CN113193766A - 一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及*** - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***，包括：获得变流器集群当前时刻的三相电流值并进行坐标变换及延时补偿；针对补偿后的三相电流值，预测在后续时刻的电流值，根据预测值计算代价函数，比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量；针对补偿后的三相电流值，计算零序环流，根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量；根据得到的最优电压矢量和零电压矢量，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号，以消除环流。可在精准控制输出电流的前提下，可有效消除并联变流器间的零序环流。

Description

一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***

技术领域

本公开属于新能源并网、智能微电网和电力电子能量变换等技术领域，尤其涉及一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

建设低碳、高效的能源***是我国能源转型的核心目标，新能源接入及其能量变换是实现这一目标的关键手段。近年来，新能源规模的不断扩大，能量变换、传输的功率等级不断提高，因此研发设计大功率电力电子变流装备的需求迫切。为解决上述问题，仅从提升单机功率等级的角度出发仍存在诸多限制：①可扩展性差，无法实现灵活扩容；②可靠性差，局部故障即导致***失效；③受限于功率半导体容量；④大容量的无源部件设计困难。模块化的设计思想是解决上述问题的有效手段，即，设计功能完整、低单机容量的模块单元，再通过多模块的并联运行实现***的灵活扩容。

模块化的设计思想优势显著：①根据需求可灵活匹配，变流装备有效利用率高；②可靠性高，***可在切除故障模块的条件下继续运行，且便于故障模块替换，易于即插即用；③不受功率半导体功率等级限制；④无源部件设计方案成熟，性价比高。

由上述论述可见，模块化设计在硬件设计难度、可靠性、灵活性等方面具有显著优势，是大功率电力电子变流装备的理想设计方案。然而，多电力电子变流装备并联运行，在仅依靠本地测量数据(无高速通信)的条件下，需要各功率单元按自身容量出力，同时要消除零序环流。上述要求对多模块单元的控制提出了巨大挑战。已公开的方案，均基于线性控制器，采用环路级联的控制框架。

针对三相交流-直流(AC-DC)变流器或三相直流-交流(DC-AC)变流器，已公开的方案均基于线性控制器，采用环路级联的控制框架。具体而言：①对采集的三相电流求和，获得实际零序电流；②用零序电流参考值0减去实际零序电流，获得误差信号；③将获得的误差信号送至线性控制器(如，PI控制器)，其输出获得零序电压补偿量；④将该零序补偿量与矢量控制获得的正序补偿量相叠加，从而获得变流器输出参考电压；⑤经PWM调制器，将该参考值调制，输出脉宽信号，驱动变流器。

上述方案是在矢量控制的基础上，叠加零序补偿电压，从而抑制零序环流。然而已公开方案存在动态响应慢、多目标控制实现难、非线性约束优化难等缺陷。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，可有效消除并联变流器间的零序环流。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，包括：

获得变流器集群当前时刻的三相电流值并进行坐标变换及延时补偿；

针对补偿后的三相电流值，预测在后续时刻的电流值，根据预测值计算代价函数，比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量；

针对补偿后的三相电流值，计算零序环流，根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量；

根据得到的最优电压矢量和零电压矢量，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号，以消除环流。

进一步的技术方案，进行坐标变换为将自然坐标系下的三相电流转换到正交坐标系下，以实现相间解耦。

进一步的技术方案，所述延时补偿为对坐标变换之后的三相电流值进行一个控制周期的延时补偿，以消除数字控制器和模拟-数字转换过程带来的延迟。

进一步的技术方案，所述选取零电压矢量时基于零电压矢量的选取原则进行，零电压矢量的选取原则如下：

其中，

为零序环流，零电压矢量v₀，零电压矢量v₇。

进一步的技术方案，所述并联变流器集群中功率变流器输出的电压矢量定义为正交坐标系下三相输出电压构成的电压矢量，根据电压矢量的模值，分为非零电压矢量和零电压矢量。

进一步的技术方案，所述并联变流器集群中零序电流即为并联变流器的环流。

进一步的技术方案，最优电压矢量中嵌入一段零电压矢量，输出的电压矢量具备零序电压调节的自由度，从而消除零序环流，在第一时间段内，依据代价函数最小化原则，选择施加在变流器上的最优电压矢量，以控制并网电流；在第二时间段内，根据当前时刻零序电流方向，选择施加在变流器上的零电压矢量，以消除零序电流。

