大小降序排列；

当下桥臂的电流i_nj(t)小于0(方向为负)，则将下桥臂子模块根据子模块电容电压大小降序排列；

其中，排列后上桥臂的第i个子模块电容电压值记为：V_cpj(i)；排列后下桥臂的第i个子模块电容电压值记为：V_cnj(i)；将上桥臂重新排列后的子模块的序号存入数组index_pj(i)，将下桥臂重新排列后的子模块的序号存入数组index_nj(i)，其中且i的范围为[1,2,…,N]，N为各相桥臂拥有的子模块数量。

优选地，所述步骤5包括：计算t+T_s时刻上下桥臂需开通子模块的数量，计算公式如下：

$N_p^{*}=round\left(\frac{V_{sumj}(t+T_s)-e_j(t+T_s)}{2{\stackrel{\‾}{V}}_{pj}\left(t\right)}\right)$

$N_n^{*}=round\left(\frac{V_{sumj}(t+T_s)+e_j(t+T_s)}{2{\stackrel{\‾}{V}}_{nj}\left(t\right)}\right)$

式中，为上桥臂需开通子模块的数量，为下桥臂需开通子模块的数量，round()为四舍五入取整函数。

选取index_pj(i)(index_nj(i))数组中index_pj(1)，index_pj(2)，…，(index_nj(1)，index_nj(2)，…，)对应序号的子模块作为投入子模块。对被选择的投入的子模块，给出上开关管导通、下开关管关断的触发指令；对其余子模块，给出上开关管关断、下开关管导通的触发指令。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、根据本发明提供的模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法，在对MMC进行控制时，不需要针对不同开关状态进行多次计算，而直接根据参考电流得出最优开关，提升了算法的计算效率。

2、根据本发明提供的模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法，在计算最优开关状态时引入了实时子模块电容电压的平均值，使得开关状态的选择精度提高，从而降低输出电压的谐波含量，改善电能质量。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为应用本发明提供的方法的三相MMC系统结构图；

图2为图1所示MMC系统的三相电流Iabc动态响应仿真波形图；

图3为实施例中MMC系统直流电流Idc动态响应仿真波形图；

图4为实施例中MMC系统有功功率P和无功功率Q的动态响应仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种模块化多电平变流器逆向模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流参考值计算下一时刻t+T_s相电压的最优值；

步骤2：根据模块化多电平变流器的桥臂内部电流参考值计算下一时刻t+T_s每相被开通的子模块电容电压之和的最优值；

步骤3：分别计算模块化多电平变流器的上、下桥臂子模块电容电压的平均值，为上桥臂子模块电容电压平均值，为下桥臂子模块电容电压平均值；

步骤4：根据桥臂电流方向和子模块电容电压大小对子模块进行排序；

步骤5：计算t+T_s时刻上下桥臂需开通子模块的数量；选择对应的子模块作为开通子模块；并输出触发指令控制开通子模块以及其余子模块的开断；

步骤6：每隔采样时间T_s，重复步骤1至步骤5；当模块化多电平变流器关闭时，结束。

具体的：

步骤1中相电压最优值的计算公式为：

$e_j(t+T_s)=u_s\left(t\right)+R^{\′}i\left(t\right)+L^{\′}\frac{i_j^{*}(t+T_s)-i_j\left(t\right)}{T_s}$

式中，e_j(t+T_s)为t+T_s时刻相电压的最优值，下标j＝a,b,c，表示对应的相序，L′表示MMC系统等效电感，R′表示MMC系统等效电阻，T_s表示采样时间间隔，t表示当前时刻，u_sj(t)表示t时刻交流侧相电压测量值，i_j(t)为t时刻相电流的测量值。

本实施例中，三相MMC系统结构图如图1所示，直流电压为V_dc＝20000V，采样间隔为T_s＝50μs,MMC系统等效电感L′＝12.5mH，MMC系统等效电阻R′＝0.1Ω。

步骤2中各相子模块电容电压之和最优值的计算公式为：

$V_{sumj}(t+T_s)=V_{dc}\left(t\right)-2L_b\frac{i_{diffj}^{*}(t+T_s)-i_{diffj}\left(t\right)}{T_s}$

式中，V_sumj(t+T_s)为t+T_s时刻子模块电容电压之和最优值，V_dc(t)为直流母线电压，L_b为MMC桥臂电感，为桥臂内部电流参考值，i_diffj(t)为桥臂内部电流。

本实施例中，桥臂电感L_b＝15mH。

步骤3：分别计算模块化多电平变流器的上、下桥臂子模块电容电压的平均值，为上桥臂子模块电容电压平均值，为下桥臂子模块电容电压平均值；

本实施例中，各桥臂子模块的数量为20。

步骤4中：

当上桥臂的电流i_pj(t)大于0(方向为正)，则将上桥臂子模块根据子模块电容电压大小升序排列；

当下桥臂的电流i_nj(t)大于0(方向为正)，则将下桥臂子模块根据子模块电容电压大小升序排列；

当上桥臂的电流i_pj(t)小于0(方向为负)，则将上桥臂子模块根据子模块电容电压大小降序排列；

当下桥臂的电流i_nj(t)小于0(方向为负)，则将下桥臂子模块根据子模块电容电压大小降序排列；

其中，排列后上桥臂的第i个子模块电容电压值记为：V_cpj(i)；排列后下桥臂的第i个子模块电容电压值记为：V_cnj(i)；index_pj(i)(index_nj(i))为排列后的子模块电容电压对应的原始序号。将上桥臂重新排列后的子模块的序号存入数组index_pj(i)，将下桥臂重新排列后的子模块的序号存入数组index_nj(i)，其中且i的范围为[1,2,…,N]，N为各相桥臂拥有的子模块数量。

步骤5中：计算t+T_s时刻上下桥臂需开通子模块的数量，计算公式如下：

$N_{pj}^{*}=round\left(\frac{V_{sumj}(t+T_s)-e_j(t+T_s)}{2{\stackrel{\‾}{V}}_{pj}\left(t\right)}\right)$

$N_{nj}^{*}=round\left(\frac{V_{sumj}(t+T_s)+e_j(t+T_s)}{2{\stackrel{\‾}{V}}_{nj}\left(t\right)}\right)$

式中，为上桥臂需开通子模块的数量，为下桥臂需开通子模块的数量，round()为四舍五入取整函数。

选取index_pj(i)(index_nj(i))数组中index_pj(1)，index_pj(2)，…，(index_nj(1)，index_nj(2)，…，)对应序号的子模块作为投入子模块。对被选择的投入的子模块，给出上开关管导通、下开关管关断的触发指令；对其余子模块，给出上开关管关断、下开关管导通的触发指令。

步骤6：每隔采样时间T_s，重复步骤1至步骤5；当模块化多电平变流器关闭时，结束。

本实施例中，应用本发明所述方法，仿真所得三相电流响应波形如图2所示，直流电流响应波形如图3所示，功率响应波形如图4所示。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。