本发明提供了一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法和系统，根据相电流和桥臂内部电流参考值分别计算桥臂总电压和输出相电压的预测值；根据相电流和桥臂内部电流的采样值计算桥臂总电压和输出相电压的预测误差；根据桥臂总电压和输出相电压预测误差对的桥臂总电压和输出相电压进行滚动优化，获得最终的桥臂总电压和输出相电压预测值；根据桥臂总电压和输出相电压的预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个桥臂子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断。本发明可以消除因系统参数精度不高带来的静态误差，提高系统的稳态精度。
1.一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，其特征在于，包括：
步骤1：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的参考值分别计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值；
步骤2：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的采样值校正时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测值，获得校正值；
步骤3：根据某一时刻t模块化多电平变流器桥臂总电压和输出相电压的预测值和校正值，计算某一时刻t桥臂总电压和输出相电压的预测误差；
步骤4：根据步骤3计算所得某一时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测误差对步骤1计算所得的下一时刻t+Ts的桥臂总电压和输出相电压的预测值进行滚动优化，获得桥臂总电压和输出相电压的最终预测值；
步骤5：根据步骤4计算所得下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的最终预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；
步骤6：根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断；
步骤7：每隔采样时间Ts，重复步骤1至步骤6，当模块化多电平变流器关闭时结束。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，其特征在于，步骤1中计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值包括：式中， 为t+Ts时刻桥臂总电压的预测值，Ts为采样间隔，Udc为输入的直流电压，Lb为桥臂电感， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值，idiffj(t)为时刻t桥臂内部电流的采样值， 为t+Ts时刻输出相电压的预测值，usj(t)为t时刻交流侧电压的采样值，R′为等效电阻， 为t+Ts时刻相电流的参考值，L′为等效电感，ij(t)为t时刻相电流的采样值，下标j＝a,b,c为相序。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，其特征在于，步骤2中桥臂总电压和输出相电压的校正值的计算包括：式中， 为t时刻桥臂总电压的校正值， 为t时刻输出相电压的校正值，usj(t-Ts)为t-Ts时刻交流侧电压的采样值，idiffj(t-Ts)为t-Ts时刻桥臂内部电流的采样值，ij(t-Ts)为t-Ts时刻相电流的采样值。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，其特征在于，步骤3中桥臂总电压和输出相电压的预测误差的计算包括：式中，ΔUsumj为桥臂总电压的预测误差， 为t时刻桥臂总电压的预测值，Δuj为输出相电压的预测误差， 为t时刻输出相电压的预测值。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，其特征在于，步骤4中桥臂总电压和输出相电压的最终预测值的计算包括：式中， 为t+Ts时刻的桥臂总电压的最终预测值， 为t+Ts时刻桥臂内
部电流的参考值， 为t+Ts时刻的输出相电压的最终预测值， 为t+Ts时刻相电流的参考值，λ1、λ2为滚动优化系数。
6.一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，其特征在于，包括：
预测值计算模块：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的参考值分别计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值；
校正值计算模块：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的采样值校正时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测值，获得校正值；
预测误差计算模块：根据某一时刻t模块化多电平变流器桥臂总电压和输出相电压的预测值和校正值，计算某一时刻t桥臂总电压和输出相电压的预测误差；
最终预测值计算模块：根据计算所得某一时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测误差对步骤1计算所得的下一时刻t+Ts的桥臂总电压和输出相电压的预测值进行滚动优化，获得桥臂总电压和输出相电压的最终预测值；
子模块开通数量计算模块：根据计算所得下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的最终预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；
