本發(fā)明涉及電力電子變換器模型預(yù)測控制，具體涉及一種基于輸出電壓空間矢量擬合的mmc最優(yōu)開關(guān)序列模型預(yù)測控制策略。

背景技術(shù)：

1、模塊化多電平變換器(modular?multilevel?converter,mmc)因具有模塊化程度高、可拓展性強(qiáng)、開關(guān)頻率低、諧波特性優(yōu)異等諸多優(yōu)勢而飽受關(guān)注，在中高壓大容量電能變換領(lǐng)域脫穎而出，取得了廣泛的研究與應(yīng)用。

2、mmc的控制系統(tǒng)存在多個控制目標(biāo)，包括輸出電流、環(huán)流和子模塊電容電壓等。傳統(tǒng)控制方法一般是基于比例積分控制實(shí)現(xiàn)對單個控制目標(biāo)的閉環(huán)控制，再通過各個調(diào)節(jié)器相互級聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的聯(lián)合控制，這種控制方式不僅存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動態(tài)響應(yīng)慢等缺陷，影響mmc系統(tǒng)整體控制效果。模型預(yù)測控制(model?predictive?control,mpc)因其可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)控制、穩(wěn)態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在mmc這類多輸入多輸出的控制系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的有限控制集模型預(yù)測控制(finite?control?set?modelpredictive?control,fcs-mpc)的運(yùn)算量較大、權(quán)重因子整定困難，并且在每個控制周期內(nèi)僅投入一種最優(yōu)開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)致開關(guān)頻率不固定，電流紋波較大。為了實(shí)現(xiàn)固定開關(guān)頻率，有學(xué)者提出了應(yīng)用于mmc的調(diào)制型模型預(yù)測控制策略(modulation?model?predictivecontrol,m2pc)，在每個控制周期內(nèi)投入兩個或多個開關(guān)狀態(tài)，以提高mmc輸出電流的控制精度，但尚未考慮mmc不同冗余開關(guān)狀態(tài)對輸出電流紋波的影響。因此，對應(yīng)用于mmc的模型預(yù)測控制方法進(jìn)行進(jìn)一步研究是非常有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)的不足與存在的問題，本發(fā)明提供了一種基于輸出電壓空間矢量擬合的mmc最優(yōu)開關(guān)序列模型預(yù)測控制策略(optimal?switching?sequence?modelpredictive?control，oss-mpc)，其目的在于，相較于傳統(tǒng)fcs-mpc和m2pc，在保證低運(yùn)算量前提下，減小輸出電流紋波，諧波頻譜分布更為集中。同時，本發(fā)明以mmc為例設(shè)計一種用于篩選多電平變換器最優(yōu)開關(guān)序列的通用算法，解決了由于多電平變換器空間矢量過多導(dǎo)致具體開關(guān)狀態(tài)難以選取的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

3、步驟一：建立三相mmc輸出電壓空間矢量的離散預(yù)測模型；根據(jù)預(yù)測模型計算得到下一時刻電壓矢量預(yù)測值；

4、步驟二：在g-h坐標(biāo)系中對電壓矢量預(yù)測值進(jìn)行坐標(biāo)化處理并計算預(yù)測矢量所在三角形各頂點(diǎn)的矢量坐標(biāo)；

5、步驟三：篩選候選矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)，確定下一時刻投入的最優(yōu)開關(guān)序列；

6、步驟四：基于電流變化梯度構(gòu)建輸出電流預(yù)測值與參考值誤差平方和的價值函數(shù)，并對矢量作用時間求偏導(dǎo)，得到開關(guān)序列各作用時間的解析表達(dá)式，進(jìn)而計算得到最優(yōu)作用時間；

7、步驟五：根據(jù)橋臂不平衡壓降預(yù)測模型計算下一時刻環(huán)流抑制的占空比；

8、步驟六：根據(jù)開關(guān)序列作用時間及環(huán)流抑制占空比，計算得到上下橋臂最優(yōu)占空比；結(jié)合最優(yōu)開關(guān)序列，得到各相上下橋臂對應(yīng)的子模塊導(dǎo)通個數(shù)；

