模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法與流程
2023-06-03 01:25:11
本發明涉及變流器控制領域，具體地，涉及一種模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法。
背景技術：
模塊化多電平變流器高壓直流輸電系統(Modular Multilevel Converter High Voltage Direct Current Transmission，MMC-HVDC)因其具有良好的電能傳輸質量、靈活的功率調節能力及結構簡單、易於拓展等特性，在海上風電等可再生新能源發電併網和長距離柔性直流輸電場合得到廣泛應用。MMC因其採用模塊化子模塊拓撲結構，相比傳統的兩電平電壓源型變流器，須在運行時額外考慮子模塊電容均壓控制。已有MMC模型預測控制方法通過計算並比較不同開關狀態下的預測電流，選取最優開關狀態，需要進行多次計算。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提供一種模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法。
為達到上述目的，本發明所採用的技術方案如下：
一種模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法，包括以下步驟：
步驟1：在某一時刻t，根據模塊化多電平變流器的相電流參考值計算下一時刻t+Ts相電壓的最優值；
步驟2：根據模塊化多電平變流器的橋臂內部電流參考值計算下一時刻t+Ts每相被開通的子模塊電容電壓之和的最優值；
步驟3：分別計算模塊化多電平變流器的上、下橋臂子模塊電容電壓的平均值，為上橋臂子模塊電容電壓平均值，為下橋臂子模塊電容電壓平均值；
步驟4：根據橋臂電流方向和子模塊電容電壓大小對子模塊進行排序；
步驟5：計算t+Ts時刻上下橋臂需開通子模塊的數量；選擇對應的子模塊作為開通子模塊；並輸出觸發指令控制開通子模塊以及其餘子模塊的開斷；
步驟6：每隔採樣時間Ts，重複步驟1至步驟5；當模塊化多電平變流器關閉時，結束。
優選地，所述步驟1中相電壓最優值的計算公式為：
式中，ej(t+Ts)為t+Ts時刻相電壓的最優值，下標j＝a,b,c，表示對應的相序，L′表示MMC系統等效電感，R′表示MMC系統等效電阻，Ts表示採樣時間間隔，t表示當前時刻，usj(t)表示t時刻交流側相電壓測量值，ij(t)為t時刻相電流的測量值。
優選地，所述步驟2中各相子模塊電容電壓之和最優值的計算公式為：
式中，Vsumj(t+Ts)為t+Ts時刻子模塊電容電壓之和最優值，Vdc(t)為直流母線電壓，Lb為MMC橋臂電感，為橋臂內部電流參考值，idifjf(t)為橋臂內部電流。
優選地，所述步驟4包括：
當上橋臂的電流ipj(t)大於0(方向為正)，則將上橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小升序排列；
當下橋臂的電流inj(t)大於0(方向為正)，則將下橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小升序排列；
當上橋臂的電流ipj(t)小於0(方向為負)，則將上橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小降序排列；
當下橋臂的電流inj(t)小於0(方向為負)，則將下橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小降序排列；
其中，排列後上橋臂的第i個子模塊電容電壓值記為：Vcpj(i)；排列後下橋臂的第i個子模塊電容電壓值記為：Vcnj(i)；將上橋臂重新排列後的子模塊的序號存入數組indexpj(i)，將下橋臂重新排列後的子模塊的序號存入數組indexnj(i)，其中且i的範圍為[1,2,…,N]，N為各相橋臂擁有的子模塊數量。
優選地，所述步驟5包括：計算t+Ts時刻上下橋臂需開通子模塊的數量，計算公式如下：
<![CDATA[ N p * = r o u n d ( V s u m j ( t + T s ) - e j ( t + T s ) 2 V p j ( t ) ) ]]>
<![CDATA[ N n * = r o u n d ( V s u m j ( t + T s ) + e j ( t + T s ) 2 V n j ( t ) ) ]]>
式中，為上橋臂需開通子模塊的數量，為下橋臂需開通子模塊的數量，round為四捨五入取整函數。
選取indexpj(i)(indexnj(i))數組中indexpj(1)，indexpj(2)，…，(indexnj(1)，indexnj(2)，…，)對應序號的子模塊作為投入子模塊。對被選擇的投入的子模塊，給出上開關管導通、下開關管關斷的觸發指令；對其餘子模塊，給出上開關管關斷、下開關管導通的觸發指令。
與現有技術相比，本發明具有如下的有益效果：
1、根據本發明提供的模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法，在對MMC進行控制時，不需要針對不同開關狀態進行多次計算，而直接根據參考電流得出最優開關，提升了算法的計算效率。
2、根據本發明提供的模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法，在計算最優開關狀態時引入了實時子模塊電容電壓的平均值，使得開關狀態的選擇精度提高，從而降低輸出電壓的諧波含量，改善電能質量。
