模块化多电平变流器模型预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种控制方法，具体地，设及一种模块化多电平变流器模型预测控制 方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平变流器（Mo化larMultilevelConverter,MMC)义用模块化设计子 模块的级联结构形式，具有灵活的可扩展特性，同时相对于传统的两电平电压源型变流器 它具有输出特性好、谐波含量低、无需交流滤波器、更适于电压等级高的场合等优点，从而 被越来越多地应用于VSC-HVDC系统中。
[0003] 经对现有文献检索发现，《中国电机工程学报》上发表了题为"采用载波移相 技术的模块化多电平变流器电容电压平衡控制"的文章，该文提出采用与传统两电平 VSC-HVDC系统相近的双闭环控制策略调节直流电压和功率，并引入包含两个比例积分 (ProportionalIntegral,PI)控制器的能量均分控制和一个比例控制器的电压均衡控制 来实现环流抑制和电压均衡控制。该方法可W实现电压均衡控制，但是只能抑制而无法完 全消除桥臂环流中的二倍频负序分量，并且该方法采用了多个参数控制器，系统参数整定 复杂，实现困难。
[0004]《IE邸TransactionsonPowerDelivery》上发表了题为"PredictiveControl ofaModularMultilevelConverterforaBack-t〇-BackHVDCSystem(背靠背模块化多 电平HVDC系统的预测控制）"提出了一种MMC模型预测控制（ModelPredictiveControl， MPC)方法，通过计算不同开关组合的代价函数来选取最优的开关组合，实现相电流控制、桥 臂环流抑制及子模块均压控制，避免复杂的参数整定，简化系统的控制结构。但是该方法对 单个桥臂包含N个子模块的MMC进行控制时每相需考虑的开关组合数为，在电平数较多情 况下计算量极大，难W实现，缺少实用性。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明目的是提供一种模块化多电平变流器模型预测控 制方法，采用分层控制的策略，通过分别建立对应的代价函数实现MMC的相电流控制、桥臂 环流抑制及电压均衡控制，同时对相电流控制的稳态误差进行了理论分析并提出了补偿措 施。该方法不仅不需要参数整定，而且结构简单，计算量适中，易于数字实现，更适应于MMC 灵活可拓展的特性。
[0006] 根据本发明提供的一种模块化多电平变流器模型预测控制方法，其包括W下步 骤：
[0007] 步骤1 ;根据模块化多电平变流器MMC向交流侧传输的有功功率指令值产、无功 功率指令值矿，计算dq坐标系下d轴电流参考值C，C= 2户/快，，,），计算q轴电流参考值 !';，=-巡*/所,），其中Vsd为交流侧d轴电压；
[000引步骤2 ;对步骤1计算得到的d轴电流参考值<、q轴电流参考值 进行校正，分 别得到校正后的d轴电流参考值iduf、校正后的q轴电流参考值iquf;
[0009] 步骤3;对idref、iqre进行坐标变换，得到t+T拥刻的A相电流参考值饼+ 7：)、B 相电流参考值+巧、C相电流参考值CO+巧，其中t为当前时刻，L为采样时间间隔；
[0010] 步骤4;计算各个Vj. (t+ig值下t+L时刻的相电流预测值ij. (t+ig，其计算式为：
[0011]
【主权项】
1. 一种模块化多电平变流器模型预测控制方法，其特征在于，其包括以下步骤： 步骤1 :根据模块化多电平变流器MMC向交流侧传输的有功功率指令值P'无功功 率指令值Q%计算dq坐标系下d轴电流参考值(;，C =2PV(：3vsrf)，计算q轴电流参考值 G，<= -20V (3~），其中Vsd为交流侧d轴电压； 步骤2 :对步骤1计算得到的d轴电流参考值tq轴电流参考值<进行校正，分别得到 校正后的d轴电流参考值idmf、校正后的q轴电流参考值ivef; 步骤3 :对idMf、进行坐标变换，得到t+Ts时刻的A相电流参考值CP+ ?：)、B相电 流参考值(6(# + [)、c相电流参考值C0 + 7；)，其中t为当前时刻，Ts为采样时间间隔； 步骤4 :计算各个Vj(t+Ts)值下t+Ts时刻的相电流预测值ij(t+Ts)，其计算式为：
