CN113890090B - 考虑不平衡滤波电感的vsc换流器模型预测控制方法及*** - Google Patents

考虑不平衡滤波电感的vsc换流器模型预测控制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法及***，属于分布式电源并网换流器控制研究领域，包括：在第k时刻，获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值，以及第k+2时刻的电网电压预测值，并根据预设的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量和以及有功、无功功率指令值Pref和Qref计算第k+2时刻的电网电流参考值，以根据电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值uk+1；电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感的影响；在第k+1时刻，将uk+1作用于空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref。本发明能够实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下的有功、无功精准控制。

Description

考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法及***
技术领域
本发明属于分布式电源并网换流器控制研究领域，更具体地，涉及一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法及***。
背景技术
近年来，以光伏、风机为代表的分布式电源(distributed generation,DG)快速发展，电压源型换流器(Voltage Source Converter，VSC)作为实现各类型DG灵活并网的重要组件，其在多类型电网条件下的功率精准控制技术也受到了国内外的广泛关注。在实际工程中，配电网及微电网往往呈现出薄弱电网的特性，VSC换流器可能会面临由单相发电设备、不平衡负荷所造成的不平衡电网条件的影响。除此之外，VSC换流器自身的滤波电感也可能受温度、电流、饱和效应、故障等因素的影响而偏离其标称值，甚至出现三相电感不对称的情况。
然而，在传统的VSC换流器双环控制策略及模型预测控制策略中，电流、电压参考值的求取均需已知滤波电感的精确值，且未考虑不平衡滤波电感的影响。当滤波电感偏离其标称值，出现不平衡状态时，这些控制策略将难以跟踪所设定的有功、无功控制目标。因此，亟需研究考虑不平衡滤波电感及电网条件影响的VSC换流器精准控制方法。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法及***，其目的在于，实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下的有功、无功精准控制。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，包括：
在第k时刻，获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值/>以及第k+2时刻的电网电压预测值/>并根据预设的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和/>以及有功、无功功率指令值Pref和Qref计算第k+2时刻的电网电流参考值/>以根据电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值/>电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感的影响，为零或者不为零，/>为零或者不为零；
在第k+1时刻，将电网电压参考值uk+1作用于与VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref。
进一步地，电压控制方程为：
其中，表示不平衡滤波电感矩阵，且La、Lb、Lc分别表示交流电网的三相滤波电感；Ts表示采样及控制周期。
进一步地，
其中，和/>分别表示第k时刻的电网电压采样值；/>表示第k时刻的电网电流采样值。
进一步地，
其中，表示第k+2时刻的电网电压预测值，表示比/>滞后90度电角度的电网电压，/>和/>分别表示与有功、无功功率指令值Pref和Qref对应的电流参考值，/>和/>分别表示与有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和/>对应的补偿电流参考值。
进一步地，若则
且无功二倍频功率扰动补偿分量由有功二倍频功率扰动补偿分量/>延迟90度的电角度后得到；
其中，K1、K2、K3、K4、N1、N2分别为计算过程的中间项，且：
其中，表示第k+1时刻VSC换流器向交流电网输出的有功功率预测值。