滚动优化模块：根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断；每隔采样时间Ts，重复计算预测值、校正值、预测误差、最终预测值以及子模块开通数量，进行一次滚动优化，当模块化多电平变流器关闭时结束。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，其特征在于，计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值包括：式中， 为t+Ts时刻桥臂总电压的预测值，Ts为采样间隔，Udc为输入的直流电压，Lb为桥臂电感， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值，idiffj(t)为时刻t桥臂内部电流的采样值， 为t+Ts时刻输出相电压的预测值，usj(t)为t时刻交流侧电压的采样值，R′为等效电阻， 为t+Ts时刻相电流的参考值，L′为等效电感，ij(t)为t时刻相电流的采样值，下标j＝a,b,c为相序。
8.根据权利要求7所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，其特征在于，桥臂总电压和输出相电压的校正值的计算包括：式中， 为t时刻桥臂总电压的校正值， 为t时刻输出相电压的校正值，usj(t-Ts)为t-Ts时刻交流侧电压的采样值，idiffj(t-Ts)为t-Ts时刻桥臂内部电流的采样值，ij(t-Ts)为t-Ts时刻相电流的采样值。
9.根据权利要求8所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，其特征在于，桥臂总电压和输出相电压的预测误差的计算包括：式中，ΔUsumj为桥臂总电压的预测误差， 为t时刻桥臂总电压的预测值，Δuj为输出相电压的预测误差， 为t时刻输出相电压的预测值。
10.根据权利要求9所述的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，其特征在于，桥臂总电压和输出相电压的最终预测值的计算包括：式中， 为t+Ts时刻的桥臂总电压的最终预测值， 为t+Ts时刻桥臂内
部电流的参考值， 为t+Ts时刻的输出相电压的最终预测值， 为t+Ts时刻相电流的参考值，λ1、λ2为滚动优化系数。
模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法和系统
技术领域
[0001] 本发明涉及变流器控制领域，具体地，涉及一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法和系统。
背景技术
[0002] 模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)高压直流输电系统(High Voltage Direct Current Transmission，HVDC)因其具有良好的电能传输质量、灵活的功率调节能力及结构简单、易于拓展等特性，在海上风电等可再生新能源发电并网和长距离柔性直流输电场合得到广泛应用。MMC采用模型预测控制技术时，因系统参数检测精度不足、采样滞后等问题，会导致相电流存在静态误差，需要进行误差补偿校正。
[0003] 目前尚未发现适用于模块化电平变流器模型预测控制技术的误差反馈滚动优化方法。
发明内容
[0004] 针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法和系统。
[0005] 根据本发明提供的一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，包括：
[0006] 步骤1：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的参考值分别计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值；
[0007] 步骤2：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的采样值校正时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测值，获得校正值；
[0008] 步骤3：根据某一时刻t模块化多电平变流器桥臂总电压和输出相电压的预测值和校正值，计算某一时刻t桥臂总电压和输出相电压的预测误差；
[0009] 步骤4：根据步骤3计算所得某一时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测误差对步骤1计算所得的下一时刻t+Ts的桥臂总电压和输出相电压的预测值进行滚动优化，获得桥臂总电压和输出相电压的最终预测值；
[0010] 步骤5：根据步骤4计算所得下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的最终预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；
[0011] 步骤6：根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断；
[0012] 步骤7：每隔采样时间Ts，重复步骤1至步骤6，当模块化多电平变流器关闭时结束。
[0013] 优选的，步骤1中计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值包括：
[0014]
[0015]
[0016] 式中， 为t+Ts时刻桥臂总电压的预测值，Ts为采样间隔，Udc为输入的直流电压，Lb为桥臂电感， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值，idiffj(t)为时刻t桥臂内部电流的采样值， 为t+Ts时刻输出相电压的预测值，usj(t)为t时刻交流侧电压的采样值，R′为等效电阻， 为t+Ts时刻相电流的参考值，L′为等效电感，ij(t)为t时刻相电流的采样值，下标j＝a,b,c为相序。
[0017] 优选的，步骤2中桥臂总电压和输出相电压的校正值的计算包括：
[0018]
[0019]
[0020] 式中， 为t时刻桥臂总电压的校正值， 为t时刻输出相电压的校正值，usj(t-Ts)为t-Ts时刻交流侧电压的采样值。
[0021] 优选的，步骤3中桥臂总电压和输出相电压的预测误差的计算包括：
[0022]
[0023]
[0024] 式中，ΔUsumj为桥臂总电压的预测误差， 为t时刻桥臂总电压的预测值，Δuj为输出相电压的预测误差， 为t时刻输出相电压的预测值。
