一种mmc?hvdc低频模型预测控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种MMC?HVDC低频模型预测控制方法，该方法将模型预测控制用于MMC?HVDC，该方法包括下列步骤：根据交流侧电流的预测模型确定上下桥臂的投入子模块数目；根据得到的上下桥臂的投入子模块数目，进行开关状态的优化；基于电容电压平衡和环流抑制这两个控制目标来确定指标函数；将优化后的开关状态代入确定的指标函数进行筛选，选出指标函数最小值对应的开关状态，并根据选中的开关状态确定投入相应的模块。与现有技术相比，本发明具有开关状态计算次数少、不用设置比例系数、开关频率低、电流谐波畸变率低等优点。
【专利说明】
-种剛C-HVDC低频模型预测控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种应用于模块化多电平高压直流输电系统的模型预测控制低频控 审巧法，尤其是设及一种MMC-HVDC低频模型预测控制方法。
【背景技术】
[0002] 随着新能源的大规模接入为电力系统的稳定带来困难，HVDC(high voltage direct current)和FACTS(flexible alternative current transmission systems)的大 规模使用可W在增强电网的供电可靠性、减小输电线路损耗、增加输电线路的输电容量、为 清洁能源的大规模接入提供保障W及提高系统电能质量等方面发挥重要作用，由于具备模 块化结构、易拓展、高效率、输出谐波小等特点，MMC(modular multilevel converter)模块 化多电平拓扑被认为是一种最适合应用于高压大功率电能变换与传输的多电平换流器拓 扑。
[0003] 模型预测控制是近年发展起来的一种新控制方法，利用系统离散模型，通过设置 指标函数直接选择开关状态，实现目标变量的直接跟踪控制。模型预测控制在MMC拓扑结构 中的研究也是当前的研究热点，引起了国内外学者的大量研究。J.Qin等人在IEEE Trans on Power Delivery期刊上发表的《Predictive Control of a Modular Multilevel Conve;rter for a Back-to-Back HVDC System》最先将模型预测控制用于MMC-HVDC，通过 对指标函数权重系数的合理设计，很好的实现了多个系统参数的协调控制，但该方法存在 的问题是系统寻优计算量大、平均开关频率高、系统损耗大;J.W.Moon等人在IE趾Trans on F*ower Deliveiy期刊发表的《Model Predictive Control With a Reduced Number of Considered States in a Modular Multilevel Converter for HVDC System》通过优化 开关状态大幅减少开关状态组合个数，上下桥臂投入模块数同时调节(加一个或减一个)来 控制环流，再使用排序法实现电容电压平衡控制，该方法一定程度上减少了系统计算量和 平均开关频率，但较大的系统运算量使数字控制仍然难W实现。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对上述问题提供一种匪C-HVDC低频模型预测控制方法。
[0005] 本发明的目的可W通过W下技术方案来实现：
[0006] 一种匪C-HVDC低频模型预测控制方法，该方法将模型预测控制用于匪C-HVDC，该 方法包括下列步骤：
[0007] 1)根据交流侧电流的预测模型确定上下桥臂的投入子模块数目；
[000引2)根据步骤1)中得到的上下桥臂的投入子模块数目，进行开关状态的优化；
[0009] 3)基于电容电压平衡和环流抑制运两个控制目标确定指标函数；
[0010] 4)将步骤2)中优化后的开关状态代入步骤3)中确定的指标函数进行筛选，选出指 标函数最小值对应的开关状态，根据选中的开关状态确定投入相应的模块。
