[发明专利]用于2N+1型单相MMC的改进型模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种用于2N+1型单相MMC的改进型模型预测控制方法。该方法在模型预测控制算法中加入了电容电压平均值与参考值的比较，如果平均值大于参考值，则表示需要增加子模块投入的数量。相反，如果平均值低于参考值，则表示投入的子模块应该减少。使得电容电压在不修改代价方程的情况下稳定在参考值上。此外，使用该方法，在每个滚动优化过程中，遍历的选项减少到最多6种。

技术领域

本发明属于高压大功率电力电子技术在电力系统中应用技术领域，具体涉及一种用于2N+1型单相MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平变换器)的改进型模型预测控制方法。

背景技术

随着电力电子器件和控制策略的迅速发展，多电平功率变换器在电力系统中得到了广泛的应用。MMC以其模块化、冗余性、低谐波失真和高效率等突出特点，在高压大功率应用中具有广阔的应用前景。

传统的控制方法是基于传统线性比例积分(PI)控制器闭环控制，可以通过调整控制参数来达到控制目标。而获得最优参数不易，它涉及到开关频率、控制器增益、带宽等因素需要考虑。模型预测控制(MPC)以其优良的动态性能和可控性而备受关注，并被广泛应用于MMC。此外，MPC方法能够通过使用定义代价方程来控制多个控制目标。

公开号CN109256964B的中国专利公开的《一种半桥和全桥子模块混合的MMC模型预测控制》提出了MMC的改进MPC，利用负电平状态下全桥子模块导通的最大个数为M，保证了每相上下桥臂导通子模块电压和为定值，选取的组合是N-M个，而当N很大时，计算复杂度还是很高，而且在瞬态过程中，会出现电压电平跳变，导致dv/dt较高。在《IEEETransactions on Industrial Electronics》刊登的“AVoltage-Level-Based ModelPredictive Control of Modular Multilevel Converter”一文(作者F.Zhang等)提出了一种应用于输出2N+1电压电平的模型预测控制方法，为了产生2N+1的输出电压电平，接通SMs的数目不再固定为N。因此，需要在代价方程中加入另一个控制目标，即臂的能量平衡来确保子模块电容电压平衡，但准确确定代价方程中桥臂能量的影响因子不易。

发明内容

发明目的：针对现有的MMC输出2N+1电压电平的模型预测控制存在的问题和不足，本发明提供了一种用于2N+1型单相MMC的改进型模型预测控制方法，该方法可以避免桥臂能量平衡影响因子的设计，而且使得输出电流谐波含量更少，在瞬态过程中，不会出现电压电平跳变。

技术方案：本发明公开了一种用于2N+1型单相MMC的改进型模型预测控制方法。其中，该单相MMC的交流输出端与串联的输出电感L_s和输出电阻R_S相连接，上、下桥臂的结构相同且各自串联有支路电感L、寄生电阻R和N个半桥子模块。该方法包含如下步骤：

(S1)基于当前时刻上桥臂导通子模块的个数确定下一时刻为实现2N+1调制的上下桥臂导通子模块的个数组合的集合；

(S2)根据当前时刻各子模块电容电压对步骤(S1)确定的下一时刻上下桥臂导通子模块的个数组合的集合进行修正；

(S3)构造与下一时刻的输出电流和环流有关的代价方程g，从修正后下一时刻上下桥臂导通子模块的个数组合的集合中找出使得代价方程g最小的个数组合，作为最优个数组合；下一时刻的输出电流和环流均与下一时刻上下桥臂导通子模块的个数相关；

(S4)根据当前时刻上下桥臂电流极性分别对上、下桥臂各子模块中的电容电压值进行排序，基于所述最优个数组合根据排序结果确定下一时刻各子模块的导通状态，以维持电容电压平衡。

进一步地，步骤(S1)具体包含以下步骤：