9、步驟七：利用冒泡排序算法實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡并輸出pwm脈沖信號；

10、所述步驟一中建立mmc三相電壓合成矢量的離散預(yù)測模型；根據(jù)基爾霍夫電壓定律建立mmc系統(tǒng)時域數(shù)學(xué)模型，通過前向歐拉對其進(jìn)行離散化處理，建立三相輸出電壓空間矢量離散預(yù)測模型；

11、所述步驟二中在g-h坐標(biāo)系中對電壓矢量預(yù)測值進(jìn)行坐標(biāo)化處理并確定預(yù)測矢量所在三角形各頂點(diǎn)的矢量坐標(biāo)；在g-h坐標(biāo)系下mmc所有的基本空間矢量對應(yīng)坐標(biāo)為整數(shù)，通過對預(yù)測電壓矢量單位化處理后分別向上和向下取整，得到四個候選矢量坐標(biāo)，再通過邏輯判斷，確定預(yù)測矢量所在三角形各頂點(diǎn)基矢量坐標(biāo)；

12、所述步驟三中篩選候選矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)；同一基本電壓矢量可能對應(yīng)多個開關(guān)狀態(tài)，為了保證開關(guān)序列動作次數(shù)最少及產(chǎn)生的共模電壓最小，含偶數(shù)個冗余狀態(tài)的基本矢量需保留中間2個開關(guān)狀態(tài)，含奇數(shù)個冗余狀態(tài)的基本矢量需保留中間1個開關(guān)狀態(tài)；

13、所述步驟三中確定下一時刻投入的最優(yōu)開關(guān)序列；確定三個矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)后，根據(jù)對稱式七段式空間矢量調(diào)制的原則，需在含偶數(shù)個冗余狀態(tài)的基本矢量中選取首發(fā)開關(guān)狀態(tài)；再根據(jù)開關(guān)次數(shù)動作次數(shù)最少的原則，在剩下兩個候選矢量中選擇相較前一段動作次數(shù)最小的第二段與第三段開關(guān)狀態(tài)，最后對稱得到七段式最優(yōu)開關(guān)序列。

14、所述步驟四中基于電流變化梯度構(gòu)建輸出電流預(yù)測值與參考值誤差平方和的價值函數(shù)；由各開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)輸出電流變化梯度和作用時間可以得到下一時刻在開關(guān)序列作用下電流預(yù)測值，并構(gòu)建其與參考值的誤差平方和的價值函數(shù)，通過對作用時間求偏導(dǎo)可推導(dǎo)出開關(guān)序列各作用時間的解析表達(dá)式，進(jìn)而計算各矢量最優(yōu)作用時間；

15、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)勢：

16、1)本發(fā)明設(shè)計了一種多電平空間矢量最優(yōu)開關(guān)序列的篩選方法，該方法運(yùn)算量不受電平數(shù)目影響，可以拓展至任意電平數(shù)，不會增加額外計算負(fù)擔(dān)，能夠?qū)崿F(xiàn)低復(fù)雜度的多電平變換器空間矢量調(diào)制；

17、2)相較于傳統(tǒng)的有限控制集模型預(yù)測控制，本發(fā)明無需權(quán)重因子設(shè)計，提高了電流跟蹤精度，且開關(guān)頻率得以固定；相較于傳統(tǒng)的調(diào)制型模型預(yù)測控制，本發(fā)明對電流誤差平方和函數(shù)求偏導(dǎo)來獲得序列最優(yōu)作用時間，進(jìn)一步減小了輸出電流紋波，諧波含量更低，動態(tài)性能更好；

