适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法与流程

本发明属于输电，特别涉及适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法。

背景技术：

1、模块化和可拓展性是模块化多电平转换器(modular multilevel converter,mmc)的显著特点。这些特性使得mmc被广泛应用于柔性直流输电(high voltage directcurrent,hvdc)系统、电力电子变压器等。无论哪种应用，mmc都需要一种控制方法来实现多个控制目标，如输出电流和子模块电容电压均衡，最小化环流，以及减少子模块电容器电压和直流侧电流中的纹波。mmc的基本控制目标有输出电流控制、环流控制和电容电压控制三部分。有学者提出了一种开环经典控制策略，在这种方法中，所施加的调制指数是根据所需的输入电压和输出电压计算出来的。随后，提出了平稳自动控制法和同步方程坐标系中的闭环经典控制方法。

2、近年来，模型预测控制(model predictive control,mpc)在电力电子控制领域逐渐兴起。模型预测控制是一种非线性的优化控制方法，具有快速的动态响应能力、控制原理简单、易于实现和可完成多目标优化等优点。有的学者提出将mpc用于mmc。

3、经典控制方法的性能取决于pi控制器的设计和调整、调制方案的类型和开关频率，且该方法的控制过程调节时间较长，控制延时会严重影响系统性能。另外，系统对控制器参数比较敏感且参数整定过程复杂，参数设计结果的好坏对系统性能有直接的影响。

4、针对mpc用于mmc的控制目标构建含有权重的目标函数，但是需要对所有开关状态进行循环预测寻优，导致较大的计算量，且需要调节权重因子。有的学者提出一种有限控制集模型预测控制(finite control set-model predictive control,fcs-mpc)方法，通过选择各控制周期成本函数最小化的最优控制方案，能够有效降低控制器的计算量，但会造成较大的环流谐波分量。有的学者提出一种简化计算方法，通过选择最优投入数而不是开关状态来保证控制性能，但未考虑环流抑制策略。

5、综上所述，上述方法均未考虑环流抑制策略，输出电能质量水平不高，且控制器的权重因子设计复杂，控制器需要进一步优化。

6、因此，需要设计适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，以解决上述技术问题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供了适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，所述方法包括：

2、第一阶段的交流电流控制环节，包括：利用交流电流指标函数获得输出电流跟踪的参考控制选项，实现交流电流控制；

3、第二阶段的环流控制环节，包括：通过引入两个环流因子来计算第一阶段控制中，模块化多电平换流器mmc的上、下桥臂的子模块应该投入的最优数量；

4、第三阶段的子模块电容电压控制环节：在每个控制周期中，对每个桥臂子模块电容电压进行分组排序。

5、进一步的，交流电流控制环节，具体包括：

6、通过臂电压与直流侧电压的关系，利用最近电平调制方法nlm获得输出电流跟踪的参考控制选项，并将子模块导通个数小范围的代入电流跟踪误差指标函数进行寻优，选取使指标函数值最小的模块投入数目。

7、进一步的，臂电压与直流侧电压的关系，通过如下表达式确定：

8、

9、式中dpj和dnj分别为上、下臂的调制指数，dpj和dnj相加等于1，upj与unj分别为上、下桥臂输出电压。

10、进一步的，交流电流指标函数j1通过如下表达式确定：

11、j1＝|i*oj(k+1)-ioj(k+1)

12、式中i*oj(k+1)为交流电流参考值，ioj(k+1)为交流电流预测值。

13、进一步的，交流电流预测值通过如下表达式确定：

14、

15、式中r0为负载电阻；lf为桥臂电感；l0为桥臂电感，upj与unj分别为上、下桥臂输出电压；ioj(k)为交流电流的检测值，ioj(k+1)为交流电流预测值；ts为采样时间。

16、进一步的，环流控制环节，具体包括：

17、通过引入两个环流因子被设置为δicirj1和δicirj2，以控制臂和整体电容电压，且环流的参考值最终表示为idc/3+(δicirj1+δicirj2)；

18、环流预测表达式：

19、

20、桥臂电压差和电压和参考值为：

21、

22、

23、式中leq＝lf+2l，icirj(k+1)为k+1时刻环流的参考值，其中，环流预测值icirj(k+1)通过如下表达式确定：

24、

25、进一步的，输出电压和环流因子的表达式为：

26、

27、

28、式中m＝ts/c，u﹡δj为桥臂电压差参考值。

29、进一步的，子模块电容电压控制环节，具体包括：

30、在分组排序时，当δnp,nj>0时，从j相上/下桥臂切除组中选择j2取最小值时对应的δnp,nj个子模块投入，反之，从投入组中选择j2取最小值时的δnp,nj个子模块切除；

31、下一时刻，上/下桥臂需投入的子模块数，通过如下表达式确定：

32、δnp,nj＝np,nj(k+1)-np,nj(k)

33、式中，np,nj(k+1)和np,nj(k)分别为k+1和k时刻上/下桥臂投入的子模块数。

34、进一步的，子模块电容电压指标函数：

35、

36、另一方面，本发明还提供一种适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制系统，所述系统包括：

37、控制模块，用于在第一阶段的交流电流控制环节中，利用交流电流指标函数获得输出电流跟踪的参考控制选项，实现交流电流控制；

38、计算模块，用于在第二阶段的环流控制环节中，通过引入两个环流因子来计算第一阶段控制中，模块化多电平换流器mmc的上、下桥臂的子模块应该投入的最优数量；

39、分组排序模块，用于在第三阶段的子模块电容电压控制环节：在每个控制周期中，对每个桥臂子模块电容电压进行分组排序。

40、本发明提供了适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，避免了权重因子设计，提高了环流抑制的性能，同时降低了控制器的计算量。

41、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

技术特征：

1.适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，交流电流控制环节，具体包括：

3.根据权利要求2所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，臂电压与直流侧电压的关系，通过如下表达式确定：

4.根据权利要求3所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，交流电流指标函数j1通过如下表达式确定：

5.根据权利要求4所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，交流电流预测值通过如下表达式确定：

6.根据权利要求5所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，环流控制环节，具体包括：

7.根据权利要求6所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，输出电压和环流因子的表达式为：

8.根据权利要求1所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，子模块电容电压控制环节，具体包括：

9.根据权利要求8所述的适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，其中，子模块电容电压指标函数：

10.适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制系统，其中，所述系统包括：

技术总结
本发明提供了适用于模块化多电平换流器的多阶段模型预测控制方法，所述方法包括：第一阶段的交流电流控制环节，包括：利用交流电流指标函数获得输出电流跟踪的参考控制选项，实现交流电流控制；第二阶段的环流控制环节，包括：通过引入两个环流因子来计算第一阶段控制中，模块化多电平换流器MMC的上、下桥臂的子模块应该投入的最优数量；第三阶段的子模块电容电压控制环节：在每个控制周期中，对每个桥臂子模块电容电压进行分组排序。本发明提高了环流抑制的性能，同时降低了控制器的计算量。

技术研发人员：王骏,沈京京,李亦农,陈博,仇成,刘鑫,韩东,胡圣祥,颜华敏,卢婧婧,吴评,刘春
受保护的技术使用者：国网上海市电力公司经济技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13