[0011] 所述交流侧电流的预测模型为：
[0014] 式中，Vpk和Vnk分别表示上下桥臂的电压，其中k = a，b，c，Lp和Ln分别表示上下桥臂 的电抗器，L和R分别表示电网侧感抗和阻抗，vk表示电网电压，系统采样时间为Ts，a、b、C为 交流电的Ξ相。
[0015] 所述上下桥臂的投入子模块数目的计算步骤为：
[0016] 11)设定交流侧电流的指定值为ik*(t巧S)，设定上下桥臂投入子模块数目确定的 指标函数G功Gi = ik*(t化)-ik(t+Ts);
[0017] 12)获取上下桥臂输出所有电压值和系统检测量；
[0018] 13)将步骤12)中获取到的值带入到交流侧电流的预测模型，求得交流侧电流预测 值；
[0019] 14)将步骤13)中求得的交流侧电流预测值带入到步骤11)中确定的指标函数Gi进 行评估，选出指标函数最小值对应的fmin，则上桥臂应投入的子模块数目为fmin，下桥臂应投 入的子模块数目为N-fmin，N为桥臂子模块的总个数。
[0020] 所述开关状态的优化分为稳定状态下上桥臂开关状态的优化、稳定状态下下桥臂 开关状态的优化与动态情况下开关状态的优化，其中稳定状态下上桥臂开关状态的优化与 稳定状态下下桥臂开关状态的优化方法相同。
[0021 ]所述稳定状态下上桥臂开关状态的优化步骤为：
[0022] 21)定义变量，即定义np。。(t-Ts)为前一个时刻上桥臂投入子模块个数，Sp(t-Ts)表 示前一个时刻上桥臂开关状态组合，Sp[j](t-Ts)，表示前一个时刻上桥臂每个模块的开关 状态，其中j = 1 ???N，ηρ〇η( t)为当前时刻上桥臂应投入子模块个数；
[0023] 22)设定初值，即设定a和b的初始值为0,分别计数开关状态组合中为1和0的个数， A和B是空的NX腺隹的多维数组，用于存储多个开关状态组合；
[0024] 23)计算邮。。(*)-邮。。(*-了3)的值，若值为-1，进入步骤24)，若值为1，则进入步骤 25)，若值为0,则进入步骤26);
[002引24)在j的初值小于N的情况下，将Sp[_j](t-Ts)中为"Γ的状态依次赋值为"0"，每一 次循环只更新一个子模块的开关状态，并对a进行累加，然后将Sp(t-Ts)的值存储在数组A的 第a行中，重复进行此项操作直至j的值大于N，则存储结果为数组A，进入步骤27);
[0026] 25)在j的初值小于N的情况下，将Sp[_j](t-Ts)中为"0"的状态依次赋值为"Γ，每一 次循环只更新一个子模块的开关状态，并对b进行累加，然后将Sp(t-Ts)的值存储在数组B的 第b行中，重复进行此项操作直至j的值大于N，则存储结果为数组B，进入步骤27);
[0027] 26)保持上一个时刻的开关状态不变，存储结果即为Sp(t-Ts)，进入步骤27);
[0028] 27)将存储结果赋值给Sp(t)，Sp(t)为当前时刻上桥臂开关状态组合。
[0029] 所述动态情况下开关状态的优化具体为:np〇n(t)-np〇n(t-Ts)的值为-1、0和1运Ξ 个值中的一个，设置固定的开关状态组合，组合数目小于N。
[0030] 所述确定指标函数的具体步骤为：
[0031] 31)判断电容电压平衡和环流抑制运两个控制目标是否一致，若一致，进入步骤 32)，若不一致，进入步骤33);
[0032] 32)选用电容电压平衡控制指标函数G2;
[0033] 33)选用电容电压平衡和环流抑制的折中指标函数G3。
[0034] 所述电容电压平衡控制指标函数G2关
其中&表示对应子模块的 投入或者切出状态，ip(n)为上下桥臂电流，Vw为子模块对应的电容电压。
[0035] 所述电容电压平衡和环流抑制的折中指标函数G3夫
山。为 MMC-HVDC的直流电压。
[0036] 与现有技术相比，本发明具有W下有益效果：
[0037] (1)进行了开关状态优化，可W将开关状态组合由传统的C换减到1~N之间，开关 状态的计算次数明显减少；
