[發明專利]一種級聯U-Cell STATCOM鄰近矢量尋優預測控制方法

在審

• 申請號: 202010952152.7
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN114172162A
• 公開（公告）日: 2022-03-11
• 發明（設計）人: 葉承宗;孫志年;王穎杰
• 申請（專利權）人: 無錫軍工智能電氣股份有限公司;中國礦業大學
• 主分類號: H02J3/18
• 分類號: H02J3/18;G06F30/20;G06F113/04
• 代理公司: 無錫市朗高知識產權代理有限公司 32262
• 代理人: 趙華

本發明公開了一種級聯U?CELL新型拓撲鄰近矢量尋優分層預測控制方法；這種控制方法采用模型預測控制方法(MPC)為基礎，設計了分層MPC算法優化計算量，并在此基礎上提出了一種鄰近尋優的最優矢量搜索方式，實現計算量大幅減少；其中核心層是電流層，選擇電壓基本矢量作為電流層；在開關狀態轉換到矢量時，部分矢量會存在冗余開關狀態，對于不同的冗余開關狀態進行篩選作為相內電容電壓平衡控制；因此，可以基于上一時刻選取的矢量，建立搜索的方法，避免遍歷所有的基本矢量；鄰近矢量尋優MPC算法將分層MPC算法計算復雜度從平方級降低到線性級，兼具良好的控制性能。

技術領域

本發明涉及一種靜止同步補償器的鄰近矢量尋優預測控制方法，特別是一種基于級聯U-Cell新型拓撲止同步補償器的鄰近矢量尋優預測控制方法。

背景技術

模型預測控制方案是通過將所有開關狀態代入預測模型計算下一時刻預測值，依靠價值函數篩選最優解。級聯U-Cell STATCOM相比于級聯H橋結構節省了器件數量，減少了開關狀態量，減少了模型預測控制算法計算量。其次，采用傳統的控制方案需要對調制方法進行改進才能使級聯U-Cell STATCOM電容電壓實現平衡，模型預測沒有調制環節。因此，級聯U-Cell STATCOM采用模型預測控制方案更有優勢。級聯U-Cell STATCOM控制方案主要包括兩個主要控制目標。其一是電流跟蹤控制，電流需要跟隨給定參考指令電流；其二是實現每相各個電容電壓的平衡。

在級聯U-Cell STATCOM中應用模型預測控制策略具有高動態性能，控制結構簡單，容易實現多目標控制的優點，將所有的控制目標放在一個價值函數中進行評價，避免了復雜的控制環路分析。然而，模型控制算法的實現依賴于高性能數字處理器，在數字控制中必然存在延時問題，這種延時帶來的影響隨著計算量的增加而更加明顯。其次，當模型預測控制應用于級聯型多電平拓撲結構中，計算量尤為龐大，超過一定的鏈接數，常用的數字處理器難以實現，更高性能的處理器價格昂貴，不利于模型預測控制的應用。

發明內容

針對現有技術的不足，提出一種基于級聯U-Cell新型拓撲靜止同步補償器的鄰近矢量尋優預測控制方法，該方法實現了將算法復雜度大幅降低，且具有很好的控制性和穩定性。

一種基于級聯U-Cell新型拓撲靜止同步補償器鄰近矢量尋優預測控制方法，包括如下步驟：

步驟一、建立級聯U-Cell STATCOM離散數學模型。由基爾霍夫定律(KVL)先推出級聯U-Cell STATCOM的連續狀態下的數學模型，再建立采樣周期T_s的離散化預測數學模型。對連續數學模型中的電流微分與電容電壓微分以采樣周期進行前向差分分別得到電流預測模型與電容電壓預測模型。

步驟二、預測級聯U-Cell STATCOM電流參考值設計。參考值的設計為利用所需補償負荷決定的瞬時有功無功參考值推出STATCOM所需輸出的參考電流，并且考慮到實際補償過程中STATCOM自身消耗的有功功率，設計了有功電流給定環節疊加到參考電流環節進行修正。預測模型是利用當前時刻的采樣值預測出下一時刻的狀態值，通過價值函數進行評估，價值函數的設定為目標值與預測值的范數。

步驟三、實現級聯U-Cell STATCOM模型預測分層控制。本發明采用基于電壓基本矢量的選擇作為電流層，電流層的價值函數設計為預測電壓矢量和參考電壓矢量的范數最小價值函數。三相不平衡功率部分會影響相間電容電壓的平衡，三相不平衡功率與零序分量相關，而對零序分量不同的冗余矢量進行篩選可以實現相間電容電壓平衡的最優解。本發明根據電流層篩選的最優基本矢量，將其對應的冗余矢量作為相間平衡控制層。相間電容電壓平衡層的價值函數設計為abc三相所有U-Cell模塊直流側電壓預測矢量與參考矢量的范數最小價值函數之和。電流層和相間電容電壓平衡層將篩選出最優矢量，而最終實現控制效果的是開關狀態。根據矢量存在冗余開關狀態，本發明采用排序篩選來實現相內電容電壓平衡。