模块化多电平变换器改进两段式模型预测控制

基于有限控制集的模型预测控制应用于模块化多电平变换器(MMC)时通常会暴露出计算复杂与交流侧输出电流严重失真等问题。提出一种双矢量优化谐波电流模型预测控制策略,即改进两段式模型预测控制,可减少开关状态组合计算量,进一步优化交流侧输出电流。推导了MMC离散数学模型,并构建无权重因子的代价函数,通过计算实际电流与参考电流包围的最小面积重新定义同一周期内两阶段开关信号的占空比,并引入一种附加冗余子模块的方法抑制桥臂环流,接着提出一种败者树多路归并排序算法均衡电容电压。在MATLAB/Simulink平台搭建三相23电平MMC仿真模型验证该策略的有效性。相比于两段式模型预测控制,所提策略的交流侧输出电流跟踪更加精准,谐波畸变率更小。     

模块化多电平变换器的电容电压卡尔曼滤波预测方法EI北大核心CSCD

为避免子模块电压互感器发生故障对直流配电网模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)安全可靠运行造成威胁,需为MMC配置备用测量装置。工程上通常为所有子模块配置备用电压互感器以保证高可靠测量,但使得硬件结构较为复杂。为此,文中提出一种适用于中高压MMC测量系统备用模式的电容电压卡尔曼滤波预测方法,并融合快速模型预测控制(fast model predictive control,FMPC)策略提升电能变换稳定性。首先,为各桥臂仅配置一个电流互感器,无需任何电压互感器,并构建卡尔曼滤波观测器,提出卡尔曼滤波预测方法;进而根据电容电压预测值建立FMPC目标优化函数,确定桥臂最优电平数和子模块投切情况,在保证MMC输出电流和环流跟踪性能及电容电压预测准确性的前提下,显著简化测量系统硬件结构。最后,搭建21电平仿真模型和三电平实验平台,通过多个算例和工况验证所提方法的可行性和实用性。     

基于模块统一脉宽调制的模块化多电平变换器优化模型预测控制

针对模块化多电平变换器传统模型预测算法(model predictive control,MPC)计算量大、权重因子调节复杂的问题,提出了一种优化的模型预测控制策略。通过控制各相上、下桥臂导通子模块的个数,控制交流侧电流快速跟随给定值,并抑制模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)内部环流。同时,基于子模块电容电压排序算法,稳定各子模块电容电压。相较于传统的MMC模型预测控制方法,该方法无需求解价值函数,很大程度上降低了控制器的运算量,同时有效控制了相电流、环流与子模块电容电压,适用于控制性能要求较高的场合。借助模块化多电平逆变器仿真模型与实验样机验证所提算法的有效性。结果表明,优化后的模型预测算法能有效抑制环流,维持子模块电容电压稳定,相电流快速跟随给定值,同时很大程度上减少了控制系统的计算量。     

MMC-HVDC系统的低频模型预测控制方法

由于模型预测控制（model predictive control,MPC）具有原理简单、可同时实现多目标控制等优点,在模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）中应用越来越多,但传统模型预测控制存在计算量大、换流器开关频率高等问题。提出一种改进的模型预测控制方法,首先利用交流电流指标函数寻找最优开关状态组合,其次根据相邻时刻上子桥臂投入模块数目的变化,对开关状态组合进行优化,最后设计一个综合指标函数同时完成子模块电容电压平衡控制与环流抑制。该方法大幅减少了寻优过程的计算量,且降低了换流器的平均开关频率,减小了系统损耗,适合应用于MMC系统。基于MATLAB平台搭建了11电平三相MMC-HVDC仿真系统,仿真结果验证了所提方法的有效性和正确性。     

可改善中压MMC谐波特性的无差拍控制策略

为解决模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）输出电流畸变问题,提出一种中压直流配电网MMC的无差拍电流控制策略。该策略在每个控制周期内根据交流侧实际电流和参考电流的差值计算通断子模块的数量,使MMC能够在子模块开关次数较低的情况下增加电平切换频率。同时,所提策略无需比例积分调节（proportional integral control,PI）,且减少了坐标变换次数,具有较快的计算速度。     