[0038] (2)结合了环流与电容电压的综合控制，有效减小了开关状态的冗余，大幅减小了 系统的运算量；
[0039] (3)当系统处于稳定状态时，相邻两个时刻桥臂的子模块投入数目差值为-1、0和 1，因此在每一次的开关状态更新中，至多改变一个子模块的开关状态，就能够满足系统需 求，运样的操作降低了功率器件的平均开关频率，减小了系统的损耗。
【附图说明】
[0040] 图1为MMC的主电路图；
[0041 ]图2为上下桥臂投入子模块数计算流程图；
[0042] 图3为上桥臂开关状态更新流程图；
[0043] 图4为MMC低频模型预测控制方法图；
[0044] 图5为低开关频率运行仿真后直流侧两端电流图；
[0045] 图6为低开关频率运行仿真后两端变换器有功功率图；
[0046] 图7为低开关频率运行仿真后MMC1交流侧电流图；
[0047] 图8为低开关频率运行仿真后MMC2交流侧电流图；
[004引图9为低开关频率运行仿真后MMC1的A相上桥臂电容电压图；
[0049] 图10为低开关频率运行仿真后MMC2的A相上桥臂电容电压图；
[0050] 图11为低开关频率运行仿真后MMC1的A相桥臂环流图；
[0051 ]图12为低开关频率运行仿真后MMC2的A相桥臂环流图；
[0052] 图13为低开关频率运行仿真后MMC1的A相上下桥臂电流图；
[0053] 图14为低开关频率运行仿真后MMC2的A相上下桥臂电流图；
[0054] 图15为低开关频率运行仿真后直流侧电压图；
[0055] 图16为低开关频率运行仿真后MMC1交流电流频谱图；
[0056] 图17为低开关频率运行仿真后MMC2交流电流频谱图；
[0057] 图18为低开关频率运行仿真后开关频态图；
[0化引其中，1为离散状态预测模型，2为指标函数Gi，3为指标函数G2或G3。
【具体实施方式】
[0059] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例W本发明技术方案 为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
[0060] 如图1所示为MMC的主电路图，则MMC-HVDC低频模型预测控制方法如图4所示，其具 体实现过程是：
[0061] 第一步:根据交流侧电流的预测模型确定每个桥臂的投入子模块数目。
[0062] 其特征在于，根据MMC拓扑的离散状态模型，网侧电流预测值的表达式为：
[0065] 式中，vpk和vnk分别表示上下桥臂的电压，其中k = a，b，C，Lp和Ln分别表示上下桥臂 的电抗器，L和R分别表示电网侧感抗和阻抗，vk表示电网电压，系统采样时间为Ts。
[0066] 并网电流的指令值设定为ik^t+Ts)，上下桥臂投入子模块数确定的指标方程设 为：
[0067] Gi = ik*(t+Ts)-ik(t 巧 S)
[0068] 上下桥臂投入子模块数确定的框图如图2所示，其具体实现过程是，将表1所示的 上下桥臂输出所有电压值和系统检测量代入并网电流预测值表达式求得网侧电流预测值， 然后将网侧电流预测值带入指标函数Gl进行评估，选出指标函数Gl最小值对应的即 为上桥臂应投入的子模块数目，则N-fmin则为下桥臂应投入的子模块数目。
[0069] 表1所有开关状态下的上下桥臂输出电压值
[0073] 第二步:开关状态优化。
[0074] 当系统处于稳定状态时，相邻两个时刻每个桥臂子模块投入数目差值为-1、0和1 就可W满足系统需求，因此在每一次的开关状态更新中，每个桥臂至多改变一个模块的开 关状态即可，通过运种方式，可W根据上一个时刻的开关状态计算出所有新的开关状态，上 下桥臂的开关状态更新方式相同，W上桥臂的开关状态更新方式为例，其具体实现方式如 图3所示:npnn(t-Ts)为前一个时刻上桥臂投入子模块个数，Sp(t-Ts)表示前一个时刻上桥臂 开关状态组合，Sp[j](t-Ts)表示前一个时刻上桥臂每个模块的开关状态，npon(t)为当前时 刻上桥臂应投入子模块个数，a和b的初始值为0,分别用于计数开关状态组合中为1和ο的个 数，A和Β是一个多维数组，用于存储多个的开关状态组合。