[0025] 优选的，步骤4中桥臂总电压和输出相电压的最终预测值的计算包括：
[0026]
[0027]
[0028] 式中， 为t+Ts时刻的桥臂总电压的最终预测值， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值， 为t+Ts时刻的输出相电压的最终预测值， 为t+Ts
时刻相电流的参考值，λ1、λ2为滚动优化系数。
[0029] 根据本发明提供的一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，包括：
[0030] 预测值计算模块：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的参考值分别计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值；
[0031] 校正值计算模块：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的采样值校正时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测值，获得校正值；
[0032] 预测误差计算模块：根据某一时刻t模块化多电平变流器桥臂总电压和输出相电压的预测值和校正值，计算某一时刻t桥臂总电压和输出相电压的预测误差；
[0033] 最终预测值计算模块：根据计算所得某一时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测误差对步骤1计算所得的下一时刻t+Ts的桥臂总电压和输出相电压的预测值进行滚动优化，获得桥臂总电压和输出相电压的最终预测值；
[0034] 子模块开通数量计算模块：根据计算所得下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的最终预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；
[0035] 滚动优化模块：根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断；每隔采样时间Ts，重复计算预测值、校正值、预测误差、最终预测值以及子模块开通数量，进行一次滚动优化，当模块化多电平变流器关闭时结束。
[0036] 优选的，计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值包括：
[0037]
[0038]
[0039] 式中， 为t+Ts时刻桥臂总电压的预测值，Ts为采样间隔，Udc为输入的直流电压，Lb为桥臂电感， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值，idiffj(t)为时刻t桥臂内部电流的采样值， 为t+Ts时刻输出相电压的预测值，usj(t)为t时刻交流侧电压的采样值，R′为等效电阻， 为t+Ts时刻相电流的参考值，L′为等效电感，ij(t)为t时刻相电流的采样值，下标j＝a,b,c为相序。
[0040] 优选的，桥臂总电压和输出相电压的校正值的计算包括：
[0041]
[0042]
[0043] 式中， 为t时刻桥臂总电压的校正值， 为t时刻输出相电压的校正值，usj(t-Ts)为t-Ts时刻交流侧电压的采样值。
[0044] 优选的，桥臂总电压和输出相电压的预测误差的计算包括：
[0045]
[0046]
[0047] 式中，ΔUsumj为桥臂总电压的预测误差， 为t时刻桥臂总电压的预测值，Δuj为输出相电压的预测误差， 为t时刻输出相电压的预测值。
[0048] 优选的，桥臂总电压和输出相电压的最终预测值的计算包括：
[0049]
[0050]
[0051] 式中， 为t+Ts时刻的桥臂总电压的最终预测值， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值， 为t+Ts时刻的输出相电压的最终预测值， 为t+Ts
时刻相电流的参考值，λ1、λ2为滚动优化系数。
[0052] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0053] 本发明通过误差反馈对模型控制技术进行滚动优化，可以有效消除系统参数精度不足带来的静态误差，避免控制方法的参数敏感性，提高控制方法的稳态精度。
附图说明
[0054] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0055] 图1为本发明提供的模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法的流程图；
[0056] 图2为应用本发明提供的方法及系统的三相模块化多电平变流器系统结构图；
[0057] 图3为图1所示三相模块化多电平变流器系统的单相等效电路图；
[0058] 图4为本发明实施例中模块化多电平变流器系统在等效电感误差系数为+25％时的相电流跟踪误差的动态响应仿真波形图；
[0059] 图5为本发明实施例中模块化多电平变流器系统在等效电感误差系数为-25％时的相电流跟踪误差的动态响应仿真波形图。
具体实施方式
[0060] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0061] 如图1所示，本发明提供的一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化方法，包括：
[0062] 步骤1：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的参考值分别计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值；
[0063] 步骤2：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的采样值校正时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测值，获得校正值；
[0064] 步骤3：根据某一时刻t模块化多电平变流器桥臂总电压和输出相电压的预测值和校正值，计算某一时刻t桥臂总电压和输出相电压的预测误差；
