一種基於自冗餘狀態預測的MMC環流抑制系統及方法與流程
2024-03-02 09:31:15 1
本發明屬於變流器環流抑制領域，特別涉及一種基於自冗餘狀態預測的MMC環流抑制系統及方法。
背景技術：
模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter，簡稱MMC)由R.Marquardt教授在2001年率先提出，如圖1所示，相比於傳統的多電平變流器結構，模塊化多電平變流器的突出優點包括：1)高度模塊化，使得這種變流器可以通過級聯模塊去實現任何電壓等級的應用；2)諧波特性好，由於相同模塊的級聯，電平數量多，交流輸出側可以不使用濾波器；3)冗餘與容錯能力強，每個模塊的內部結構相同，當大量的模塊級聯時，每個模塊之間可以相互替代，互為冗餘。因此它在中壓和高壓領域有著非常好的應用前景，特別是在高壓直流輸電和中高壓電機驅動領域。由於此種拓撲採用雙星型結構，a，b，c相均與直流側並聯，交流輸出從每相的中點引出。此種結構將導致直流側與a，b，c相之間，以及a，b，c相內部之間均存在環流。環流的存在將會增大橋臂電流，引起額外的損耗，而且還會增大電容電壓波動。因此MMC的環流抑制方法是模塊化多電平變流器研究領域的一個重要課題。
MMC內部的環流成分主要包括直流分量和二倍頻分量。其中，二倍頻分量並不起功率傳遞的作用，卻增大了橋臂電流，加劇了電容電壓波動，引起了不必要的功率損耗。因此，環流中二倍頻分量是需要被抑制的對象。目前已出現針對模塊化多電平變流器環流抑制的方法主要有：
1.基於能量差的調製波補償法。這種方法是根據上、下橋臂的能量差，以及相間能量差，經過差分能量控制器得到用於抑制環流的調製波補償分量。將這個分量疊加到調製波上再與載波進行比較，從而得到各模塊的投入和切除信號。
2.基於循環電流的旋轉坐標系法。這種方法是將MMC中三相環流做負序兩倍頻旋轉坐標變換後，變為直流分量，再通過解耦控制，然後再通過旋轉坐標逆變換成三相交流量得到用於抑制環流中二倍頻分量的調製波補償分量。將這個分量疊加到調製波上再與載波進行比較，從而得到各模塊的投入和切除信號。
然而，以上兩類方法雖然能夠抑制MMC中的環流，但是都需要對原始調製波疊加調整分量。當MMC工作在高調製比狀態時，有可能導致變流器的過調製；而且兩類方法均需要用到大量的控制器，增加了參數調節的難度；另外，第二種方法僅適用於三相系統，對於非三相系統不具有適用性。以上所述這兩類方法的缺陷影響了它們在環流抑制中的使用效果。
技術實現要素：
發明目的：本發明針對現有技術存在的問題，提供了一種無需改變調製波的基於自冗餘狀態預測的MMC環流抑制系統。
技術方案：本發明提供了一種基於自冗餘狀態預測的MMC環流抑制系統，包括上、下橋臂總投入模塊數量的計算模塊、第一模型預測模塊、第二模型預測模塊、第一更新模塊和第二更新模塊；所述上、下橋臂總投入模塊數量的計算模塊根據外部調製器得到的初始上、下橋臂應投入的模塊數量，然後計算上、下橋臂總投入模塊數量；如果上、下橋臂總投入模塊數量為N時，所述第一模型預測模塊工作，否則，第二模型預測模塊工作；所述第一模型預測模塊用於計算下一時刻單相總投入模塊數分別為N，N+2以及N-2時的環流預測值和代價函數值；所述第二模型預測模塊用於計算下一時刻當單相總投入模塊數分別為N-1以及N+1時的環流預測值和代價函數值；所述第一更新模塊和第二更新模塊分別根據第一模型預測模塊和第二模型預測模塊計算出的代價函數值進行比較和更新輸出上、下橋臂應投入的模塊數量。
本發明還提供了一種採用上述基於自冗餘狀態預測的環流抑制系統的環流抑制方法，包括以下步驟：
步驟1：將從外部調製器得到的初始上、下橋臂應投入的模塊數量nap和nan輸入給上、下橋臂總投入模塊數量的計算模塊中進行計算，如果初始上、下橋臂應投入的模塊數量nap和nan的和為N時，進入步驟2；否則，進入步驟3；
步驟2：第一模型預測模塊根據公式