技術(shù)特征：

1.基于輸出電壓空間矢量擬合的mmc最優(yōu)開關(guān)序列模型預(yù)測控制策略，其特征在于，該策略通過交流側(cè)輸出電壓空間矢量離散預(yù)測模型，在g-h坐標(biāo)系下計算得到預(yù)測矢量最近的候選矢量坐標(biāo)，并通過篩選矢量冗余開關(guān)狀態(tài)確定最優(yōu)開關(guān)序列；基于電流變化梯度構(gòu)建輸出電流誤差平方和的價值函數(shù)并對矢量作用時間求偏導(dǎo)，得到序列最優(yōu)作用時間的解析表達(dá)式；通過橋臂不平衡壓降預(yù)測模型計算環(huán)流抑制占空比，并結(jié)合最優(yōu)開關(guān)序列計算得到最終橋臂最優(yōu)占空比及子模塊導(dǎo)通個數(shù)；最后利用冒泡排序算法實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡并輸出開關(guān)控制信號；具體包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，步驟一、步驟二和步驟三構(gòu)成了一種用于篩選多電平變換器最優(yōu)開關(guān)序列的通用算法，其特征在于，在步驟三中，篩選待選矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)，為了使開關(guān)序列動作次數(shù)最少及產(chǎn)生的共模電壓最小，含偶數(shù)個冗余狀態(tài)的基本矢量需保留中間2個開關(guān)狀態(tài)，含奇數(shù)個冗余狀態(tài)的基本矢量需保留中間1個開關(guān)狀態(tài)；根據(jù)冗余狀態(tài)個數(shù)的奇偶以及待選矢量坐標(biāo)與具體開關(guān)狀態(tài)之間的對應(yīng)關(guān)系即可篩選出具體冗余開關(guān)狀態(tài)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟三中，確定下一時刻投入的最優(yōu)開關(guān)序列，具體為根據(jù)對稱式七段式空間矢量調(diào)制的原則，需根據(jù)上一時刻開關(guān)序列的末尾開關(guān)狀態(tài)，在含偶數(shù)個冗余狀態(tài)的基本矢量中選取首發(fā)開關(guān)狀態(tài)；再根據(jù)開關(guān)動作次數(shù)最少的原則，在剩下兩個待選矢量中選擇相較前一段動作次數(shù)最小的第二段與第三段開關(guān)狀態(tài)，最后對稱得到七段式最優(yōu)開關(guān)序列。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟四中，基于電流變化梯度構(gòu)建輸出電流預(yù)測值與參考值誤差平方和的價值函數(shù)，并對矢量作用時間求偏導(dǎo)，得到開關(guān)序列各作用時間的解析表達(dá)式，具體如下：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟六中，根據(jù)開關(guān)序列作用時間及環(huán)流抑制占空比，計算得到上下橋臂最優(yōu)占空比，具體為，三個基矢量的最優(yōu)作用時間t1opt、t2opt、t3opt可等效為開關(guān)管的占空比。由序列開關(guān)狀態(tài)的變化關(guān)系可推導(dǎo)各相占空比daopt、dbopt、dcopt分別為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種基于輸出電壓空間矢量擬合的MMC最優(yōu)開關(guān)序列模型預(yù)測控制策略。該策略根據(jù)三相MMC交流側(cè)輸出電壓空間矢量的離散預(yù)測模型，由矢量預(yù)測值計算各候選矢量在g?h坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；通過篩選候選矢量的冗余開關(guān)狀態(tài)得到最優(yōu)開關(guān)序列；基于電流變化梯度構(gòu)建輸出電流誤差平方和的價值函數(shù)并對其求偏導(dǎo)得到最優(yōu)作用時間表達(dá)式；根據(jù)橋臂不平衡壓降預(yù)測模型計算橋臂最優(yōu)占空比及子模塊導(dǎo)通個數(shù)；通過排序算法實(shí)現(xiàn)子模塊電容電壓平衡。本發(fā)明的有益之處是與傳統(tǒng)模型預(yù)測控制策略相比，該策略的運(yùn)算負(fù)擔(dān)小，有效降低輸出電流諧波含量，諧波頻譜分布更為集中，并以MMC為例設(shè)計了一種篩選多電平變換器最優(yōu)開關(guān)序列的通用算法，可應(yīng)用至任意電平且運(yùn)算量不變。

技術(shù)研發(fā)人員：公錚,楊城權(quán),蘇一鋒,戴鵬,伍小杰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國礦業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19