一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统转让专利
申请号 : CN202010053134.5
文献号 : CN111355388B
文献日 : 2021-07-27
发明人 : 尹项根 , 王祯 , 陈卫 , 赖锦木 , 许贤昶 , 尹昕
申请人 : 华中科技大学 , 广州智光电气股份有限公司 , 长沙理工大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法,其特征在于,包括两步预测:第一步预测:对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化,得到上、下桥臂第一预测电流;所述上、下桥臂第一预测电流ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k),如下式:其中,p和n分别表示上桥臂和下桥臂,j=a,b,c;ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)代表上、下桥臂第一预测电流, Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期,urefpj(k‑1)、urefnj(k‑1)为k‑1控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,ipj(k)、inj(k)代表k控制周期上、下桥臂电流采样值,uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值;
基于第一步预测的上、下桥臂代价函数,求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量;
所述第一步预测的上、下桥臂代价函数Jp1(k)、Jn1(k),如下式:所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k),如下式:其中,ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)代表上、下桥臂第二预测电流,irefpj(k+1)、irefnj(k+1)为k+1控制周期上、下桥臂电流的指令值;
所述上、下桥臂第二预测电流ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k),如下式:其中,ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)为上、下桥臂第一预测电流,Δurefpj(k)、Δurefnj(k)为第一步预测的上、下桥臂最优电压增量, Lf为桥臂电感,Ts为控制周期;
将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压指令值相加,得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值;
第二步预测:基于上、下桥臂第一预测电流和第一步预测的上、下桥臂电压指令值,计算上、下桥臂第三预测电流;所述上、下桥臂第三预测电流ipj_pre1(k+2|k+1)、inj_pre1(k+2|k+
1),如下式:
其中,p和n分别表示上桥臂和下桥臂,j=a,b,c;ipj_pre1(k+2|k+1)、inj_pre1(k+2|k+1)代表上、下桥臂第三预测电流, Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期,urefpj(k)、urefnj(k)为k控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)为上、下桥臂第一预测电流,uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值;
基于第二步预测的上、下桥臂代价函数,求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量;
所述第二步预测的上、下桥臂代价函数Jp2(k)、Jn2(k),如下式:所述第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1),如下式:其中,ipj_pre2(k+2|k+1)、inj_pre2(k+2|k+1)代表上、下桥臂第四预测电流,irefpj(k+2)、irefnj(k+2)为k+2控制周期上、下桥臂电流指令值;
所述上、下桥臂第四预测电流ipj_pre2(k+2|k+1)、inj_pre2(k+2|k+1),如下式:其中,ipj_pre1(k+2|k+1)、inj_pre1(k+2|k+1)为上、下桥臂第三预测电流,Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)为第二步预测的上、下桥臂最优电压增量, Lf为桥臂电感,Ts为控制周期;
将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量与第一步预测的上、下桥臂电压指令值相加,得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值;
将第二步预测的上、下桥臂电压指令值作为当前控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,输入至调制单元中,得到驱动信号控制MMC的桥臂电压,从而实现桥臂电流的控制。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,k+1控制周期上桥臂电流指令值irefpj(k+
1)、k+2控制周期上桥臂电流指令值irefpj(k+2)均取k控制周期输入的上桥臂电流指令值;k+
1控制周期上桥臂电流的指令值irefnj(k+1)、k+2控制周期下桥臂电流的指令值irefnj(k+2)均取k控制周期输入的下桥臂电流指令值。
3.一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制系统,其特征在于,包括:第一步预测模块,对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化,得到上、下桥臂第一预测电流,基于第一步预测的上、下桥臂代价函数,求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量,将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压指令值相加,得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值;所述第一步预测模块包括:第一预测电流获取单元,用于对MMC上、下桥臂的数学模型进行差分离散化,得到上、下桥臂第一预测电流ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k):其中,p和n分别表示上桥臂和下桥臂,j=a,b,c;ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)代表上、下桥臂第一步预测的第一预测电流, Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期,urefpj(k‑1)、urefnj(k‑1)为k‑1控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,ipj(k)、inj(k)代表k控制周期上、下桥臂电流采样值,uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值;