和分別計算下一時刻當單相總投入模塊數為N，N+2以及N-2三種冗餘狀態下的環流預測值以及相對應的代價函數值；其中，iz1，iz2，iz3分別表示下一時刻當單相MMC總投入模塊數為N，N+2以及N-2三種冗餘狀態下的環流預測值，Ts表示預測時間間隔，L表示橋臂的緩衝電感值，Udc表示直流側母線電壓值，nap和nan分別表示初始上、下橋臂需要投入的模塊數量，和分別表示上、下橋臂中子模塊的電容電壓平均值，iz(t)表示當前的環流值；iz_ref表示期望的環流值；J1，J2和J3分別表示當單相MMC總投入的模塊數為N，N+2和N-2時的代價函數值；然後將計算出的當單相MMC總投入模塊數為N，N+2以及N-2三種冗餘狀態下下一時刻的環流預測值以及相對應的代價函數值輸入到第一更新模塊；
步驟3：第二模型預測模塊根據公式
或者
和公式分別計算下一時刻當單相MMC總投入N-1和N+1個子模塊時的環流預測值以及相對應的代價函數值；其中，nap+nan＝N-1表示當前單相MMC總投入N-1個子模塊，nap+nan＝N+1表示當前單相MMC總投入N+1個子模塊；iz4和iz5分別表示下一時刻當單相MMC總投入N-1和N+1個子模塊時的環流預測值，Ts表示預測時間間隔，L表示橋臂的緩衝電感值，Udc表示直流側母線電壓值，nap和nan分別表示初始上、下橋臂需要投入的模塊數量，和分別表示上、下橋臂中子模塊的電容電壓平均值，iz(t)表示當前的環流值；J4和J5分別表示當單相總投入N-1和N+1個子模塊時的代價函數值，iz_ref表示期望的環流值；通常所期望的環流值為一個直流量，其值為Pac/(3Udc)；Pac表示三相MMC交流側期望輸出的功率，Udc表示直流側母線電壓；然後將計算出的當單相總投入模塊數為N-1和N+1兩種冗餘狀態下的環流預測值以及相對應的代價函數值輸入到第二更新模塊；
步驟4：第一更新模塊和第二更新模塊分別根據接收到代價函數值進行比較，選取最小的代價函數值所對應的nap和nan，並輸出；即為下一時刻MMC上、下橋臂的實際投入模塊數量；
步驟5：根據步驟4輸出的MMC的上、下橋臂的實際投入模塊數量控制MMC的子模塊工作。
進一步，所述步驟2中所述第一模型預測模塊也可以根據公式：
計算當單相總投入模塊數為N，N+2以及N-2三種冗餘狀態下的環流預測值，其中，uc_ref表示電容電壓的額定值。
進一步，所述步驟3中所述第二模型預測模塊也可以根據公式：
或者
分別計算下一時刻當單相MMC當單相總投入N-1和N+1個子模塊時的環流預測值；其中，uc_ref表示電容電壓的額定值。
進一步，所述上、下橋臂中子模塊的電容電壓平均值和根據公式：
計算獲得，其中，ucpx和ucny(x,y＝1,…,N)分別表示上橋臂中第x個子模塊的電容電壓、下橋臂中第y個子模塊的電容電壓。
進一步，模塊化多電平變流器採用上、下橋臂獨立的電平移位調製。
有益效果：與現有的技術相比，本發明提出了基於自冗餘狀態預測的模塊化多電平變流器的環流抑制策略，能夠利用MMC自冗餘狀態實現環流抑制，無需改變調製波，對於高調製度有很好的適用性；而且此種方法對MMC系統的相數無要求，可以拓展至任意相數的MMC系統；另外，模型預測控制的引入也提高了環流抑制的效果。
附圖說明
圖1為MMC載波層疊上、下橋臂獨立調製示意圖(以上、下橋臂均級聯4個模塊為例)；
圖2為本發明環流抑制的流程圖；
圖3為本發明所針對的模塊化多電平變流器子模塊結構圖；
圖4為本發明所針對的模塊化多電平變流器單相結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做更進一步的解釋。
為了便於說明此環流抑制方法的工作原理，在此，以模塊化多電平變流器單相上、下橋臂均級聯N個子模塊，模塊化多電平變流器採用上、下橋臂獨立調製的方式為例，結合模型預測控制的原理說明此專利所提出的環流抑制策略的工作過程。其餘各相的環流抑制策略與此相相同。
首先根據圖1所示的上、下橋臂獨立調製方法，調製出上、下橋臂各自需要投入的模塊數量nap和nan；由圖中可知，每個時刻每相總投入的初始模塊數量為N，N-1或N+1；
然後，如圖2所示，將nap和nan的值輸入給上、下橋臂總投入模塊數量的計算模塊1，通過判斷下一時刻上、下橋臂應投入的模塊數總和是否為N，決定啟用第一模型預測模塊2或者第二模型預測模塊3；