其中下标j=a,b,c表示对应相序，即对a,b,c三相均采取相同的操作步骤，U表 示MMC系统等效电感，R'表示MMC系统等效电阻，Ts表示采样时间间隔，t表示当前时 亥Ij，Vsj⑴表示t时刻交流侧相电压测量值，ij(t)为j所对应相序的相电流的测量值， Vj (t+Ts)表示t+Ts时亥Ij模块化多电平变流器MMC的j所对应相序输出相电压的可能值，其
含的子模块数量，Vd。为直流母线电压； 步骤5:根据步骤3计算得到的三相电流参考值〇 + !：)、《(^7：)、C(^rs)和步骤4计 算得到的相电流预测值L(t+Ts)，计算各个\(t+Ts)的值对应的代价方程值1，计算式为： 其中，j=a,b,c「)表示由步骤3计算得到的t+Ts时刻j所对应相序的相电流参 考值； 步骤6 :比较各个Vj (t+Ts)的值对应的代价方程值J1，选取J1的值最小的对应相序输 出相电压的可能值Vj(t+Ts)作为该相序t+Ts时刻的相电压输出值，记为v> + 0;
步骤8 :计算不同补偿电平Vdiff下的MMC中桥臂内部电流预测值id_ (t+Ts)，计算式如 下：
感值山_(t+Ts)表示t+Ts时刻MMC中桥臂内部电流预测值，id_(t)表示t时刻MMC中桥 臂内部电流测量值； 步骤9 :根据步骤8计算得到的桥臂内部电流预测值idi_ (t+Ts)，计算各个补偿电平Vdiff对应的代价方程值J2，计算式为：
其中4(f+rs)为t+Ts时刻直流侧电流参考值； 步骤10 :比较各个补偿电平Vdiff对应的代价方程值J2，选取对应的上值最小的补偿电 平Vdiff作为t+T3时刻的补偿电平，记为Gffi; 步骤11 :计算MMC中上桥臂需要投入的子模块数量Nw.，计算式为：
其中Vc^a)表示t时刻子模块电容电压的测量值，Li (t+Ts)表示t+Ts时刻子模块电 容电压的预测值，下标i表示子模块的编号，下标j=a,b,c表示对应相序，ikj⑴表示t时 刻子模块所在桥臂的电流测量值，当下标k为p时iw(t)表示子模块所在上桥臂的电流测 量值，当下标k为n时(t)表示子模块所在下桥臂的电流测量值，C为子模块的电容值； 步骤13 :计算MMC的桥臂中各个子模块的代价方程值J3，计算式如下：
步骤14 :比较桥臂中各个子模块的代价方程值J3，从上桥臂中按照上值从小到大的顺 序选取Nw.个子模块投入，从下桥臂中按照J3值从小到大的顺序选取N个子模块投入；对 被选择投入的子模块，给出上开关管导通、下开关管关断的触发指令；对桥臂中的其余子模 块，给出上开关管关断、下开关管导通的触发指令； 步骤15 :每隔Ts时间，重复步骤1到步骤14。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器模型预测控制方法，其特征在于，步骤2 中采取的校正计算式为：
其中I、K2为校正系数，K1=WTS/V，K2=QTs，W为MMC系统等效电阻，U为MMC系统等效电感，U为电网电压的角频率。
3. 根据权利要求2所述的模块化多电平变流器模型预测控制方法，其特征在于，步骤3 中采取的坐标变换形式为：
其中t表示当前所处时刻，Ts表示采样时间间隔，0 =wt表示交流侧A相电压的相 位角。
4. 根据权利要求1所述的模块化多电平变流器模型预测控制方法，其特征在于，步骤9 中t+Ts时刻直流侧电流参考值的计算式为：4^ + ：?：) = /^/匕，直流侧功率参考值P2的计算
【专利摘要】本发明提出一种模块化多电平变流器模型预测控制方法，其包括以下步骤：根据功率指令计算dq轴参考电流；对dq轴参考电流进行误差校正；通过相电流预测值计算代价方程，选取最优相电压；通过桥臂内部电流预测值计算代价方程，选取最优补偿电平；确定各桥臂需投入子模块数量；根据子模块电容电压预测值计算代价方程，确定各桥臂被投入的子模块；对被选择投入的子模块，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。本发明不仅降低了模型预测控制在MMC控制中的计算量，且通过参考电流校正提升了相电流控制的稳态精度，整体结构简单，更适应MMC灵活可拓展的特性。
【IPC分类】H02M7-483
【公开号】CN104716856
【申请号】CN201510117469
【发明人】林环城, 王志新
【申请人】上海交通大学
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2015年3月17日