进一步地，本发明提供的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，在获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值之前，还包括：
获取第k-1时刻及第k-n-1时刻滤波电感上的电压和/>
计矩阵为不平衡滤波电感过矩阵Lαβ的逆矩阵，获得第k时刻，由矩阵B在第k-1时刻的估计值/>所得出的电流估计误差/>以及第k-n时刻，由所得出的电流估计误差/>
建立超定方程如下：
求解超定方程的最小二乘解，得到第k时刻矩阵B相对于其在第k-1时刻的估计值的误差为/>
根据计算第k时刻的矩阵B进行更新，得到矩阵/>
利用矩阵Bk获得第k时刻的不平衡电感矩阵Lαβ；
其中，n>1为预设的延迟步长；0＜G≤1为更新步长。
进一步地，延迟步长n所对应的延迟角度为90度电角度。
进一步地，所计算的电网电流同时包含正序电流和负序电流，并且，所计算的电网电压同时包含正序电压和负序电压。
按照本发明的又一个方面，提供了一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制***，包括：电压预测模块、电流预测模块、电流参考值计算模块、电压参考值计算模块、空间矢量调制器以及控制模块；
电压预测模块，用于获取第k+1和第k+2时刻的电网电压预测值和/>
电流预测模块，用于获取第k+1时刻的电网电流预测值
电流参考值计算模块，用于根据预设的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量和/>以及有功、无功功率指令值Pref和Qref计算第k+2时刻的电网电流参考值 为零或者不为零，/>为零或者不为零；
电压参考值计算模块，其第一输入端与电压预测模块的输出端相连，其第二输入端与电压预测模块的输出端相连，其第三输入端与电流参考值计算模块的输出端相连，其用于根据电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感的影响；
空间矢量调制器，其输出端与VSC换流器中的各开关管相连；
控制模块，其输入端与电压参考值计算模块的输出端相连，其输出端与空间矢量调制器的输入端相连，其用于在第k+1时刻，将电网电压参考值uk+1作用于与VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref。
进一步地，若则模型预测控制***还包括：功率参考值计算模块，其输出端与电流参考值计算模块的一个输入端相连，其用于计算第k+2时刻的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和/>
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明在当前时刻(即第k时刻)获取下一时刻(即第k+1时刻)的电网电压参考值时，在电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感对换流器控制的影响，由此所计算的电网电压参考值可以实现对VSC换流器更加精准的控制，在不对有功、无功二倍频功率扰动进行补偿时，即时，本发明可实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下对参考功率的准确跟踪，并抑制交流电网侧由不对称滤波电感引起的二倍频有功、无功扰动。
(2)本发明在当前时刻(即第k时刻)获取下一时刻(即第k+1时刻)的电网电压参考值时，在电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感对换流器控制的影响，由此所计算的电网电压参考值可以实现对VSC换流器更加精准的控制，进一步对不平衡滤波电感所引起的有功、无功二倍频功率扰动进行分析，并计算相应的补偿分量进行补偿，此时，本发明可实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下对参考功率的准确跟踪，同时抑制换流器阀侧的功率二倍频波动及直流侧电流的纹波。
(3)本发明在每一个控制周期，根据历史数据构造超定方程，并计算其最小二乘解，从而实现对滤波电感估计值的实时、在线更新，实现了不平衡滤波电感的在线识别与更新，为换流器的精准控制提供了支撑，且具有较小的计算复杂度。
(4)本发明计算αβ0参考系下的电网电流iα、iβ时，同时考虑正序电流和负序电流，由此能够充分考虑电网的不平衡条件，进一步提高VSC换流器的控制精度。
附图说明
图1为现有的VSC换流器结构示意图；
图2为本发明实施例提供的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法示意图；
图3为本发明实施例提供的不平衡滤波电感在线识别方法示意图；
图4A为本发明实施例提供的VSC换流器输出有功功率的仿真波形图；
图4B为本发明实施例提供的VSC换流器输出无功功率的仿真波形图；