第二方面，公开了一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制***，包括：

坐标变换及延时补偿单元，被配置为：对获得的变流器集群当前时刻的三相电流值进行坐标变换及延时补偿；

模型预测单元，被配置为：针对补偿后的三相电流值，预测在后续时刻的电流值；

最小化代价函数及非零电压矢量选取单元，被配置为：根据预测值计算代价函数，比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量；

零序环流计算单元，被配置为：针对补偿后的三相电流值，计算零序环流；

零电压矢量选取单元，被配置为：根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量；

构造合成电压矢量单元，被配置为：根据得到的最优电压矢量和零电压矢量，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号，以消除环流。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本发明针对分布式变流装备集群的并联运行工况，提出了直接预测控制方法，可在精准控制输出电流的前提下，可有效消除并联变流器间的零序环流。

本发明方法完全采用直接预测控制框架，一方面可充分发挥变流器的物理极限，动态响应快；另一方面可灵活处理各种非线性约束条件，实现多目标优化。

本发明方法均基于本地测量值，无需变流器之间的数据通信，无需脉冲时序同步。设计成本低，普适性广，适用于智能微电网和新能源分布式发电等应用场景；

本发明方案是一种环流抑制的通用方案，其可推广至多电平变流器并联、多变流器驱动电机等场景。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本公开实施例子变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***的功率变流器电路拓扑图；

图2是本公开实施例子一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***功率变流器电路的等效平均模型图；

图3是本公开实施例子一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***的零序电路图；

图4是本公开实施例子一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***提出的电压矢量时序图；

图5是本公开实施例子一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***的控制框图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，为了说明上述方案，先针对并联变流器集群进行说明如下：

参见附图1所示，是本发明并联变流器集群的功率变流器电路拓扑图。该功率电路主要实现电能形式从交流到直流的变换，能量可实现双向流动。单机功率变流器以三相两电平拓扑为例，包括三相电感器L_a＝L_b＝L_c＝L，寄生电阻R_a＝R_b＝R_c＝R；三相全桥功率开关S_a，S′_a，S_b，S′_b，S_c，S′_c；直流母线电容C_dc。多台变流器并联连接，即，交流侧共同连接至三相交流母线(电网)，直流侧共同连接至直流母线。电流从电网流入变流器的方向定义为正方向，记为i_a，i_b，i_c，变流器相对参考地点的输出电压为v_a，v_b，v_c，电网电压为e_a，e_b，e_c，直流侧电压为V_dc。每台功率变流器均由本地控制单元完成闭环控制，各控制器之间无需数据交换。

为便于下文阐述，定义如下变量。

Definition-1：变流器输出的电压矢量定义为正交坐标系(即αβ坐标系)下三相输出电压构成的电压矢量v。构成电压矢量的表达式如下：

其中，v_x＝S_xV_dc，x∈{a，b，c}。以两电平变流器为例，根据不同的开关状态S_x可得到变流器输出的所有电压矢量，共计8种。根据电压矢量v的模值，分为6个非零电压v₁～₆矢量和2个零电压矢量v₀，v₇。

Definition-2：定义三相交流***的零序电压和零序电流如下：

v_z＝(v_a+v_b+v_c)，i_z＝(i_a+i_b+i_c)

有定义2可见，零序电流即为并联变流器的环流。

继续参见图2所示，具体是并联变流器的平均模型。利用伏秒平衡原理，对图1中的每相桥臂进行平均化处理，可以得到交流侧桥臂输出电压的表达式为(d′_x+d_z)·V_dc。其中，d′_x为x相的上开关管占空比的差模分量，d_z为上开关管占空比的共模分量，x∈{a，b，c}，V_dc为直流母线电压值。直流侧输出电流的表达式为(d′_x+d_z)·I_x。其中，I_x为交流侧x相的电流平均值。通过上述分析，根据其连接关系，采用每相桥臂的平均模型替换开关模型即得到变量变流器的平均模型。为了便于阐明问题，该并联平均模型的推导以两个变流器并联为例。注意，上述模型对于多变流器集群并联的情况依然适用。

继续参见图3所示，图3是本发明一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***的零序电路图。本发明的创新点在于并联变流器的环流抑制方法，因此，需对环流产生的原因深入分析。零序电路是分析环流产生的有效工具，阐述如下。

根据图2建立的平均电压模型，零序电流方向定义如图2，列写交流侧基尔霍夫电压方程。

其中，下标1和2分别代表变流器1和变流器2对应的变量。注意，零序电流的定义为：I₀＝I₀₁＝-I₀₂＝I_a1+I_b1+I_c1。此外，占空比约束为d′_a1+d′_b1+d′_c1＝d′_a2+d′_b2+d′_c2＝0。

