[发明专利]基于模型预测的单相接地故障时MMC的改进控制策略

权利要求书

1.基于模型预测的单相接地故障时MMC的改进控制策略，其特征在于，将MMC的控制量和采样量进行正序、负序和零序分离，并根据控制目标在α-β坐标系上建立MMC的预测模型，以此为基础利用价值函数对MMC各相上、下桥臂导通的子模块个数进行预测，最终结合排序均压算法确定各子模块的开关状态；

其具体步骤如下：

S1：首先将k时刻MMC的控制量和采样量进行正序、负序和零序分离，其分离过程如下：

k时刻的控制量为MMC上、下桥臂的桥臂电压，分别用符号u_pj(k)和u_nj(k)表示，j＝a，b，c，代表电网电压a，b，c三相；u_pj(k)和u_nj(k)由MMC上、下桥臂导通的子模块个数决定，其可以表示为：

其中，n_pj(k)和n_nj(k)分别是k时刻MMC上、下桥臂导通的子模块个数，其取值范围是0～N，N为MMC每个桥臂的子模块个数，U_c为MMC每个子模块电容的额定电压，且U_c＝U_dc/N，U_dc为直流电压，以此为基础k时刻MMC的交流等效输出电压u_j(k)可用u_pj(k)和u_nj(k)表示为：

k时刻的采样量分别是MMC的上、下桥臂的桥臂电流i_pj(k)和i_nj(k)以及电网电压u_sj(k)，以此为基础MMC的k时刻的交流电流i_sj(k)和桥臂环流i_zj(k)可用桥臂电流i_pj(k)和i_nj(k)表示为：

以电网电压u_sj(k)为例，k时刻控制量和采样量正序、负序和零序分量的分离步骤为：

首先借助Clarke坐标变换，将u_sj(k)从a-b-c坐标系转化为α-β坐标系，方法为：

其中，u_sα(k)和u_sβ(k)分别是u_sj(k)在α轴和β轴上的分量，进而利用信号延时法可以得到其正序、负序分量，具体为：

其中，和分别是u_sα(k)的正序和负序分量，和分别是u_sβ(k)的正序和负序分量，qu_sα(k)表示分量u_sα(k)延迟90°，qu_sβ(k)表示分量u_sβ(k)延迟90°；u_sj(k)零序分量的获取方式为：

类似的，可以得到交流等效输出电压u_j(k)在α轴和β轴正序和负序分量和及零序分量u⁰(k)，交流电流i_sj(k)在α轴和β轴正序和负序分量和及零序分量桥臂环流i_zj(k)在α轴和β轴正序和负序分量i_zα(k)、i_zβ(k)；

S2：根据S1中MMC的控制目标在α-β坐标系上建立MMC的预测模型，并求出k+1时刻各控制目标的预测值，具体过程如下：

根据一阶向前欧拉法，正序交流电流在α-β坐标系中的预测模型可表示为：

其中，L_d为MMC的等效交流电感，L_d＝L/2+L_s，L为桥臂电感，L_s为交流电感；R_d为MMC的等效交流电阻，R_d＝R/2+R_s，R为桥臂电阻，R_s为交流电阻；T_s为采样频率；分别是k+1时刻正序交流电流在α-β坐标系中的预测值；同样，负序交流电流在α-β坐标系中的预测模型可表示为：

其中，分别是k+1时刻负序交流电流在α-β坐标系中的预测值；零序交流电流的预测模型可表示为：

其中，是k+1时刻零序交流电流的预测值；桥臂环流在α-β坐标系中的预测模型可表示为：

其中，i_zα(k+1)、i_zβ(k+1)分别是k+1时刻桥臂环流在α-β坐标系中的预测值；通过将S1中k时刻控制量u_pj(k)和u_nj(k)的各种可能值代入上述控制目标的预测方程，便可求出在k+1时刻各控制目标的所有可能预测值；

S3：对S2中k+1时刻的各控制目标进行建立相对应的价值函数和系统价值函数，并求出各桥臂应导通的子模块个数，具体过程如下：

建立正序交流电流的价值函数f_s^p为：

其中，i_sαref、i_sβref分别是k+1时刻正序交流电流在α-β坐标系上的给定值，其值可以通过外环PI控制环得到；负序交流电流的价值函数f_s^N为：

为了抑制负序交流电流，负序交流电流在α-β坐标系上的给定值全部设为0；零序交流电流的价值函数f_s⁰为：

同样，为了抑制零序交流电流，零序交流电流的给定值设为0；桥臂环流的价值函数f_z为：

f_z＝(0-i_zα(k+1))+(0-i_zβ(k+1))

为了抑制桥臂环流，桥臂环流在α-β坐标系上的给定值全部设为0；为了综合控制正序交流电流、负序交流电流、零序交流电流和桥臂环流，需要建立系统的价值函数f，其形式为：

其中，和λ_z分别是正序交流电流、负序交流电流、零序交流电流和桥臂环流的权重系数，通过调节其大小，可以改变不同控制目标在系统价值函数中的比重；将在S2中求出的各控制目标在k+1时刻的预测值代入上述价值函数，使系统价值函数f的数值最小的开关状态即为最佳开关状态，定义最佳开关状态为[N_pj，N_nj]，N_pj是第j相上桥臂应导通的子模块个数，N_nj是第j相下桥臂应导通的子模块个数；

S4：利用排序均压算法来平衡S3中的各子模块电容电压和确定S3中的各子模块的投入状态。

2.根据权利要求1所述的基于模型预测的单相接地故障时MMC的改进控制策略，其特征在于，所述S4中平衡各子模块电容电压和确定各子模块的投入状态，具体过程如下：

采用排序算法对桥臂电容电压进行平衡控制，根据变换器的桥臂电流方向和S3中求出的最佳开关状态[N_pj，N_nj]，确定每个子模块的开关情况，其具体方法如下：

S400：确定上桥臂各子模块的开关状态，定义MMC第j相的上、下桥臂的桥臂电流为i_pj和i_nj：若i_pj0，对第j相上桥臂N个子模块电容电压进行升序排序，选取电容电压小的N_pj个子模块，使它们工作在投入状态，其它子模块工作在切除状态；若i_pj≤0，对第j相上桥臂N个子模块电容电压进行降序排序，选取电容电压大的N_pj个子模块，使它们工作在投入状态，其它子模块工作在切除状态；

S401：确定下桥臂各子模块的开关状态：若i_nj0，对第j相上桥臂N个子模块电容电压进行升序排序，选取电容电压小的N_nj个子模块，使它们工作在投入状态，其它子模块工作在切除状态；若i_nj≤0，对第j相上桥臂N个子模块电容电压进行降序排序，选取电容电压大的N_nj个子模块，使它们工作在投入状态，其它子模块工作在切除状态。