一种基于模块化多电平变换器环流模型的干扰补偿方法与流程

本发明属于高压大功率电力电子变换器领域，具体涉及一种基于模块化多电平变换器环流模型的干扰补偿方法。

背景技术：

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter,mmc)自从被提出以来，一直受到广泛的关注。高质量的输出电压、灵活的电平扩展以及有功和无功功率的独立控制能力使其在柔性直流输电、交流传动、分布式发电等领域都有着巨大的研究价值和应用空间。然而，作为一种新兴的电路拓扑结构，必然存在一些难题有待解决，环流就是其中之一。由于mmc的三相桥臂全部并联于直流侧母线上，而系统运行时三相桥臂间的电压会存在一定的压差，这就使得三相桥臂之间必然会出现环流，从而使桥臂电流发生畸变，增加系统损耗，降低功率传输效率。

目前已有诸多控制方法针对环流进行控制，其中模型预测控制(modelpredictivecontrol,mpc)因其调制方法简单、控制目标灵活、适用于非线性系统等优势，成为有效的环流控制手段。但传统的mpc并没有考虑实际系统中存在的参数失配和直流电压波动等干扰，如桥臂电感值随温度、频率和使用寿命等因素发生变化，直流电压随开关器件损耗、电网电能质量问题而产生波动，这些干扰很难实时、准确地测量，会引起控制系统不稳定，因此该方法目前在实际工程中应用较少。

技术实现要素：

发明目的：本发明提出一种基于模块化多电平变换器环流模型的干扰补偿方法，能够对模型参数失配和直流电压波动产生的干扰进行估计，在控制模型中进行补偿，从而改善控制器性能。

技术方案：本发明提出一种基于模块化多电平变换器环流模型的干扰补偿方法，包括以下步骤：

(1)建立模块化多电平变换器环流模型；

(2)将模块化多电平变换器环流模型离散化；

(3)在模块化多电平变换器环流离散模型中加入干扰项，并改写为线性离散系统标准形式；

(4)基于该系统设计线性离散干扰观测器，观测系统的干扰值；

(5)计算极点配置系数k；

(6)将干扰估计值代入环流离散模型进行补偿，构建模块化多电平换流器抗干扰环流模型。

步骤(1)所述的模块化多电平变换器环流模型为：

其中，vdc是直流侧电压，epk是上桥臂电压，enk是下桥臂电压，r是桥臂电阻，l是桥臂电感，idiffk是不平衡电流，ipk是上桥臂电流，ink是下桥臂电流，k＝a,b,c分别表示a相、b相、c相。

步骤(2)所述的离散化后的模块化多电平变换器环流模型为：

其中，ts是采样时间。

步骤(3)所述的线性离散系统标准形式为：

其中，ykn是测量输出，φ＝1，γ＝ts/2l，g＝ts/2,c＝1。

步骤(4)所述的干扰值为：

其中，是干扰估计值，zkn是状态变量，k是极点配置系数。

步骤(5)所述的极点配置系数k为：

其中，λ的值越大，干扰估计的精度越高，延迟越高；λ的值越小，干扰估计值的波动越大，延迟越低。

步骤(6)所述的步骤(6)所述的模块化多电平换流器抗干扰环流模型为：

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：通过对模型参数失配和直流电压波动产生的干扰进行估计，采用前馈补偿的方式将干扰估计值引入环流模型进行补偿，从而在不改变原有控制性能的基础上消除干扰对系统的影响，本发明采用的补偿方法通过软件实现，并且计算量小。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为附加干扰观测器的模型预测控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。如图2所示，将所设计的线性离散干扰观测器应用于mpc环流控制器，以抑制由电感参数失配和直流侧电压波动带来的干扰。本发明以mmc并网逆变器为例，系统额定功率为1.2mw，交流侧电压为9.8kv，频率为50hz，桥臂电感为0.02h，直流侧电压为20kv，采样时间为20μs。图1为本发明的流程图，包括以下步骤：

(1)建立模块化多电平变换器环流模型。

式中：vdc是直流侧电压，epk是上桥臂电压，enk是下桥臂电压，r是桥臂电阻，l是桥臂电感，idiffk是不平衡电流，ipk是上桥臂电流，ink是下桥臂电流，k＝a,b,c分别表示a相、b相、c相。

(2)应用向前欧拉公式将模块化多电平变换器环流模型离散化。

忽略电阻r，应用向前欧拉公式将式(1)离散化，可得：

式中：ts是采样时间。

(3)在模块化多电平变换器环流离散模型中加入干扰项，并改写为线性离散系统标准形式。

在式(3)中加入干扰项，令：

xk,n+1＝idiffk(t+ts)(4)

xkn＝idiffk(t)(5)

ukn＝vdc(t)-[(epk(t+ts)+enk(t+ts)](6)

式中：xkn是状态变量，ukn是控制输入，dkn是干扰实际值，δl是l的变化量，δvdc(t)是vdc(t)的变化量。

将式(3)改写为线性离散系统标准形式：

式中：ykn是测量输出，φ＝1，γ＝ts/2l＝0.0005，g＝ts/2＝0.00001，c＝1。

(4)基于该系统设计线性离散干扰观测器，观测系统的干扰值。

式中：是干扰估计值，zkn是状态变量，k是极点配置系数。

(5)根据系统的估计误差动态特性，计算极点配置系数k。

在本实施例中取λ＝0。

至此可以得到干扰估计值的计算表达式为：

(6)将干扰估计值代入环流离散模型进行补偿，构建模块化多电平换流器抗干扰环流模型。

将干扰估计值代入公式(3)中

步骤3中公式(7)是实际干扰值的表达式，在实际系统中δvdc和δl不易测得的情况下，通过本方法步骤5中公式(11)可以计算得出干扰的估计值，步骤6将干扰估计值加在模型当中，当干扰发生时，即δvdc和δl不为零时，补偿后的环流模型即可准确描述实际系统，从而消除干扰。即通过公式(12)近似描述公式(13)