[發明專利]用于2N+1型單相MMC的改進型模型預測控制方法

有效

• 申請號: 202011199964.5
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112260563B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 孫毅超;李禹樊;鄢寅宇;朱讓言
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/088
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 柏尚春

本發明公開了一種用于2N+1型單相MMC的改進型模型預測控制方法。該方法在模型預測控制算法中加入了電容電壓平均值與參考值的比較，如果平均值大于參考值，則表示需要增加子模塊投入的數量。相反，如果平均值低于參考值，則表示投入的子模塊應該減少。使得電容電壓在不修改代價方程的情況下穩定在參考值上。此外，使用該方法，在每個滾動優化過程中，遍歷的選項減少到最多6種。

技術領域

本發明屬于高壓大功率電力電子技術在電力系統中應用技術領域，具體涉及一種用于2N+1型單相MMC(Modular Multilevel Converter，模塊化多電平變換器)的改進型模型預測控制方法。

背景技術

隨著電力電子器件和控制策略的迅速發展，多電平功率變換器在電力系統中得到了廣泛的應用。MMC以其模塊化、冗余性、低諧波失真和高效率等突出特點，在高壓大功率應用中具有廣闊的應用前景。

傳統的控制方法是基于傳統線性比例積分(PI)控制器閉環控制，可以通過調整控制參數來達到控制目標。而獲得最優參數不易，它涉及到開關頻率、控制器增益、帶寬等因素需要考慮。模型預測控制(MPC)以其優良的動態性能和可控性而備受關注，并被廣泛應用于MMC。此外，MPC方法能夠通過使用定義代價方程來控制多個控制目標。

公開號CN109256964B的中國專利公開的《一種半橋和全橋子模塊混合的MMC模型預測控制》提出了MMC的改進MPC，利用負電平狀態下全橋子模塊導通的最大個數為M，保證了每相上下橋臂導通子模塊電壓和為定值，選取的組合是N-M個，而當N很大時，計算復雜度還是很高，而且在瞬態過程中，會出現電壓電平跳變，導致dv/dt較高。在《IEEETransactions on Industrial Electronics》刊登的“AVoltage-Level-Based ModelPredictive Control of Modular Multilevel Converter”一文(作者F.Zhang等)提出了一種應用于輸出2N+1電壓電平的模型預測控制方法，為了產生2N+1的輸出電壓電平，接通SMs的數目不再固定為N。因此，需要在代價方程中加入另一個控制目標，即臂的能量平衡來確保子模塊電容電壓平衡，但準確確定代價方程中橋臂能量的影響因子不易。

發明內容

發明目的：針對現有的MMC輸出2N+1電壓電平的模型預測控制存在的問題和不足，本發明提供了一種用于2N+1型單相MMC的改進型模型預測控制方法，該方法可以避免橋臂能量平衡影響因子的設計，而且使得輸出電流諧波含量更少，在瞬態過程中，不會出現電壓電平跳變。

技術方案：本發明公開了一種用于2N+1型單相MMC的改進型模型預測控制方法。其中，該單相MMC的交流輸出端與串聯的輸出電感L_s和輸出電阻R_S相連接，上、下橋臂的結構相同且各自串聯有支路電感L、寄生電阻R和N個半橋子模塊。該方法包含如下步驟：

(S1)基于當前時刻上橋臂導通子模塊的個數確定下一時刻為實現2N+1調制的上下橋臂導通子模塊的個數組合的集合；

(S2)根據當前時刻各子模塊電容電壓對步驟(S1)確定的下一時刻上下橋臂導通子模塊的個數組合的集合進行修正；

(S3)構造與下一時刻的輸出電流和環流有關的代價方程g，從修正后下一時刻上下橋臂導通子模塊的個數組合的集合中找出使得代價方程g最小的個數組合，作為最優個數組合；下一時刻的輸出電流和環流均與下一時刻上下橋臂導通子模塊的個數相關；

(S4)根據當前時刻上下橋臂電流極性分別對上、下橋臂各子模塊中的電容電壓值進行排序，基于所述最優個數組合根據排序結果確定下一時刻各子模塊的導通狀態，以維持電容電壓平衡。

進一步地，步驟(S1)具體包含以下步驟：