附圖說明
通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯：
圖1為應用本發明提供的方法的三相MMC系統結構圖；
圖2為圖1所示MMC系統的三相電流Iabc動態響應仿真波形圖；
圖3為實施例中MMC系統直流電流Idc動態響應仿真波形圖；
圖4為實施例中MMC系統有功功率P和無功功率Q的動態響應仿真波形圖。
具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。以下實施例將有助於本領域的技術人員進一步理解本發明，但不以任何形式限制本發明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干變化和改進。這些都屬於本發明的保護範圍。
本發明提供一種模塊化多電平變流器逆向模型預測控制方法，包括以下步驟：
步驟1：在某一時刻t，根據模塊化多電平變流器的相電流參考值計算下一時刻t+Ts相電壓的最優值；
步驟2：根據模塊化多電平變流器的橋臂內部電流參考值計算下一時刻t+Ts每相被開通的子模塊電容電壓之和的最優值；
步驟3：分別計算模塊化多電平變流器的上、下橋臂子模塊電容電壓的平均值，為上橋臂子模塊電容電壓平均值，為下橋臂子模塊電容電壓平均值；
步驟4：根據橋臂電流方向和子模塊電容電壓大小對子模塊進行排序；
步驟5：計算t+Ts時刻上下橋臂需開通子模塊的數量；選擇對應的子模塊作為開通子模塊；並輸出觸發指令控制開通子模塊以及其餘子模塊的開斷；
步驟6：每隔採樣時間Ts，重複步驟1至步驟5；當模塊化多電平變流器關閉時，結束。
具體的：
步驟1中相電壓最優值的計算公式為：
式中，ej(t+Ts)為t+Ts時刻相電壓的最優值，下標j＝a,b,c，表示對應的相序，L′表示MMC系統等效電感，R′表示MMC系統等效電阻，Ts表示採樣時間間隔，t表示當前時刻，usj(t)表示t時刻交流側相電壓測量值，ij(t)為t時刻相電流的測量值。
本實施例中，三相MMC系統結構圖如圖1所示，直流電壓為Vdc＝20000V，採樣間隔為Ts＝50μs,MMC系統等效電感L′＝12.5mH，MMC系統等效電阻R′＝0.1Ω。
步驟2中各相子模塊電容電壓之和最優值的計算公式為：
式中，Vsumj(t+Ts)為t+Ts時刻子模塊電容電壓之和最優值，Vdc(t)為直流母線電壓，Lb為MMC橋臂電感，為橋臂內部電流參考值，idiffj(t)為橋臂內部電流。
本實施例中，橋臂電感Lb＝15mH。
步驟3：分別計算模塊化多電平變流器的上、下橋臂子模塊電容電壓的平均值，為上橋臂子模塊電容電壓平均值，為下橋臂子模塊電容電壓平均值；
本實施例中，各橋臂子模塊的數量為20。
步驟4中：
當上橋臂的電流ipj(t)大於0(方向為正)，則將上橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小升序排列；
當下橋臂的電流inj(t)大於0(方向為正)，則將下橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小升序排列；
當上橋臂的電流ipj(t)小於0(方向為負)，則將上橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小降序排列；
當下橋臂的電流inj(t)小於0(方向為負)，則將下橋臂子模塊根據子模塊電容電壓大小降序排列；
其中，排列後上橋臂的第i個子模塊電容電壓值記為：Vcpj(i)；排列後下橋臂的第i個子模塊電容電壓值記為：Vcnj(i)；indexpj(i)(indexnj(i))為排列後的子模塊電容電壓對應的原始序號。將上橋臂重新排列後的子模塊的序號存入數組indexpj(i)，將下橋臂重新排列後的子模塊的序號存入數組indexnj(i)，其中且i的範圍為[1,2,…,N]，N為各相橋臂擁有的子模塊數量。
步驟5中：計算t+Ts時刻上下橋臂需開通子模塊的數量，計算公式如下：
<![CDATA[ N p j * = r o u n d ( V s u m j ( t + T s ) - e j ( t + T s ) 2 V p j ( t ) ) ]]>
<![CDATA[ N n j * = r o u n d ( V s u m j ( t + T s ) + e j ( t + T s ) 2 V n j ( t ) ) ]]>
式中，為上橋臂需開通子模塊的數量，為下橋臂需開通子模塊的數量，round為四捨五入取整函數。
選取indexpj(i)(indexnj(i))數組中indexpj(1)，indexpj(2)，…，(indexnj(1)，indexnj(2)，…，)對應序號的子模塊作為投入子模塊。對被選擇的投入的子模塊，給出上開關管導通、下開關管關斷的觸發指令；對其餘子模塊，給出上開關管關斷、下開關管導通的觸發指令。
步驟6：每隔採樣時間Ts，重複步驟1至步驟5；當模塊化多電平變流器關閉時，結束。
本實施例中，應用本發明所述方法，仿真所得三相電流響應波形如圖2所示，直流電流響應波形如圖3所示，功率響應波形如圖4所示。
以上對本發明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發明並不局限於上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的範圍內做出各種變化或修改，這並不影響本發明的實質內容。在不衝突的情況下，本申請的實施例和實施例中的特徵可以任意相互組合。