可改善中压MMC谐波特性的无差拍控制策略

为解决模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）输出电流畸变问题,提出一种中压直流配电网MMC的无差拍电流控制策略。该策略在每个控制周期内根据交流侧实际电流和参考电流的差值计算通断子模块的数量,使MMC能够在子模块开关次数较低的情况下增加电平切换频率。同时,所提策略无需比例积分调节（proportional integral control,PI）,且减少了坐标变换次数,具有较快的计算速度。     

基于多步模型预测控制的模块化多电平换流器环流控制策略

模块化多电平换流器(MMC)以其结构模块化、低谐波输出以及冗余控制等优点在中高压领域得到了广泛的关注与研究。推导了MMC离散数学模型,提出了基于多步模型预测控制的MMC环流控制方法,能够实现桥臂环流的多步优化控制并有效地降低预测控制计算量。首先利用环流电流离散状态方程进行单步环流预测,再选取满足单步预测效果的投入模块数进行多步环流预测,最终求解出桥臂投入模块数的优化解,实现环流电流的多步优化控制,从而有效地抑制环流中的谐波电流。所提多步预测控制利用单步预测得到的优化解构建多步预测的有限控制集,可以大幅减少多步预测所需要的循环预测次数,有效地降低控制器的计算量。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了201电平MMC时域仿真控制系统,仿真结果验证了所提方法的正确性与有效性。     

基于子模块组合的模块化多电平变换器简化空间矢量调制策略

调制策略对模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）的稳定运行有着至关重要的作用。针对空间矢量调制SVM（space vector modulation）策略应用在MMC中存在计算复杂度高的问题,提出了一种简化的SVM控制策略。首先,将子模块分组构成子单元,使用三电平SVM对每一个子单元进行控制。其次,将相邻子单元的采样时间均匀地错开,以实现MMC多电平输出,降低输出电压和电流的谐波含量。最后,结合电容电压排序策略对子模块进行灵活控制,保证子模块电容电压的均衡。所提出的调制策略在子模块数量较多的MMC拓扑中实施简单,计算复杂度低,控制灵活性高。实验验证了所提方法的可行性和有效性。     

基于MMC的优化模型预测控制研究

首先推导了有限控制集模型预测控制(FCS-MPC),然而该方法在子模块数量较多情况下仍存在运算量较大的问题。在此基础上提出基于模块化多电平变换器(MMC)的优化MPC,该方法采用60°坐标系转换思想,将预测电流改为预测电压,对于任意子模块个数的MMC,都只需进行3次价值函数计算,能大大减少运算量,有效缩短预测和寻优时长。最后在MMC实验样机上进行验证,证明了所提基于MMC的优化MPC策略的正确性。     

MMC换流器虚拟子模块快速模型预测控制

提出一种虚拟子模块快速模型预测控制(VSF-MPC)方法。建立模块化多电平换流器(MMC)系统预测模型,提出期望输出电压预测控制,降低控制器运算负荷与耗时。同时引入虚拟子模块概念,将高优先级拾取的子模块投切方案映射至实际受控系统,以降低开关损耗。实验结果表明,所提VSF-MPC策略可有效缩短MPC策略的运算耗时,简化控制系统结构,并保持良好的动、稳态性能。     

无差拍优化T型三电平APF模型预测电流控制

为实现T型三电平有源电力滤波器(APF)的高性能电流跟踪控制及其鲁棒性,提出了一种无差拍优化有限集模型预测控制(FCS-MPC)算法,并设计了滤波电感在线观测器。首先,为降低滚动优化过程的运算量,提出了一种基于谐波电流无差拍预测的电压矢量控制集简化方法,减少了每个控制周期内迭代计算的次数。然后,为降低电感参数失配对FCS-MPC算法性能的影响,设计了一种电感观测器完成参数的在线修正。最后,通过仿真对所提算法完成验证。仿真结果表明,所提算法不仅保持了传统FCS-MPC优越的动静态响应性能,同时显著减少了数字实现的运算量,提升了参数失配时控制系统的鲁棒性。     