当np〇n(t)-np〇n(t-Ts)的值为-1 时，将Sp[j](t-Ts)中为"Γ的状态依次赋值为"0"(每一次的循环中只更新一个子模块的开 关状态），然后将新的开关状态组合存储在数组A中；当np〇n(t)-np〇n(t-Ts)的值为1时，反之 将Sp[j](t-Ts)中为"0"的状态依次赋值为"Γ，所有开关状态组合存储在数组B中；当ηροη (t)-npnn(t-Ts)的值为加寸，保持上一个时刻的开关状态不变。最后将存储结果赋值给Sp(t)， W生成所有可能的开关状态组合。下桥臂在稳定状态下的开关状态更新方式同上桥臂。
[007引当系统处于动态情况下，np0n(t)-np0n(t-Ts)会跳出-1、0和设S个值，兼顾考虑控 制效果和计算量，可设置固定几组开关状态组合，参与后续电容电压平衡与环流抑制指标 函数的寻优计算。举例说明：N=10、np。n(t)=4，可设置少于10个的开关状态组合，若个数为 3,则：
[0076] Sp(t) = [l 00100101 0；0 10010010 1；! 01001001 0]
[0077] 状态设置应使"Γ和"0"分散，如此有助于功率器件开关频率的平均化。
[0078] 第Ξ步:电容电压平衡及环流抑制的综合控制。
[0079] 电容电压平衡控制指标函数：
[0080]
[0081] 其中&表示对应子模块的投入或者切出状态；ip(n)为上桥臂、下桥臂电流;Vw为子 模块对应的电容电压;N为桥臂子模块个数。
[0082] 电容电压平衡和环流抑制运两个控制目标有重合和冲突的地方，当两个控制目标 一致时，直接选用电容电压平衡的指标函数G2,当两个控制目标冲突时可W选用一个折中 的指标函数来同时满足运两个控制目标。
[0083] 电容电压平衡和环流抑制的折中指标函数为：
[0084]
[0085] 当电容电压平衡和环流抑制控制两个控制目标冲突时，应当投入电容电压处于中 间位置的子模块来满足运两个控制目标。
[0086] 综上所述，电容电压平衡和环流抑制的指标函数选取表如表2所示：
[0087] 将根据图3得到的开关状态代入根据表2规则选取的指标函数进行筛选，选出指标 函数最小值对应的开关状态，W此来确定系统下一个时刻的开关状态。
[0088] 表2电容电压平衡和环流抑制的指标函数选取表
[0089]
【主权项】
1. 一种MMC-HVDC低频模型预测控制方法，该方法将模型预测控制用于MMC-HVDC，其特 征在于，该方法包括下列步骤： 1) 根据交流侧电流的预测模型确定上下桥臂的投入子模块数目； 2) 根据步骤1)中得到的上下桥臂的投入子模块数目，进行开关状态的优化； 3) 基于电容电压平衡和环流抑制这两个控制目标确定指标函数； 4) 将步骤2)中优化后的开关状态代入步骤3)中确定的指标函数进行筛选，选出指标函 数最小值对应的开关状态，根据选中的开关状态确定投入相应的模块。2. 根据权利要求1所述的MMC-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述交流侧电 流的预测模型为：式中，vPk和vnk分别表示上下桥臂的电压，其中k = a，b，c，Lp和Ln分别表示上下桥臂的电 抗器，L和R分别表不电网侧感抗和阻抗，vk表不电网电压，系统米样时间为Ts，a、b、c为交流 电的三相。3. 根据权利要求2所述的MMC-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述上下桥臂 的投入子模块数目的计算步骤为： 11) 设定交流侧电流的指定值为i^(t+Ts)，设定上下桥臂投入子模块数目确定的指标 函数61为61 = 115*(七+1'3)-115(七+1'3) ; 12) 获取上下桥臂输出所有电压值和系统检测量； 13) 将步骤12)中获取到的值带入到交流侧电流的预测模型，求得交流侧电流预测值； 14) 将步骤13)中求得的交流侧电流预测值带入到步骤11)中确定的指标函数&进行评 估，选出指标函数最小值对应的f min，则上桥臂应投入的子模块数目为fmin，下桥臂应投入的 子模块数目为N_fmin，N为桥臂子模块的总个数。