图4C为本发明实施例提供的VSC换流器阀侧有功功率的仿真波形图；
图4D为本发明实施例提供的VSC换流器直流侧电流的仿真波形图；
图5A为本发明实施例提供的VSC换流器滤波电感在线识别结果的仿真波形图；
图5B本发明实施例提供的为由滤波电感识别所带来的电流估计误差仿真波形图。
具体实施方式
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
在详细解释本发明的技术方案之前，先对VSC换流器及相关器件的基本结构做如下简要介绍：
如图1所示，VSC换流器由三个并联的桥臂构成，各桥臂包含两个开关管，桥臂中点引出，构成VSC换流器的交流侧，分别与交流电网的三相相连，图1中，ea、eb、ec即为交流电网侧的三相电压，La、Lb、Lc为交流电网侧的三相滤波电感，ia、ib、ic为交流电网侧的三相电流；三个桥臂的并联端引出，构成VSC换流器的直流侧，直流侧与直流电源相连，图1中的Udc即为VSC换流器直流侧电压，R和C分别为VSC换流器直流侧的等效电阻和等效电容。VSC换流器将光伏、风机等分布式电源发出的直流电压转换为交流电压，从而实现直流侧与交流侧的功率交换。
以下结合图1所示的结构，对本发明所考虑的不平衡滤波电感相关的内容解释如下。
根据图1，在αβ0参考系下，换流器出口侧的电压电流满足如下关系：
其中，u＝[uα,uβ,u0]T代表换流器的输出电压,e＝[eα,eβ,e0]T为交流电网电压，i＝[iα,iβ,i0]T为换流器向交流电网输出的电流；Lαβ0为αβ0参考系下的滤波电感矩阵，可由三相电感的Clark变换求得：
其中，La、Lb、Lc为交流电网侧的三相滤波电感；
考虑到通常情况下，换流器不会产生零序电流，滤波电感矩阵可简化为：
其中，Lαβ为简化后的滤波电感矩阵，它由L11，L12，L12这些元素构成；为便于区分，在以下实施例中，将Lαβ称为不平衡滤波电感矩阵；
从而可得VSC换流器的电压控制方程为：
其中，Lm＝[La+Lb+Lc]/3为三相滤波电感的平均值，代表了滤波电感中的平衡部分；ΔuL＝[ΔuLα,ΔuLβ]T则是由电感不平衡部分所引发的扰动电压；
作为一种优选的实施方式，为了进一步提高对VSC换流器的控制精度，本发明除了考虑不平衡滤波电感所带来的影响，还同时考虑了不平衡电网条件所带来的控制影响，具体地，在计算αβ0参考系下的电网电流时，会同时考虑正序电流和负序电流，而不是如传统的控制方法那样仅考虑正序电流，相应地，本发明中，在αβ0参考系下的电网电流可表示为：
其中，ω为交流电网的电角频率，Ip和In分别为正序电流幅值和负序电流幅值，θp和θn分别为正序电流相角和负序电流相角；
结合式(4)和(5)，ΔuL可表示为：
根据瞬时功率理论及扩展无功理论，VSC换流器向交流电网输出的有功及无功功率可表示为：
其中，e′＝[e′α,e′β]滞后于e＝[eα,eβ]90度的电角度；
从而可得由滤波电感引起的有功、无功损耗为：
从式(6)、(8)和(9)可知，由电感不平衡部分所引发的扰动电压ΔuL、有功、无功损耗中均包含频率为2ω(即两倍基频频率)的扰动量，说明了不平衡电感会带来有功、无功功率的二倍频扰动，也即是说，不平衡的滤波电感会影响VSC换流器的电压控制方程，并带来有功、无功的二倍频扰动，从而影响VSC换流器的控制性能。
基于以上分析，为了实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下对参考功率的准确跟踪，本发明提供了一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法及***，其基本构思包括：(1)设计以输出有功功率无波动为目标的VSC换流器模型预测控制方法，构造考虑不对称滤波电感影响的VSC换流器新型电压控制方程，进而基于模型预测控制原理实现VSC换流器的精准控制，实现换流器输出功率对参考功率的无差跟踪，并抑制由不对称滤波电感引起的二倍频有功、无功扰动；(2)设计以直流侧电流无纹波为目标的VSC换流器模型预测控制方法，在构思(1)的基础上，进一步计算由不对称滤波电感所造成的二倍频有功、无功扰动，并提出扰动功率补偿措施，实现VSC换流器阀侧扰动功率及直流侧电流纹波的抑制；(3)设计不平衡滤波电感在线识别方法，通过构造由两组电压电流方程构成的超定方程，并求取其最小二乘解，进而实现滤波电感的在线识别与更新，为换流器的精准控制提供支撑。
以下为实施例。
实施例1：
一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，其有功、无功控制目标是令换流器的输出功率跟踪所设定的有功、无功指令值。
参考图2，由于模型预测控制方法是一种离散控制方法，其控制***需要一定的时间来计算电流及电流参考值，在实际应用中还需考虑由采样、计算所需要的时间，因此，需要对k+2时刻(k为当前时刻)换流器的电压、电流及功率进行预测，进而整定电压、电流参考值，从而令换流器在k+2时刻实际输出的功率达到所设定的指令值。其控制目标可列写为：
