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

摘要

本发明公开了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，包括第一步预测和第二步预测，第一步预测包括计算第一预测电流，设计第一步预测的代价函数，求解最优电压增量，得到第一步预测的桥臂电压指令值；第二步预测包括基于第一预测电流和第一步预测的桥臂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，求解最优电压增量，得到第二步预测的桥臂电压指令值，将其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，消除了数字信号处理器固有一拍延时的影响，无需进行控制参数设计，降低了控制器设计的复杂度，在跟踪桥臂电流指令值时，无须分频设计控制器，控制结构简单。

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

[0001] 本发明属于电力系统输配电领域，更具体地，涉及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。

背景技术

[0002] MMC(Modular Multilevel Converter，模块化多电平换流器)由于具有模块化、易扩展、开关频率低和谐波特性好等优势，广泛的应用于中、高压场景中。常采用的MMC控制器
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。

[0003] MMC的控制结构一般包括两部分：交流侧控制器和环流抑制器，分别实现交流侧电流控制和环流的抑制。基于经典控制理论设计PI控制器和PR控制器实现交流侧和环流控
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。

[0004] 模型预测控制作为一种时域控制方法，建模方便；采用滚动优化策略，而非全局一次优化，可以有效补偿模型失配及外部扰动等因素带来的预测误差，具有一定抗扰动的能
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。

[0005] 目前，工程中普遍采用数字信号处理器实现控制算法。但由于采样、计算以及PWM占空比更新等过程，数字信号处理器通常存在一个控制周期延时。当前控制周期所计算的
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

[0006] 针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供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，旨在消除数字信号处理器固有一拍延时的同时，解决现有MMC桥
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。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法，包括基于MMC桥臂模型的两步预测：

[0008] 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：

[0009]

[0010] 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；

[0011] 设计第一步预测的上、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)：

[0012]

[0013]

[0014] 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。

[0015] 将第一步预测的上、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)：

[0016]

[0017] 第二步预测：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：

[0018]

[0019] 设计第二步预测的上、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)：

[0020]

[0021]

[0022] 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。

[0023] 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)：

[0024]

[0025] 将第二步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k+1)、urefnj(k+1)作为k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桥臂的输出电压，从
而实现桥臂电流控制。

[0026] 具体地，上、下桥臂第二预测电流，如下式：

[0027]

[0028] 具体地，上、下桥臂第四预测电流，如下式：

[0029]

[0030] 具体地，第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k)，由令代价函数求导所得导数为0推出，如下式：

[0031]

[0032] 具体地，第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)，由令代价函数求导所得导数为0推出，如下式：

[0033]

[0034] 具体地，k+1控制周期上桥臂电流的指令值irefpj(k+1)、k+2控制周期上桥臂电流的指令值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。

[0035] 按照本发明的另一方面，提供了一种基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制系统，包括：

[0036] 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；

[0037] 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；

[0038] 控制模块，将第二步预测的上、下桥臂电压指令值作为k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。

[0039] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

[0040] 1、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，当前控制周期计算输出的是下一控制周期的控制量，可消除数字信号处理器固有一拍延时的影响；

[0041] 2、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，无需参数整定，降低了控制器的复杂度；

[0042] 3、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，可实现多频带复合信号的准确跟踪，只需设计一个两步模型预测控制器就可实现MMC桥臂电流指令值的
准确跟踪，控制结构简单，动态响应快；

[0043] 4、本发明提供的基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法在跟踪桥臂电流指令值时，无须分频设计控制器，不再采用多个频域控制器并联的控制结构，减少了控制器
的数量。

附图说明

[0044] 图1是本发明实施例提供的MMC的拓扑结构示意图；

[0045] 图2是本发明实施例提供的基于两步模型预测的MMC桥臂电流控制方法实施流程图；

[0046] 图3是本发明实施例提供的MMC整流器在稳态下的网侧电压电流仿真波形图；

[0047] 图4是本发明实施例提供的MMC整流器A相上桥臂桥臂电流指令值和实际值的仿真波形图。

具体实施方式

[0048] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不
用于限定本发明。

[0049] 本发明公开了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，包括第一步预测模块和第二步预测模块。第一步预测模块包括计算第一预测电流，设计第一步
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。

[0050] 为说明基于两步模型预测控制的MMC桥臂电流控制方法的正确性及其控制效果，建立仿真模型，模型如图1所示，为本发明实施例提供的MMC的拓扑结构，MMC由三个并联相
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。

[0051] 如图2所示，本发明提出的控制方法具体包括两步预测。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：

[0052]

[0053] 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；

[0054] 设计第一步预测的上、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)：

[0055]

[0056]

[0057] 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。

[0058] 将第一步预测的上、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)：

[0059]

[0060] 第二步预测：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：

[0061]

[0062] 设计第二步预测的上、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)：

[0063]

[0064]

[0065] 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。

[0066] 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)：

[0067]

[0068] 将第二步预测的上、下桥臂电压指令值urefpj(k+1)、urefnj(k+1)作为k控制周期输出的上、下桥臂电压指令值。

[0069] 具体地，上、下桥臂第二预测电流，如下式：

[0070]

[0071] 具体地，上、下桥臂第四预测电流，如下式：

[0072]

[0073] 具体地，第一步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k)、Δurefnj(k)，由令代价函数求导所得导数为0推出，如下式：

[0074]

[0075] 具体地，第二步预测的上、下桥臂最优电压增量Δurefpj(k+1)、Δurefnj(k+1)，由令代价函数求导所得导数为0推出，如下式：

[0076]

[0077] 具体地，k+1控制周期上桥臂电流的指令值irefpj(k+1)、k+2控制周期上桥臂电流的指令值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。

[0078] 图3所示为稳态情况下，MMC整流器网侧电压电流的仿真波形，输出电流的谐波含量少，THD仅为0.93％。

[0079] 图4所示为MMC整流器A相上桥臂电流的指令值和实际值波形图。图中，黑色实线为指令值，灰色虚线为实际值，两条曲线重合，表明所提供控制方法跟踪准确，控制精度高。
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。

[0080] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。