MMC型换流器电容电压波动抑制方法研究北大核心CSCD

为了解决模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动导致的换流器成本与体积增加等问题,提出了一种电容电压二倍频纹波抑制方法。首先从能量脉动角度推导了电容电压波动的数学模型,比较了不同二倍频环流对MMC电容电压波动抑制效果的影响;然后采用Clark变换将桥臂共模电压分解为αβ轴分量,利用准比例谐振控制器生成桥臂环流参考值,设计内环控制器对外环控制器生成的桥臂环流参考值进行跟踪,从而抑制子模块电容电压波动;最后在MATLAB/Simulink仿真系统上对所提控制策略进行仿真验证,通过对比传统环流抑制策略与所提控制策略对电容电压波动的抑制效果,证明了所提方法可有效抑制电容电压波动,改善输出电压的波形质量。     

阈值区间双向逼近的MMC电容电压均衡策略研究

子模块电容电压均衡是模块化多电平换流器正常运行、实现新能源发电并网的重要技术指标。为实现模块化多电平换流器三相各桥臂子模块的电容电压的均衡稳定,提出了一种基于传统最近电平逼近调制算法的均压策略,即阈值区间双向逼近的模块化多电平变换器(MMC)电容电压均衡策略。通过计算子模块电容电压均值以及最大、最小值,选取合适的阈值区间,根据子模块电容电压将子模块进行分组,优先投入阈值区间内子模块,再次从低于阈值下限、高于阈值上限的分组中选择需要投入的子模块,最终逼近输出参考值。利用Matlab/Simulink仿真平台搭建模块化多电平换流器模型,利用S-function编写均压策略控制程序,实现了所提均压策略的换流器仿真。仿真结果表明,该策略具有比传统算法更好的均压效果,能够降低开关损耗;并且,在电容初始电压不同的情况下,该策略具有更快的收敛效果。因此,该结果对进一步优化模块化多电平换流器具有重要意义。     

基于数值计算模型的MMC半桥型子模块仿真方法

模块化多电平换流器（MMC）的各半桥子模块均由两个开关组（1个IGBT和1个反并联的二极管）构成。针对MMC在包含的子模块规模较大的情况下,对采用电路模型分割法对MMC进行分割后的子模块进行仿真求解时仍然会占用较多资源,效率不高的问题,提出了基于数值计算模型的MMC半桥子模块仿真验证方法。首先通过分析三相MMC及其半桥子模块（HBSM）的工作机制,把半桥型子模块中的两个开关组等效为在高、低阻态不断切换的等效电阻并给出了其等效电路。然后针对电容支路的离散化问题,根据梯形积分法推导了MMC半桥型子模块的数值求解公式,给出了数值计算电路模型。最后基于MATLAB仿真平台建立了基于数值计算模型的半桥子模块仿真验证模型,通过与详细模型子模块的仿真波形对比分析,结果表明了所建立的子模块数值计算模型是可行的。     

应用于VSC-HVDC的模块化多电平变换技术研究

近几年来,电力电子技术快速发展,VSC-HVDC在电力电子行业中发挥了重要作用,特别是提出了采用级联子模块的模块化多电平变换器拓扑(Modular Multilevel Converter,MMC)。该技术的应用更便于集成和进行调试安装,方便开关控件增加装置容量以及控制好电压等级。同时,考虑到MMC具有直流母线,同VSC-HVDC的应用理念比较契合。但同时子模块电容电压不均衡与环流问题严重影响MMC对于精准度的控制,易发生一些突发的状况,造成保护机器的成本过高。     

基于NLM策略的模块化多电平换流器研究

介绍了模块化多电平换流器的拓扑结构和工作机制,建立MMC数学模型,将电容均压控制算法运用到不同调制策略中以实现电容电压的稳定.在Matlab-Simulink及RT-LAB半实物仿真平台下搭建7电平的逆变器仿真模型,验证最近电平逼近调制的优势.结果表明最近电平逼近调制策略下换流器运行正常,输出波形质量高、谐波含量少、子模块电容电压波动小,在电平数较高的应用场合中具有较大的优势;并证明了Matlab-Simulink和RT-LAB仿真结果的一致性以及RT-LAB仿真效率的高效性.     