模块化多电平变流器HVDC系统的模型预测控制

随着电压源变换器型高压直流(Voltage-Sourced Converter-Based High-Voltage Direct Current,VSC-HVDC)输电需求的持续增加,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)成为柔性直流输电的研究热点。环流的抑制和子模块电容电压的平衡是MMC控制的研究重点之一。推导了模块化多电平变换器高压直流(Modular Multilevel Converter based HVDC,MMC-HVDC)输电系统的离散数学模型,在此基础上针对五电平MMC的控制目标提出一种改进的具有工程应用价值的模型预测控制策略(Model Predictive Control,MPC)。通过引入误差因子减小了子模块电压波动范围,同时通过MPC与电压排序算法相结合减小了传统MPC的计算量,并实现了HVDC系统传输功率的控制、MMC环流的抑制和MMC子模块中电容电压的平衡。仿真结果验证了所提出的控制策略的有效性。     

基于模型预测控制的模块化多电平变流器桥臂能量控制策略

已有模块化多电平变流器(MMC)控制策略大多采用单一子模块电容电压参考给定的控制方式,存在无法分别控制不同桥臂子模块电容电压等不足。提出一种基于模型预测控制的MMC桥臂能量控制策略,通过引入桥臂能量共模分量和差模分量控制,实现各桥臂子模块电容电压的灵活控制;同时,基于MMC的暂态数学模型设计相电流及环流模型预测控制器,并引入电流误差反馈滚动优化,有效地实现了外部相电流和内部环流的解耦控制,使环流控制器具有能灵活实现环流抑制和环流注入的特性,且对系统参数不敏感。仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。     

Research on high voltage DC transmission system optimal control based on MMC

In high voltage direct current (HVDC) transmission system, modular multilevel converter (MMC) is not satisfactory to maintain the balance of the capacitor voltage and doesn’t have the DC side fault ride-through capability. This paper presents that the MMC bridge arm consisting of half bridge module and clamping double sub module in series can reduce the loss of steady state operation and the amount of components. The repetitive predictive control is proposed to suppress the circulation current and balance the capacitor voltage based on the topology of MMC. A related model is built in the PASAD/EMTDC software environment and a repetitive predictive control strategy is developed. The simulation results show that the proposed system not only has the DC side fault ride-through capability, but also carries out the capacitor voltage balancing task and minimizes the circulating currents.     

低复杂度永磁同步电机双矢量模型预测控制策略

针对永磁同步电机模型预测电流控制中计算量大和电流波动问题,提出了一种低复杂度双矢量模型预测电压控制策略。该方法无需遍历所有的电压矢量,仅通过代价函数预测和评估三个不相邻的有效电压矢量,根据三个代价函数值的关系,即可精确快速地确定两个相邻最优有效电压矢量。最优有效的电压矢量选择可以减少预测计算量,同时引入dq轴电压差作用时间计算方法,计算最优有效电压矢量作用时间,以降低计算量。仿真结果表明,相较于占空比策略和传统双矢量模型预测电流控制策略,所提控制策略在保证系统稳态和动态性能的基础上,降低了计算复杂度和电流波动,改善了转矩脉动。     

模块化多电平换流器的快速电压模型预测控制策略

针对传统模型预测控制策略用于模块化多电平换流器(MMC)时存在运算量庞大的问题,在分析MMC离散数学模型的基础上,通过优化控制目标实现方式、简化滚动优化过程,提出一种结合排序均压思想的快速电压模型预测控制策略。该控制策略针对三相MMC系统,基于电压矢量预测模型进行设计,可在保留传统模型预测控制算法优点的同时令运算量得到大幅度减小,使其应用不受MMC电平数量限制。通过在MATLAB/Simulink软件中搭建双端21电平的基于MMC的柔性高压直流输电(MMC-HVDC)系统模型进行了仿真验证,证明了所提控制策略的正确性和有效性。     

适用于弱交流系统的MMC-HVDC模型预测控制策略

基于虚拟同步发电机的模块化多电平变流器(MMC)控制策略参数设计复杂,响应速度缓慢。提出一种适用于弱交流系统的基于MMC的柔性高压直流输电(MMC-HVDC)模型预测控制策略,采用电压预测滚动优化和参考轨迹柔化技术,提高模型预测控制精度,降低器件开关频率并改善系统暂态响应性能。同时,通过在外环控制引入有功调频、无功调压控制,在内环控制引入直接电压预测控制,使得MMC能够有效参与受端电网频率调节,并保持有功、无功解耦控制。最后,通过MATLAB/Simulink平台进行仿真验证,仿真结果表明所提控制策略可以有效改善输出电能质量,降低开关频率,减小开关损耗,提高暂态响应速度,为弱交流系统提供更好的频率支撑特性。