[发明专利]一种模块化多电平DC/DC变换器的模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，用以实现高压侧电流、低压侧电流和桥臂环流的精确控制，包括：建立模块化多电平DC/DC变换器的离散预测模型和被控变量的代价函数，当代价函数达到最小值时获得下一时刻子模块的最佳投切组合。然后根据子模块电容电压的变化规律将子模块分为投入组和切除组，应用归并排序算法对每一桥臂的子模块进行电容电压排序，最终输出子模块的最佳投切组合。本发明通过模型预测控制和归并排序算法，解决了传统的PI控制器无法实现变换器的精确控制，参数整定困难等问题，同时解决了模型预测控制应用在模块化多电平DC/DC变换器时计算量大，无法实时控制等问题。

技术领域

本发明属于大功率电力电子变换器技术领域，涉及一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法。

背景技术

近年来，随着高压直流输电的快速发展，直流电网技术受到了广泛的关注。直流电网具有控制灵活和占地面积较小等优点。直流电网不仅可以实现不同区域的大规模新能源接入，还可以实现不同电网间的直流互联，从而实现电能的高效配置。但是由于已投运的直流输电线路具有不同的电压等级，如何实现不同电压等级的直流线路互联互通成为目前直流电网组网的难题。因此可实现能量双向流动的DC/DC变换器是未来直流电网建设的关键设备之一。

模块化多电平DC/DC变换器具有易于拓展、能量可双向流动等优点，通过合理设计每个桥臂子模块个数，该变换器可以实现任意电压等级的变换。同时该变换器还具备双向故障阻断能力，因此该变换器适用于高压大功率直流电能变换场合。

目前模块化多电平DC/DC变换器的控制策略主要为双闭环PI控制，由于模块化多电平DC/DC变换器是一个多输入多输出、强耦合的非线性系统，因此传统的双闭环控制具有参数整定困难、动态响应速度较慢等缺点。模型预测控制(MPC)具有动态响应快、易于实现等优点，可以实现模块化多电平DC/DC变换器的快速有效控制。

发明内容

本发明提供了一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，以解决目前PI控制器存在的参数整定困难，响应速度慢等问题。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，一种模块化多电平DC/DC变换器模型预测控制方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：建立模块化多电平DC/DC变换器的状态空间模型；

步骤2：利用前向欧拉法对系统的状态空间模型进行离散化处理，得到高压侧电流、低压侧电流、桥臂环流的预测方程；

步骤3：根据高压侧电流、低压侧电流、桥臂环流的预测方程建立相应的参考值；

步骤4：根据步骤2和步骤3，设计所控变量的目标函数；

步骤5：设计桥臂电容电压的排序控制方法和系统整体的控制策略，即成。

本发明具有以下有益效果：

(1)建立了模块化多电平DC/DC变换器的简化预测模型，提供了相应控制目标的解析表达式，简化了系统的控制器设计；

(2)将子模块电容电压进行排序控制，降低了目标函数的复杂度和控制器计算量；

(3)最小化了内外桥臂能量交换所需的环流，减小了系统损耗和开关器件应力；

(4)系统的动态响应速度较快，输出电流纹波较小。

附图说明

附图1为本发明提供的模块化多电平DC/DC变换器拓扑结构图。

附图2为本发明采用的模型预测控制策略原理示意图。

附图3为模块化多电平DC/DC变换器高压侧电流示意图。

附图4为模块化多电平DC/DC变换器低压侧电流示意图。