[发明专利]一种用于模块化多电平直流变压器的模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种用于模块化多电平直流变压器的模型预测控制方法。该方法分为两个部分。第一部分是基于模型预测控制的移相控制得到原边环流参考值。第二个部分是原边类方波交流电压的模型预测控制，包括对需要遍历寻优的开关状态组合的集合进行缩减，用环流预测值和子模块电容电压预测值构造代价方程，并从缩减后的开关状态组合的集合中找出使代价方程最小的开关状态组合。其中，环流预测值的计算包括只在过渡过程开始时采样漏感电流，用采样的漏感电流对每一电平下漏感电流的等效值进行估算，根据估算结果计算环流预测值。本发明能够使得子模块电容电压平衡、抑制环流振荡，在满足精度要求的前提下提高动态性能，从而更好地适应输出功率突变的情况。

技术领域

本发明属于中高压大功率电力电子技术在电力系统中应用技术领域，具体涉及一种用于模块化多电平直流变压器(Modular Multilevel DC Transformer，MMDCT)的模型预测控制方法。

背景技术

随着化石能源的大力开采，全球环境污染日益严重，中国和世界面临着能源结构的转型调整。然而一方面可再生能源都具有间歇性和随机性的特点，其大量接入电网，会对现有的传统交流电网造成不利影响，使其很难对负荷的波动性和新能源发电的随机性快速响应；另一方面，传统网络结构越来越复杂，直流负荷如电动汽车充电桩、智能终端设备、半导体照明装置等越来越多。建立直流电网可以避免中间级电能变换环节，大大提高系统的效率，其次，没有无功电流，增加传输容量与传输距离，且可以集中接入可再生能源发电，提高可再生能源利用率。作为直流电网互联的重要设备，也是制约直流电网推广的主要技术瓶颈，直流变压器(DC Transformer，DCT)近些年来备受关注。

模块化多电平结构由于其拓展性和灵活性，在高压直流输电领域得到广泛应用。已经知晓许多用于MMDCT的控制方法。浙江大学团队 2016年在《中国电机工程学报》刊登的“模块化多电平直流变压器研究”一文中(作者王朝辉等)提出一种基于半桥子模块的模块化多电平直流变压器。其应用于中低压直流配电中，相较于输入串联输出并联型结构，该结构只有一个中高频交流变压器，传输功率高，磁芯利用率高，绝缘设计也更简单。该文通过动态调节每个模块的移相状态可以实现MMC 子模块电容电压的平衡，但是该方法受限于电压增益，因而限制了变流器最大优化区间不能大范围升降压。2018年在《中国电机工程学报》刊登的“基于移相控制的高频链模块化多电平直流变压器分布式控制管理策略及轮换电容电压平衡方法”一文中(作者孙谦浩等)提出了一种轮换电容电压平衡控制方法，通过确定桥臂子模块的先后投入顺序，再根据最大电平逼近的原则确定该轮换周期中不同时隙每个桥臂所需要投入的子模块个数，每个轮换周期中仅需按投入顺序触发子模块，算法简单，但是没有给出如何确定轮换周期数的方法。在《IEEE Transactions on PowerElectronics》刊登的“A Capacitor Voltage Balancing Method for a ModularMultilevel DC Transformer for DC Distribution System”一文(作者S.Shao等)没有严格控制每个周期的子模块电容电压均衡，只有当子模块电压最大值和最小值的差超过规定的范围时才采取控制动作，这些方法本质是重新分配脉冲信号，将子模块按照电容电压大小进行排序，将脉冲信号按照可以充能的强弱分配给响应的子模块。MMDCT作为一个多输入多输出的系统，集合了MMC拓扑与DAB拓扑的优点，同时也存在这些拓扑的共有问题，因此需要寻求一种多目标控制手段，实现 MMDCT整体的控制。

发明内容

发明目的：针对现有MMDCT控制策略的一些不足，提出了一种用于MMDCT的模型预测控制方法，该方法从顶层控制出发，来寻求满足调制波信号的开关组合，从而使得子模块电容电压平衡、抑制环流振荡，并使得最终输出的最优移相占空比在满足精度要求的前提下动作更快速更稳定。