将上述三式左右相加，得：

依据该表达式，可以得到零序回路的电路模型，即图3。其包括零序电压、零序回路电感和零序回路电阻。其中，零序电压的表达式为V_dc·(d_z1-d_z2)；电感值为(L₁+L₂)；电阻值为(R₁+R₂)。分析该零序电路模型可知，零序电压是产生零序电流(环流)的本质原因。因此，通过控制变流器产生的零序电压，可以完全可消除环流。

图4是变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***的量时序图。由图3的分析可知，零序电压是产生零序环流的根本原因，同时，也是消除零序环流唯一的控制手段。

以下规律是本发明的理论依据：①非零电压矢量可控制并网电流，零电压矢量不影响并网电流；②非零电压矢量和零电压矢量均可以产生零序电压，从而影响零序电流。经典的预测控制方案在一个控制周期内只输出一种电压矢量，该方案无法控制零序电压均衡，也即无法消除零序环流。为了解决上述问题，本发明提出了一种改进的输出矢量方法。

结合图4，定义如下参数：

T_s是***的控制周期；

0＜α＜1是优选矢量在一个控制周期内的施加时间占整个控制周期的比例控制周期的比例；

αT_s即为优选矢量在一个控制周期内施加的时间。

整体而言，在最优矢量中嵌入一段零电压矢量。因此，输出的电压矢量可以具备零序电压调节的自由度，从而消除零序环流。所提方法如图4(a)所示，在αT_s时间段内，依据代价函数最小化原则，选择施加在变流器上的最优电压矢量，以控制并网电流；在(1-α)T_s时间段内，根据当前时刻零序电流方向，选择施加在变流器上的零电压矢量，以消除零序电流。

另一方面，伏秒平衡原理适用于被控对象具备远大于开关周期的时间常数的情况。考虑到并网变流器通常满足这一条件，所提的改进电压矢量方法可等效于图4(b)。图4(b)将图4(a)的零电压分为两段，输出为对称波形。

图5是变流器集群的环流抑制直接预测控制方法及***的控制框图。其主要功能是使单机变流器追踪其电流参考值，同时消除并联变流器之间的零序环流。所提控制方案主要包括坐标变换及延时补偿单元，模型预测单元，最小化代价函数及非零电压矢量选取单元，零序环流计算单元、零电压矢量选取单元和构造合成电压矢量单元。其工作原理详述如下。

第一步，采样当前k时刻的三相电流值，送入坐标变换及延时补偿单元。坐标变换的功能是将自然坐标系下的三相电流

转换到正交坐标系下，即

坐标系下，以实现相间解耦，便于预测模型单元的实现。从abc到αβ0的坐标变换由如下公式实现。

其中，T_abc-αβ0为坐标变换矩阵，x可表示电压、电流的列向量。坐标变换之后，根据被控对象的数学模型，对

进行一个控制周期的延时补偿，消除数字控制器和模拟-数字转换过程带来的延迟作用。延时补偿由如下公式实现。

其中，

为在k时刻起，非零矢量作用αT_s时间后的αβ坐标系下的电流值；

为本控制周期结束时αβ坐标系下的电流值，

为施加在[kT_s，(k+α)T_s]时间段内的电压矢量。

第二步，依据延时补偿后的三相电流值，遍历8个电压矢量，即依次将8个电压矢量带入上式，计算预测电流值，预测在k+2时刻的电流值，预测方程如下

需要说明的是，由于数字控制器具有一个控制周期的延时效应。首先，需补偿一个控制周期的延时效应，即根据k时刻计算k+1时刻。之后，再基于k+1时刻的值遍历8个矢量，计算k+2时刻电流值并计算代价函数。

其中，

为在k+1时刻起，电压矢量u_α，j，u_β，j作用αT_s时间后的αβ坐标系下的电流值；

为本控制周期结束时αβ坐标系下的电流值，

可由前推得出，u_α，j，u_β，j，j∈{1，2...8}为变流器可输出的电压矢量。根据预测值计算代价函数J

比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量。

第三步，计算零序环流，此处零矢量的选取直接仅依赖于k时刻的采样电流，无延时效应，因此，表达式如下：

第四步，根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量。考虑到零电压矢量v₀对应的零序电压值为

具有使零序电流减小(参考图3定义的零序电流正方向)的作用；对应的，零电压矢量v₇对应的零序电压值为

具有使零序电流增大的作用。基于上述分析，制定零电压矢量的选取原则如下：

该原则的建立可将零序电流控制在零值附近，有效消除了环流影响。

第五步，根据第二步得到的最优电压矢量和第四步得到的零电压矢量，按照图4(a)或图4(b)的时序，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号S_a，S_b，S_c。