[0065] 步骤4：根据步骤3计算所得某一时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测误差对步骤1计算所得的下一时刻t+Ts的桥臂总电压和输出相电压的预测值进行滚动优化，获得桥臂总电压和输出相电压的最终预测值；
[0066] 步骤5：根据步骤4计算所得下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的最终预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；
[0067] 步骤6：根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断；
[0068] 步骤7：每隔采样时间Ts，重复步骤1至步骤6，当模块化多电平变流器关闭时结束。
[0069] 根据图2和图3所示：
[0070] 步骤1中计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值包括：
[0071]
[0072]
[0073] 式中， 为t+Ts时刻桥臂总电压的预测值，Ts为采样间隔，Udc为输入的直流电压，Lb为桥臂电感， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值，idiffj(t)为时刻t桥臂内部电流的采样值， 为t+Ts时刻输出相电压的预测值，usj(t)为t时刻交流侧电压的采样值，R′为等效电阻， 为t+Ts时刻相电流的参考值，L′为等效电感，ij(t)为t时刻相电流的采样值，下标j＝a,b,c为相序。本实施例中，采样间隔Ts为100μs，桥臂电感Lb为15mH，等效电阻R′为0.1Ω，等效电感L′为12.5mH。
[0074] 步骤2中桥臂总电压和输出相电压的校正值的计算包括：
[0075]
[0076]
[0077] 式中， 为t时刻桥臂总电压的校正值， 为t时刻输出相电压的校正值，usj(t-Ts)为t-Ts时刻交流侧电压的采样值。
[0078] 步骤3中桥臂总电压和输出相电压的预测误差的计算包括：
[0079]
[0080]
[0081] 式中，ΔUsumj为桥臂总电压的预测误差， 为t时刻桥臂总电压的预测值，Δuj为输出相电压的预测误差， 为t时刻输出相电压的预测值。
[0082] 步骤4中桥臂总电压和输出相电压的最终预测值的计算包括：
[0083]
[0084]
[0085] 式中， 为t+Ts时刻的桥臂总电压的最终预测值， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值， 为t+Ts时刻的输出相电压的最终预测值， 为t+Ts时
刻相电流的参考值，λ1、λ2为滚动优化系数。本实施例中，滚动优化系数λ1、λ2取值为0.95。
[0086] 根据图4、图5所示，采用本发明以后，相电流(abc三相)的静态误差在0.2秒之后得到了显著的改善。
[0087] 同理，本发明还提供的一种模块化多电平变流器模型预测控制的滚动优化系统，包括：
[0088] 预测值计算模块：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的参考值分别计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值；
[0089] 校正值计算模块：在某一时刻t，根据模块化多电平变流器的相电流和桥臂内部电流的采样值校正时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测值，获得校正值；
[0090] 预测误差计算模块：根据某一时刻t模块化多电平变流器桥臂总电压和输出相电压的预测值和校正值，计算某一时刻t桥臂总电压和输出相电压的预测误差；
[0091] 最终预测值计算模块：根据计算所得某一时刻t的桥臂总电压和输出相电压的预测误差对步骤1计算所得的下一时刻t+Ts的桥臂总电压和输出相电压的预测值进行滚动优化，获得桥臂总电压和输出相电压的最终预测值；
[0092] 子模块开通数量计算模块：根据计算所得下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的最终预测值，计算各个桥臂需开通子模块的数量；
[0093] 滚动优化模块：根据桥臂电流方向和子模块电压大小对各个子模块进行排序，选择对应的子模块作为投入子模块，并发布触发指令控制投入子模块以及其余子模块的开断；每隔采样时间Ts，重复计算预测值、校正值、预测误差、最终预测值以及子模块开通数量，进行一次滚动优化，当模块化多电平变流器关闭时结束。
[0094] 计算下一时刻t+Ts桥臂总电压和输出相电压的预测值包括：
[0095]
[0096]
[0097] 式中， 为t+Ts时刻桥臂总电压的预测值，Ts为采样间隔，Udc为输入的直流电压，Lb为桥臂电感， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值，idiffj(t)为时刻t桥臂内部电流的采样值， 为t+Ts时刻输出相电压的预测值，usj(t)为t时刻交流侧电压的采样值，R′为等效电阻， 为t+Ts时刻相电流的参考值，L′为等效电感，ij(t)为t时刻相电流的采样值，下标j＝a,b,c为相序。
[0098] 桥臂总电压和输出相电压的校正值的计算包括：
[0099]
[0100]
[0101] 式中， 为t时刻桥臂总电压的校正值， 为t时刻输出相电压的校正值，usj(t-Ts)为t-Ts时刻交流侧电压的采样值。
[0102] 桥臂总电压和输出相电压的预测误差的计算包括：
[0103]
[0104]
[0105] 式中，ΔUsumj为桥臂总电压的预测误差， 为t时刻桥臂总电压的预测值，Δuj为输出相电压的预测误差， 为t时刻输出相电压的预测值。
[0106] 桥臂总电压和输出相电压的最终预测值的计算包括：
[0107]
[0108]
[0109] 式中， 为t+Ts时刻的桥臂总电压的最终预测值， 为t+Ts时刻桥臂内部电流的参考值， 为t+Ts时刻的输出相电压的最终预测值， 为t+Ts
时刻相电流的参考值，λ1、λ2为滚动优化系数。
[0110] 本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0111] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