载波移相调制死区时间对模块化多电平换流器的影响研究

分析了死区时间对模块化多电平换流器单个子模块的影响,得出了以下结论:桥臂电流大于零时,子模块从投入状态转向切除状态会产生正极性的死区电压;桥臂电流小于零时,子模块从切除状态转向投入状态会产生负极性的死区电压。分析了死区电压对模块化多电平换流器理想基波电压的影响,推导了输出死区基波电压等效幅值、实际输出电压基波幅值及角度偏移量的公式,得出了以下结论:直流侧电压一定时,死区电压对模块化多电平换流器的影响与载波比、死区时间和输出电压与电流的相位差有关,与投入模块数无关;提高电压调制度和降低死区时间可有效降低死区时间对模块化多电平换流器的影响。仿真结果验证了上述结论的有效性。     

基于MMC的轻型高压直流输电系统的建模与控制

针对基于电压源变换器VSC的高压直流HVDC输电系统存在输出电压低次谐波含量多、需要体积庞大的滤波器和变压器、串联器件的动态均压等问题,提出了一种基于模块化多电平变换器MMC的轻型HVDC输电系统的设计方案;根据建立的MMC-HDVC输电系统的数学模型,详细介绍了该系统控制策略的实现。该控制策略从装置级和系统级两个方面控制MMC-HVDC输电系统,分别实现子模块电容电压的平衡控制及系统的功率解耦控制。仿真结果验证了该系统的可行性与有效性。     

双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究

多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义。本文基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器。针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式。由于本文中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(nearest level modulation,NLM)。最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性。     

MMC电容电压排序优化算法研究

根据模块化多电平换流器的运行原理,研究了传统电容电压排序算法导致器件开关频率增大的根本原因;为降低器件的开关频率,提高系统运行效率,提出了一种电容电压排序优化算法。该算法对传统排序算法进行了优化改进,给定3个电压参考值,将已投入的子模块电容电压值与参考值进行比较,判断是否继续保持投入状态。在Matlab中搭建了每相60个子模块的MMC电容电压排序优化算法仿真模型,仿真结果表明,该算法能显著降低功率器件的开关频率,减小换流器的功率耗损。     

基于改进子模块的MMC-HVDC直流侧故障隔离研究

架空线路场合下的高压直流输电系统(HVDC)故障率较高。当前,混合式直流断路器存在容量小、成本高等问题,使得具备故障自清除能力的子模块成为解决系统直流侧故障的最佳解决方案,但上述方案使用了更多电力电子器件,带来了损耗增大,投资成本增加等问题。为此提出一种新型混合方式的模块化多电平换流器(MMC)子模块拓扑结构,在不影响自清除故障能力的前提下减少了所需电力电子器件,提高其经济性和直流侧故障隔离性能。首先给出了将新型子模块与传统半桥子模块在桥臂中合理搭配的设计方案;其次,探究了改进型拓扑结构极对极短路故障穿越机理及子模块构建的经济性性优化方法。最后,基于PSCAD/EMTDC平台搭建了双端MMC-HVDC模型,对提出的子模块性能及其混合型MMC性能进行仿真验证。结果表明,提出的改进子模块及相应的混合型MMC可快速阻断故障电流,具备良好直流故障隔离能力,且具有更好的经济性,在实际工程中上具有良好的应用前景。     

永磁容错游标轮缘推进电机改进模型预测转矩控制

为提高永磁容错游标轮缘推进电机(FTPMV-RDM)在正常状态和一相开路故障状态下的控制性能, 本文提出了一种基于电压矢量预选的改进模型预测转矩(MPTC)控制方法. 针对六相独立H桥逆变器提供的备选电压矢量数量多导致MPTC系统计算量大的问题, 首先, 采用直接转矩控制中利用转矩、磁链误差及定子磁链位置信息确定预选电压矢量, 减少MPTC系统中电压矢量的枚举次数. 然后, 利用价值函数进行二次筛选得到最优电压矢量. 为了实现开路故障下的容错控制, 提出了一种更换备选电压矢量表的开路故障容错控制策略. 实验结果表明, 基于电压矢量预选的FTPMV-RDM模型, 本文预测转矩控制算法能够在无故障和一相开路故障下抑制电流畸变, 进而有效降低转矩和磁链脉动.     

基于EL模型的MMC无源控制器设计

建立了基于开关状态函数的MMC电磁暂态数学模型,设计了改进的基于EL模型的MMC无源控制器。该控制器采用误差控制方式,即通过控制误差为零使得MCC控制系统实际输出的物理量跟踪参考给定值;为使误差能量快速衰减为零,加快耗散特性,引入了阻尼矩阵;为消除稳态残差电压,将MMC直流电压引入控制系统,与参考电压相比较,经PI调节后与参考有功分量相加得到最终的有功参考分量。仿真结果表明,该控制器能够完全跟踪参考给定值,同时能降低电压波动范围,具有较好的动态响应特性。     

基于MPC的有源电力滤波器直流侧电压优化控制

为了提高有源电力滤波器(APF)的滤波性能和运行稳定性,提出了一种基于模型预测控制(MPC)算法的直流侧电压稳定控制方法,并在此基础上提出了简化滞环空间矢量脉宽调制(SVPWM)控制方法.通过分析直流侧电压的主要影响因素,采用合适的预测模型,保障直流侧电压的稳定.简化后电流控制方法仅需利用三相电压中最大相和最小相,结合误差电流的正负即可直接判断出三相补偿装置的开关状态,避免了大量电压矢量和电流误差矢量的区域判断和最终矢量的选择,提高了系统的响应速度和控制精度.仿真和实验结果证明了控制策略的可行性和优越性.     