本公开技术方案所提方法摒弃线性控制的级联环路，可显著提升变流器的动态性能；此外，预测控制固有的多目标优化、易于添加非线性约束等优势得以保留，应用前景广阔。

本公开技术方案没有采用线性控制的框架，而是采用模型预测控制实现变流器控制，预测控制易于实现多目标的优化：仅需设计合理的代价函数，使得多控制变量均被包含在一个统一的代价函数中，并采用权重系数权衡各控制目标的权重。通过求解最优问题，即可实现多目标优化。预测控制具有“动态响应快、多目标优化、易于添加线性约束”等优点。

另外，本发明提出一种基于预测控制实现并联变流器集群的环流抑制方法。该方法的使用可拓宽预测控制的应用场景，即，将单变流器控制拓展至并联变流器集群控制。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述控制方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时执行上述控制方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制***，包括：

坐标变换及延时补偿单元，被配置为：对获得的变流器集群当前时刻的三相电流值进行坐标变换及延时补偿；

模型预测单元，被配置为：针对补偿后的三相电流值，预测在后续时刻的电流值；

最小化代价函数及非零电压矢量选取单元，被配置为：根据预测值计算代价函数，比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量；

零序环流计算单元，被配置为：针对补偿后的三相电流值，计算零序环流；

零电压矢量选取单元，被配置为：根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量；

构造合成电压矢量单元，被配置为：根据得到的最优电压矢量和零电压矢量，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号，以消除环流。

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，包括：

获得变流器集群当前时刻的三相电流值并进行坐标变换及延时补偿；

针对补偿后的三相电流值，预测在后续时刻的电流值，根据预测值计算代价函数，比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量；

针对补偿后的三相电流值，计算零序环流，根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量；

根据得到的最优电压矢量和零电压矢量，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号，以消除环流。

2.如权利要求1所述的一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，进行坐标变换为将自然坐标系下的三相电流转换到正交坐标系下，以实现相间解耦。

3.如权利要求1所述的一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，所述延时补偿为对坐标变换之后的三相电流值进行一个控制周期的延时补偿，以消除数字控制器和模拟-数字转换过程带来的延迟。

4.如权利要求1所述的一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，所述选取零电压矢量时基于零电压矢量的选取原则进行，零电压矢量的选取原则如下：

其中，

为零序环流，零电压矢量v₀，零电压矢量v₇。

5.如权利要求1所述的一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，所述并联变流器集群中功率变流器输出的电压矢量定义为正交坐标系下三相输出电压构成的电压矢量，根据电压矢量的模值，分为非零电压矢量和零电压矢量。

6.如权利要求1所述的一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，所述并联变流器集群中零序电流即为并联变流器的环流。

7.如权利要求1所述的一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制方法，其特征是，最优电压矢量中嵌入一段零电压矢量，输出的电压矢量具备零序电压调节的自由度，从而消除零序环流，在第一时间段内，依据代价函数最小化原则，选择施加在变流器上的最优电压矢量，以控制并网电流；在第二时间段内，根据当前时刻零序电流方向，选择施加在变流器上的零电压矢量，以消除零序电流。

8.一种并联变流器集群的环流抑制直接预测控制***，其特征是，包括：

坐标变换及延时补偿单元，被配置为：对获得的变流器集群当前时刻的三相电流值进行坐标变换及延时补偿；

模型预测单元，被配置为：针对补偿后的三相电流值，预测在后续时刻的电流值；

最小化代价函数及非零电压矢量选取单元，被配置为：根据预测值计算代价函数，比较所有代价函数，选取使得其值最小的电压矢量作为最优电压矢量；

零序环流计算单元，被配置为：针对补偿后的三相电流值，计算零序环流；

零电压矢量选取单元，被配置为：根据当前k时刻的零序环流方向，选取零电压矢量；

构造合成电压矢量单元，被配置为：根据得到的最优电压矢量和零电压矢量，构建合成电压矢量，得到送至变流器的开关信号，以消除环流。

9.一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现上述权利要求1-7任一所述的控制方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行上述权利要求1-7任一所述的控制方法的步骤。

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