4. 根据权利要求2所述的MMC-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述开关状态 的优化分为稳定状态下上桥臂开关状态的优化、稳定状态下下桥臂开关状态的优化与动态 情况下开关状态的优化，其中稳定状态下上桥臂开关状态的优化与稳定状态下下桥臂开关 状态的优化方法相同。5. 根据权利要求4所述的MMC-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述稳定状态 下上桥臂开关状态的优化步骤为： 21) 定义变量，即定义npcin(t-Ts)为前一个时刻上桥臂投入子模块个数，SP(t-T s)表示前 一个时刻上桥臂开关状态组合，SP[ j ] (t-Ts)，表示前一个时刻上桥臂每个模块的开关状态， 其中j = 1 〃·Ν，ηΡ〇η( t)为当前时刻上桥臂应投入子模块个数； 22) 设定初值，即设定a和b的初始值为0,分别计数开关状态组合中为1和0的个数，A和B 是空的NXN维的多维数组，用于存储多个开关状态组合； 23) 计算npcin(t)-npcin(t-Ts)的值，若值为-1，进入步骤24)，若值为1，则进入步骤25)，若 值为〇,则进入步骤26); 24) 在j的初值小于N的情况下，将SP[ j ] (t-Ts)中为"Γ的状态依次赋值为"Ο"，每一次循 环只更新一个子模块的开关状态，并对a进行累加，然后将S P(t_Ts)的值存储在数组Α的第a 行中，重复进行此项操作直至j的值大于N，则存储结果为数组A，进入步骤27); 25) 在j的初值小于N的情况下，将SP[ j ] (t-Ts)中为"0"的状态依次赋值为"Γ，每一次循 环只更新一个子模块的开关状态，并对b进行累加，然后将S P(t-Ts)的值存储在数组B的第b 行中，重复进行此项操作直至j的值大于N，则存储结果为数组B，进入步骤27); 26) 保持上一个时刻的开关状态不变，存储结果即为SP(t-Ts)，进入步骤27); 27) 将存储结果赋值给SP(t)，SP(t)为当前时刻上桥臂开关状态组合。6. 根据权利要求5所述的匪C-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述动态情况 下开关状态的优化具体为:π Ρ〇η(υ-ηΡ〇ηα-Τ8)的值为_1、0和1这三个值中的一个，设置固定 的开关状态组合，组合数目小于Ν。7. 根据权利要求1所述的MMC-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述确定指标 函数的具体步骤为： 31) 判断电容电压平衡和环流抑制这两个控制目标是否一致，若一致，进入步骤32)，若 不一致，进入步骤33); 32) 选用电容电压平衡控制指标函数G2; 33) 选用电容电压平衡和环流抑制的折中指标函数G3。8. 根据权利要求7所述的匪C-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述电容电压 平衡控制指标函数62为，其中&表示对应子模块的投入或者切出状态，iP(n) 为上下桥臂电流，vd为子模块对应的电容电压。9. 根据权利要求8所述的匪C-HVDC低频模型预测控制方法，其特征在于，所述电容电压 平衡和环流抑制的折中指标函数G3为仙。为MMC-HVDC的直流电压。
【文档编号】H02M7/49GK106059355SQ201610377544
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】杨兴武, 冀红超, 甘伟, 李芬, 薛花, 王育飞
【申请人】上海电力学院