第一最优电压增量获取单元,基于第一步预测的上、下桥臂代价函数Jp1(k)、Jn1(k),求解第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k):其中,ipj_pre2(k+1|k)、inj_pre2(k+1|k)代表上、下桥臂第二预测电流,irefpj(k+1)、irefnj(k+1)为k+1控制周期上、下桥臂电流指令值;
第一电压指令值获取单元,将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电压的指令值相加,得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k)、urefnj(k):
第二步预测模块,基于上、下桥臂第一预测电流和第一步预测的上、下桥臂电压指令值计算上、下桥臂第三预测电流,基于第二步预测的上、下桥臂代价函数,求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量,将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量与第一步预测的上、下桥臂电压指令值相加,得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值;所述第二步预测模块包括:
第三预测电流获取单元,用于基于上、下桥臂第一预测电流ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)和第一步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k)、urefnj(k),计算上、下桥臂第三预测电流ipj_pre1(k+2|k+1)、inj_pre1(k+2|k+1):其中,p和n分别表示上桥臂和下桥臂,j=a,b,c;ipj_pre1(k+2|k+1)、inj_pre1(k+2|k+1)代表上、下桥臂第三预测电流, Rf为桥臂等效电阻、Lf为桥臂电感、Ts为控制周期,urefpj(k)、urefnj(k)为k控制周期输出的上、下桥臂电压的指令值,ipj_pre1(k+1|k)、inj_pre1(k+1|k)为上、下桥臂第一预测电流,uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)代表k控制周期直流侧母线电压采样值;
第二最优电压增量获取单元,基于第二步预测的上、下桥臂代价函数Jp2(k)、Jn2(k),求解第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1):其中,ipj_pre2(k+2|k+1)、inj_pre2(k+2|k+1)代表上、下桥臂第四预测电流,irefpj(k+2)、irefnj(k+2)为k+2控制周期上、下桥臂电流指令值;
第二电压指令值获取单元,将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)与第一步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k)、urefnj(k)相加,得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k+1)、urefnj(k+1):控制模块,将第二步预测的上、下桥臂电压指令值作为当前控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,输入至调制单元中,得到驱动信号控制MMC的桥臂电压,从而实现桥臂电流的控制。
说明书 :
一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法及系统
技术领域
背景技术
有基于经典控制理论的线性控制器和基于最优控制理论的MPC(Model Predictive
Control,模型预测控制)控制器。
制。实际上,MMC桥臂电流中包括所有的电流信息,如交流侧电流、直流电流及环流,通过控
制桥臂电流可同时实现交流侧电流控制和环流抑制。目前已有研究基于经典控制理论提出
了桥臂电流控制的方法,但需要PI控制器及PR控制器等多个控制器并联,完成对桥臂电流
中不同频率电流指令值的跟踪,控制结构复杂,控制器数量较多,需设计的控制参数较多。
力,动态性能较好,而且可准确跟踪多频带的复合信号。现有的基于MPC的MMC控制方法,控
制器的计算量与级联子模块的数量有关,随着级联子模块数量增加,计算量呈指数增加。
控制量要在下一控制周期才能真正作用在系统上,这会影响控制器的性能。
发明内容
臂电流控制策略控制器数量多,参数整定复杂及动态响应慢的问题。
控制周期,urefpj(k‑1)、urefnj(k‑1)为k‑1控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,ipj(k)、inj
(k)代表k控制周期上、下桥臂电流采样值,uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)
代表k控制周期直流侧母线电压采样值;
值urefpj(k+1)、urefnj(k+1):
而实现桥臂电流控制。
令值irefnj(k+1)、k+2控制周期下桥臂电流的指令值irefnj(k+2)均取k控制周期输入的下桥
臂电流指令值。
压增量,将所述第一步预测的上、下桥臂最优电压增量与上一控制周期输出的上、下桥臂电
压指令值相加,得到第一步预测的上、下桥臂电压指令值;
测的上、下桥臂最优电压增量,将第二步预测的上、下桥臂最优电压增量与第一步预测的
上、下桥臂电压指令值相加,得到第二步预测的上、下桥臂电压指令值;
的控制。
准确跟踪,控制结构简单,动态响应快;
的数量。
附图说明
具体实施方式
用于限定本发明。
预测的代价函数,求解上、下桥臂第一步预测的最优电压控制增量,得到上、下桥臂第一步
预测的电压指令值。第二步预测模块包括基于第一步预测的第一预测电流和上、下桥臂第
一步预测的电压指令值计算第三预测电流,设计第二步预测的代价函数,求解上、下桥臂第
二步预测的最优电压控制增量,得到上、下桥臂第二步预测的电压指令值。将上、下桥臂第
二步预测的电压指令值作为桥臂电流控制器的输出。本发明提供的基于两步模型预测控制
的MMC桥臂电流控制方法,具有三个方面的优势:1)消除了数字信号处理器固有一拍延时的
影响;2)无需进行控制参数设计,降低了控制器设计的复杂度;3)在跟踪桥臂电流指令值
时,无须分频设计控制器,减少了控制器的数量,控制结构简单。
单元组成,每个相单元又分为上下两个桥臂,每个桥臂有2个级联子模块。系统电源额定电
压线电压有效值Us=190V;子模块电容值Cdc=6000μF,子模块电容电压指令值175V;桥臂电
感参数:Larm=10mH,Rarm=0.5Ω。
控制周期,urefpj(k‑1)、urefnj(k‑1)为k‑1控制周期输出的上、下桥臂电压指令值,ipj(k)、inj
(k)代表k控制周期上、下桥臂电流采样值,uoj(k)代表k控制周期并网点电压采样值、Udc(k)
代表k控制周期直流侧母线电压采样值;
值urefpj(k+1)、urefnj(k+1):
令值irefnj(k+1)、k+2控制周期下桥臂电流的指令值irefnj(k+2)均取k控制周期输入的下桥
臂电流指令值。
2.5s时负载增加,实际值也与指令值基本同时变化,两条曲线重合,表明本发明提供控制方
法动态响应快,动态性能好。
在本发明的保护范围之内。