一种MMC的模型预测比例积分控制环流方法

本发明涉及一种mmc的模型预测比例积分控制环流方法，属于新能源电力系统。

背景技术：

1、模块化多电平变换器(mmc)在高压直流输电、光伏并网逆变器、风力发电和储能系统以及配电网中含有mmc型固态变压器的可再生能源微电网等领域具有广阔的应用前景。随着“碳峰值、碳中和”等相关政策和方案的逐步实施，大力推动新能源的快速发展，促进清洁低碳能源供应成为主要趋势。尽管mmc具有广泛的应用前景和众多优点，如高可靠性、低开关频率、优异的输出波形质量、高效率和直流故障阻断能力，但它仍有其自身的缺点。桥臂上子模块的开关不可避免地会导致相之间的电压不平衡和环流的产生。大量环流增加了系统损耗，并使散热器设计复杂化，影响子模块电容的大小，导致半导体器件上的电流应力和传导损耗增加，并降低mmc的效率。

2、传统的pi和pr控制器可以实现稳态误差调整，但对参数变化和模型不确定性敏感，严重依赖坐标变换和模型参数的精心设计。模型预测控制(mpc)作为一种非线性控制器，适用于多输入多输出系统。mpc控制mmc的基本原理是计算下一时刻所有开关状态下每个控制目标的预测值，使价值函数选择具有最低值函数的相应开关状态。mpc具有设计简单、鲁棒性好、动态响应好的特点。然而，调整权重因子复杂性随着系统控制目标的增加而急剧增加。

3、因此，需要一种mmc的新的环流控制方法，以避免复杂的数学运算和权重系数的选择。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是提供一种mmc的模型预测比例积分控制环流方法，以解决现有环流控制策略存在的问题。

2、本发明的技术方案是：一种mmc的模型预测比例积分控制环流方法，具体步骤为：

3、实时采集当前时刻模型预测pi环流控制所需的mmc内部数据；

4、基于所采集数据进行模型预测并得出下一时刻三相上下桥臂每个子模块的电容电压预测值和三相总电压的预测值；

5、基于模型做pi控制然后进行环流预测，得出下一时刻各相环流预测值和各相环流参考值；

6、基于模型预测和环流预测结果进行nlm调制并得出下一时刻每相上下桥臂子模块的开通个数；

7、基于每相上下桥臂子模块的开通个数通过保持因子均压算法对电容电压进行排序；

8、基于保持因子均压算法排序结果得出下一时刻每个子模块的开关函数，并作为下一时刻的开关指令反馈给mmc。

9、优选地，所述当前时刻模型预测pi环流控制所需的mmc内部数据，包括：

10、k时刻j相(j＝a,b,c)上桥臂第i个子模块的电容电压ucjpi(k)，k时刻j相下桥臂第i个子模块的电容电压ucjni(k)，k时刻j相上桥臂第i个子模块的开关函数sjpi(k)，k时刻j相下桥臂第i个子模块的开关函数sjni(k)，k时刻j相交流侧电流ij(k)，k时刻j相环流icirj(k)，k时刻j相上桥臂电流ipj(k)，k时刻j相下桥臂电流inj(k)，电压调制比m，mmc系统外环控制给出的参考相电压uj_ref(k)。

11、优选地，所述基于所采集数据进行模型预测并得出下一时刻三相上下桥臂每个子模块的电容电压预测值和三相总电压的预测值，包括：

12、

13、

14、其中，ucapi(k+1)，ucani(k+1)，ucbpi(k+1)，ucbni(k+1)，uccpi(k+1)，uccni(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相上桥臂和下桥臂第i个子模块的电容电压预测值，ts为预测的时间间隔，c为子模块电容，uca∑(k+1)，ucb∑(k+1)，ucc∑(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相总电压的预测值，nh+nf为每相上桥臂或下桥臂子模块个数，每个桥臂分别由nh个hbsm和nf个fbsm构成。

15、优选地，所述基于模型预测结果分别进行进行pi控制与环流预测并得出下一时刻各相环流参考值以及各相环流预测值，包括：

16、通过pi控制得出k+1时刻各相环流参考值：

17、

18、其中，icira_ref(k+1)，icirb_ref(k+1)，icirc_ref(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相环流参考值，kp为比例调节系数，ki为积分调节系数，uca∑(k+1)，ucbσ(k+1)，ucc∑(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相总电压的预测值；

19、通过环流预测得出k+1时刻各相环流预测值：

20、

21、其中，icira(k+1)，icirb(k+1)，icirc(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相环流预测值，larm为桥臂电感，rarm为桥臂电阻，udc为直流侧电压，icira(k)，icirb(k)，icirc(k)分别为为k时刻a,b,c相环流，uap(k+1)，uan(k+1)，ubp(k+1)，ubn(k+1)，ucp(k+1)，ucn(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相上桥臂和下桥臂电压的预测值，由下式所得：

22、

23、优选地，所述基于模型预测和环流预测结果进行nlm调制并得出下一时刻每相上下桥臂子模块的开通个数，包括：

24、

25、其中，nap(k+1)，nan(k+1)，nbp(k+1)，nbn(k+1)，ncp(k+1)，ncn(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相上下桥臂子模块的开通个数，uca_ave(k+1)，ucb_ave(k+1)，ucc_ave(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相子模块平均电容电压，由下式所得：

26、

27、uap_ref(k+1)，uan_ref(k+1)，ubp_ref(k+1)，ubn_ref(k+1)，ucp_ref(k+1)，ucn_ref(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相上桥臂和下桥臂电压的参考值，由下式所得：

28、

29、其中，ua_ref(k)，ub_ref(k)，uc_ref(k)分别为k时刻mmc系统外环控制给出的a,b,c相参考相电压，uacir_ref(k+1)，ubcir_ref(k+1)，uccir_ref(k+1)分别为k+1时刻a,b,c相环流压降参考值，由下式所得：

30、

31、优选地，所述基于每相上下桥臂子模块的开通个数通过保持因子均压算法对电容电压进行排序，即在传统的冒泡排序均压算法中引入保持因子，以增大当前时刻子模块在下一个时刻保持开关函数不变的概率，来降低子模块的开关频率。

32、优选地，所述基于保持因子均压算法排序结果，在需要投入njp(k+1)+njn(k+1)个子模块充电时，将电容电压升序排列的前njp(k+1)+njn(k+1)个子模块的开关函数设置为1，其余子模块开关函数设置为0；在需要投入njp(k+1)+njn(k+1)个子模块放电时，将电容电压降序排列的前njp(k+1)+njn(k+1)个子模块的开关函数设置为1，其余子模块开关函数设置为0，由此得到下一时刻每个子模块的开关函数，并作为下一时刻的开关指令反馈给mmc。

33、本发明的有益效果是：本发明有效地抑制了环流，且降低了不同调制比下子模块电容电压波动，在matlab/simulink上进行的仿真验证了所提出的控制策略的正确性。