Robust nonlinear MPC without terminal constraint for tracking changing setpoints in the presence of non-additive unknown disturbance

This paper develops a novel robust tracking model predictive control (MPC) without terminal constraint for discrete-time nonlinear systems capable to deal with changing setpoints and unknown non-additive bounded disturbances. The MPC scheme without terminal constraint avoids difficult computations for the terminal region and is thus simpler to design and implement. However, the existence of disturbances and/or sudden changes in a setpoint may lead to feasibility and stability issues in this method. In contrast to previous works that considered changing setpoints and/or additive slowly varying disturbance, the proposed method is able to deal with changing setpoints and non-additive non-slowly varying disturbance. The key idea is the addition of tightened input and state (tracking error) constraints as new constraints to the tracking MPC scheme without terminal constraints based on artificial references. In the proposed method, the optimal tracking error converges asymptotically to the invariant set for tracking, and the perturbed system tracking error remains in a variable size tube around the optimal tracking error. Closed-loop input-to-state stability and recursive feasibility of the optimization problem for any piece-wise constant setpoint and non-additive disturbance are guaranteed by tightening input and state constraints as well as weighting the terminal cost function by an appropriate stabilizing weighting factor. The simulation results of the satellite attitude control system are provided to demonstrate the efficiency of the proposed predictive controller.     

神经网络预测控制局部优化初值确定方法

为解决局部优化算法初值选取不当造成神经网络预测控制性能下降的问题,本文提出了一种动态确定初值的方法.在每次优化时通过逆网络将初值选在输出误差最小点,通过修正目标性能函数中的权重因子来确保初值与当前控制量之间存在极值,并在理论上进行了证明.以BP神经网络预测控制为例,采用牛顿拉夫逊算法实现滚动优化,对所提方法进行了仿真实验,结果表明能够解决初值问题,提高控制系统的可靠性.     

Use of model predictive controller in dual-loop control of three-phase PWM AC/DC converter

In the classical dual-loop voltage control scheme for an AC/DC converter, this paper proposes a simple stabilizing inner-loop model predictive controller (MPC) to regulate the output current and q-frame current to their references. The proposed MPC minimizes a cost function of the tracking error without any use of numerical methods using the specific property of the input matrix of the converter. It is shown that this MPC globally stabilizes the converter in the presence of input constraints. As the same manner of the classical dual-loop control scheme, PI controllers are adopted in the outerloop to regulate the output voltage while maintaining the maximum power factor. The simulation results show that the proposed inner-loop MPC considerably enhances the closed-loop performance despite the load changes.     

Predictive Direct Torque Control of Matrix Converter Fed Permanent Magnet Synchronous Machines

This work presents a predictive direct torque control method for matrix converters fed permanent magnet synchronous machine drives. A new look‐up table for direct torque control using matrix converters has been developed. The new look‐up table delivers a set of three different vectors, every sample period, that fulfil the torque and flux demands. Based on a predictive algorithm, the voltage vector from the matrix converter ensuring the minimum torque ripple is selected. The system predicts the torque error for each of the three voltage vectors and selects the one that contributes with the minimum error. Simulation and experimental results, which confirm the good performance of the proposed predictive direct torque control using matrix converters are shown.     

直驱小惯量表贴式永磁同步电机的转速脉动抑制

非线性电流测量误差和电压源逆变器(VSI)非线性畸变电压造成了直驱小惯量表贴式永磁同步电机(SPMSN)的转速脉动.本文将q轴非线性电流测量误差等效为扰动负载电流,提出一种复合PI(CPI)调速器抑制电机转速脉动.该调速器由传统PI调节器与偏差补偿器并联构成,偏差补偿器用以抑制非线性负载电流.同时,用分段线性函数建立IGBT关闭时间模型,并推导了VSI非线性畸变电压表达式.引入积分型模型预测控制(MPC)作为电流环控制器,利用MPC的滚动时域最优预测特性抑制VSI的非线性畸变电压,消除了零电流钳位现象.最后,通过仿真分析验证了所提控制策略的有效性.     

一种基于T-S模糊模型的自适应预测函数控制

针对离散时间非线性系统，提出了一种基于T-S模糊模型的自适应预测函数控制算法。该算法利用加权递推最小二乘法在线辨识T-S模糊模型后件参数，以克服模型失配对系统性能的影响。根据辨识得到的模型参数直接递推计算模型的预测输出，而不需要求解Diophantine方程，进而直接递推求解预测控制律，而不需要求解矩阵逆。仿真结果表明，该算法具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。     

加权多步预报控制

本文提出了一类加权多步预报控制(WLPC)算法.这种算法是由极小化一个很一般的 加权二次型性能指标得到的.由于权因子可以根据闭环极点配置、前馈零点增补和动态性能 要求任意选取,所以可保证闭环系统的稳定性和对建模误差的鲁棒性.文中给出了这方面结 果的理论证明和仿真实例.