[发明专利]基于模型预测控制的模块化多电平换流器通用控制方法

摘要

本发明提供一种基于模型预测控制的模块化多电平换流器通用控制方法，涉及柔性直流输电技术领域。本方法为：步骤1：根据当前周期的三相下桥臂输出电压以及约束条件得到下一周期的三相下桥臂输出电压的模型预测控制集W；步骤2：计算控制集W中每一种输出电压的电流成本函数，得到电流成本集合G；步骤3：选择出集合G中电流成本最小的三种电压输出方式；步骤4：计算不同投切方案的电容电压成本函数和开关成本函数；步骤5：计算每种子模块投切方案总成本函数，保留最小总成本对应的子模块投切方案，生成开关信号控制模块化多电平换流器各子模块投切。本方法通过减少控制集的大小减少了寻优计算量，并且减少电容电压波动，降低了开关频率。

主权项

1.一种基于模型预测控制的模块化多电平换流器通用控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：根据模块化多电平换流器在当前周期k的三相下桥臂输出电压以及三相下桥臂输出电压的约束条件得到下一周期k+1的三相下桥臂输出电压的模型预测控制集W＝{w¹、w²、...、w^ρ}，其中w^ρ为k+1周期MMC的三相下桥臂输出电压的第ρ种组合情况，为周期之间电平最大跳变数；具体方法如下：步骤1.1：根据k周期三相下桥臂输出电压得到k+1周期三相下桥臂输出电压的初始模型预测控制集其中为k+1周期MMC三相下桥臂输出电压U_la(k+1)、U_lb(k+1)、U_lc(k+1)的第种组合情况；步骤1.2：根据模块化多电平换流器的特性以及三相下桥臂输出电压的约束条件去除模型预测控制集中不符合约束的下桥臂输出电压值，得到下一周期的三相下桥臂输出电压的模型预测控制集W＝{w¹、w²、...、w^ρ}；三相下桥臂输出电压的约束条件为：其中，N为MMC桥臂子模块总数，为子模块电容额定电压；；并且三相输出电压U_a,U_b,U_c满足：其中，U_a为k+1周期a相的输出电压，U_b为k+1周期b相的输出电压，U_c为k+1周期c相的输出电压；U_la、U_lb、U_lc分别代表k+1周期a、b、c相下桥臂输出电压值；U_dc为直流侧额定电压；步骤2：计算步骤1中得到的模型预测控制集W中每一种输出电压情况下的电流成本函数g_i，得到控制集电流成本集合其中为第ρ种输出电压组合情况下的电流成本；步骤3：根据控制集电流成本集合选择出其中电流成本最小的三种电压输出方式w^α、w^δ、w^ζ，其中w^α∈W，w^δ∈W，w^ζ∈W；设置参数g_i1、g_i2、g_i3，并初始为g_i1＝g_i2＝g_i3＝+∞，然后将步骤2得到的控制集电流成本集合依次与g_i1，g_i2，g_i3作比较，比较方式如下：若则令g_i3＝g_i2g_i2＝g_i1、并保存各成本函数对应的三相输出电压组合方式；若则令g_i3＝g_i2、g_i1＝g_i1，并保存各成本函数对应的三相输出电压组合方式；若则g_i2＝g_i2、g_i1＝g_i1，并保存各成本函数对应的三相输出电压组合方式；若则舍弃依次比较结束后，输出成本函数最小的获取其对应的三相下桥臂输出电压组合方式w^α、w^δ、w^ζ；其中w^α∈W，w^δ∈W，w^ζ∈W；步骤4：根据步骤3中得到的三种三相下桥臂输出电压组合方式w^α、w^δ、w^ζ，计算不同投切方案的电容电压成本函数以及开关成本函数；具体步骤如下：步骤4.1：根据步骤C得到的三种三相下桥臂输出电压组合方式w^α、w^δ、w^ζ，计算每种组合方式中各桥臂需要投入的子模块数：y相下桥臂：y相上桥臂：N_pyz＝N‑N_lyz其中，N_lyz代表组合方式为z时y相下桥臂需要投入的子模块数，其中z＝w^α或w^δ或w^ζ，y＝a、b、c；N_pyz代表组合方式为z时y相上桥臂需要投入的子模块数；U_lyz代表组合方式为z时y相下桥臂的输出电压，为子模块额定电容电压值，N为MMC桥臂子模块总数；[]为取整符号；每一种输出电压组合方式对应的子模块投切方案的数量为：其中，其中代表从N个不同元素中，任取N_xyc个元素并成一组，所拥有的组合数量，其中x＝l、p；M_z为组合方式为z时的子模块投切方案数量；子模块投切方案总量为M，其中步骤4.2：分别计算三种输出电压组合方式w^α、w^δ、w^ζ中每种子模块投切方案的电容电压成本函数；计算组合方式为z时第h种投切方案的电容电压成本函数，其中h∈M_z：根据电容特性，子模块电容电压存在以下关系：其中，U_SM(k+1)为k+1周期子模块电容电压；U_SM(k)为k周期子模块电容电压值；为k周期流过子模块电容的电流值；C为子模块电容值；根据子模块开关组S₁的状态判别子模块的投入和切除：流经电容的电流为：其中，i_xy(k)为k周期y相x桥臂的电流值，其中x＝l，p；定义子模块电容电压预测值：其中，为y相x桥臂第n个子模块的电容电压预测值；为y相x桥臂第n个子模块的电容电压测量值；为k周期y相x桥臂的电流测量值；C为子模块电容值；T_s为模型预测控制的采样周期；其中，x＝l,p，n∈N；子模块电容电压参考值为：其中，N为MMC桥臂子模块总数；组合方式为z时第h种投切方案的电容电压成本函数步骤4.3：分别计算三种输出电压组合方式w^α、w^δ、w^ζ中的每种子模块投切方案的开关成本函数；对比k+1周期与k周期各个子模块开关组S₁的状态，状态切换所需的开关次数B：组合方式为z时第h种投切方案的开关成本函数其中，S_{1_xyn}(k+1)为第k+1周期y相x桥臂第n个子模块开关组S₁的状态；S_{1_xyn}(k)为第k周期y相x桥臂第n个子模块开关组S₁的状态；步骤5：根据每种子模块投切方案的由电流成本函数、电容电压成本函数和开关成本函数计算每种子模块投切方案总成本函数，保留最小总成本函数对应的子模块投切方案，生成开关信号，控制模块化多电平换流器的各子模块投切。