最後，第一更新模塊4或者第二更新模塊5實現對上、下橋臂投入的子模塊個數的調整，從而實現環流抑制的效果。
第一模型預測模塊2計算當單相總投入模塊數為N，N+2以及N-2三種冗餘狀態下的環流預測值以及相對應的代價函數值；第二模型預測模塊3計算當單相總投入模塊數為N-1以及N+1兩種冗餘狀態下的環流預測值以及相對應的代價函數值；
第一模型預測模塊2的環流預測方程和代價函數計算方程如下：
其中，iz1，iz2，iz3分別表示下一時刻當單相MMC總投入模塊數為N，N+2以及N-2三種冗餘狀態下的環流預測值；Ts表示預測時間間隔，L表示橋臂的緩衝電感值，Udc表示直流側母線電壓值，nap和nan分別表示初始上、下橋臂需要投入的模塊數量，和分別表示上、下橋臂中子模塊的電容電壓平均值，iz(t)表示當前的環流值，J1，J2和J3分別表示當單相MMC總投入的模塊數為N，N+2和N-2時的代價函數值；iz_ref表示期望的環流值，通常所期望的環流值為一個直流量，其值為Pac/(3Udc)；Pac表示三相MMC交流側期望輸出的功率。
所述的式(1)中的電容電壓平均值計算如公式(3)所示：
其中,ucpx和ucny(x,y＝1,…,N)分別表示上橋臂中第x個子模塊的電容電壓、下橋臂中第y個子模塊的電容電壓。此外，在簡化控制算法和在控制精度要求不高的場合，式(1)中電容電壓平均值可以使用電容電壓額定值進行替代，而不需要實時計算上、下橋臂中子模塊的電容電壓平均值，則式(1)可簡化為：
其中，uc_ref表示電容電壓的額定值，其值為Udc/N，其中Udc表示MMC直流側母線電壓，N表示MMC單相上或下橋臂級聯的子模塊數量。
公式(2)中的J1，J2和J3，分別表示當單相MMC總投入的模塊數為N，N+2和N-2時的環流預測值與參考值之間的偏差，也即代價函數值。其中，單相投入模塊數量N+2和N-2是通過對初始上、下橋臂投入的模塊個數同時加1或者減1得到。第一更新模塊4負責根據第一模型預測模塊2中的相關計算值，更新上、下橋臂投入的模塊數量，使得環流預測值與參考值之間的偏差最小。
第二模型預測模塊3中的環流預測方程和代價函數計算方程如下：
或者
同理，在簡化算法和對控制精度要求不高的場合，式(5)和式(6)也可簡化為如下所示：
或者
其中，iz4和iz5分別表示下一時刻當單相MMC總投入N-1和N+1個子模塊時的環流預測值，Ts表示預測時間間隔，L表示橋臂的緩衝電感值，Udc表示直流側母線電壓值，nap和nan分別表示初始上、下橋臂需要投入的模塊數量，和分別表示上、下橋臂中子模塊的電容電壓平均值，iz(t)表示當前的環流值。J4和J5分別表示當單相總投入N-1和N+1個子模塊時的代價函數值，iz_ref表示期望的環流值；通常所期望的環流值為一個直流量，其值為Pac/(3Udc)；Pac表示三相MMC交流側期望輸出的功率，Udc表示直流側母線電壓。
公式(9)中的J4和J5分別表示當一相MMC總投入的模塊數為N-1和N+1時的環流預測值與參考值之間的偏差，也即代價函數值。其中，當初始上、下橋臂的總投入模塊數為N-1時，則總投入模塊數為N+1是通過對上、下橋臂的投入模塊數同時加1得到。當初始上、下橋臂的總投入模塊數為N+1時，則總投入模塊數為N-1是通過對上、下橋臂的投入模塊數同時減1得到。第二更新模塊5負責根據第二模型預測模塊3中的相關計算值更新上、下橋臂投入的模塊數量，使得環流預測值與參考值之間的偏差最小。
本發明中的模塊化多電平變流器的子模塊結構如圖3所示，由一個電容和兩個帶反並聯二極體的開關器件組成；當此子模塊處於投入狀態時，其輸出電壓為電容電壓；當此子模塊處於切除狀態時，其輸出電壓為零。圖4為單相MMC接阻感負載示意圖，其一相橋臂可分為上、下兩個橋臂，均由N個如圖3所示的子模塊串聯而成；交流側從橋臂中點處引出；圖4中iz表示環流，L為橋臂的緩衝電感。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。