其中，上标k表示第k时刻的变量；Pref和Qref分别为换流器输出有功、无功的指令值；Jmin为模型预测控制的成本函数；表示趋近于；
为获得更为准确的电流参考值，还需对交流***的网侧电压进行预测。同样地，为了考虑不平衡电网条件，本实施例在计算交流电网电压时，也同时考虑了正序电压和负序电压；具体地，在不平衡电网条件下，交流电网电压可表示如下：
e＝ep+en＝Epejwt+Ene-jwt (11)
其中，ep和en分别为正序电压和负序电压，Ep和En分别为正序电压幅值和负序电压幅值。
在稳定状态下，交流电网电压呈现出较好的正弦波形，第k+m时刻的预测电压可表示为：
本实施例中，不对有功、无功二倍频功率扰动进行补偿，即 根据式(10)，可直接计算得出使模型预测控制成本函数最小的最优电流参考值：
其中，表示第k+2时刻的电网电压预测值，表示比/>滞后90度电角度的电网电压；
根据欧拉前向法对式(4)的电压控制方程进行离散化处理，可知第k+2时刻的电流是由第k+1时刻的交流网侧电压和换流器输出电压共同决定的。第k+1时刻的换流器电压参考值为：
其中，Ts是采样及控制周期；和/>为第k+1时刻电网电流的预测值，可由第k时刻的电压参考值及网侧电流采样值计算得到：
所获取的电压参考值uk+1将在第k+1时刻应用于空间矢量调制器(Space VectorModulation，SVM)，以触发换流阀的开关动作，使VSC换流器输出所设定的电压，并实现输出功率对指令值的无差跟踪。
基于以上分析，本实施例所提供的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，包括：
在第k时刻，根据式(12)获取第k+1时刻的电网电压预测值以及第k+2时刻的电网电压预测值/>根据式(15)获取第k+1时刻的电网电流预测值/>并根据式(13)计算第k+2时刻的电网电流参考值根据/>和利用式(14)所示的电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值在第k+1时刻，将电网电压参考值uk+1作用于与VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref。
本实施例在当前时刻(即第k时刻)获取下一时刻(即第k+1时刻)的电网电压参考值时，在电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感对换流器控制的影响，由此所计算的电网电压参考值更实现对VSC换流器更加精准的控制，因此，本实施例可实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下对参考功率的准确跟踪，并抑制交流电网侧由不对称滤波电感引起的二倍频有功、无功扰动。
实施例2：
一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，本实施例与上述实施例1类似，所不同之处在于，其有功、无功控制目标是令换流器输出的有功及无功平均值跟踪所设定的有功、无功指令值，同时抑制换流器阀侧的功率二倍频波动及直流侧电流的纹波。
根据以上式(8)、(9)的分析可知，不平衡滤波电感将引起换流器输出功率的二倍频波动，VSC换流器阀侧(即VSC换流器交流侧)也同样会受到二倍频功率波动的影响，进而造成直流侧出现电流纹波，对直流电源产生不利影响；考虑到VSC换流器在k+1时刻的输出电压决定了第k+1时刻的阀侧功率与第k+2时刻的输出功率，本实施例的控制目标可表示为：
其中，为换流器在第k+1时刻的阀侧功率；/>与/>分别为抑制阀侧功率波动的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量；
根据式(8)、(9)可知，由滤波电感引起的二倍频功率扰动中，无功的扰动分量要滞后于有功扰动分量90度的电角度。因此，无功补偿分量可通过对有功补偿分量延迟90度获得，即
其中，T2ω为二倍频扰动分量的周期；
从而根据式(16)可得VSC换流器的电流参考值为：
其中，与/>是与有功、无功指令值(Pref，Qref)相对应的电流参考值；/>和则是与有功、无功补偿分量/>所对应的补偿电流参考值；
结合式(14)-(18)，可以得出第k+2时刻的有功补偿分量：
其中，K1，K2，K3，K4，N1,，N2分别为计算过程的中间项，表示如下：
/>
其中，表示第k+1时刻VSC换流器向交流电网输出的有功功率预测值。
基于以上分析，本实施例所提供的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，包括：
在第k时刻，根据式(7)获取第k+1时刻VSC换流器向交流电网输出的有功功率预测值然后根据式(19)、(17)获取第k+2时刻有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和根据式(12)获取第k+1时刻的电网电压预测值/>以及第k+2时刻的电网电压预测值/>根据式(15)获取第k+1时刻的电网电流预测值并根据式(18)计算第k+2时刻的电网电流参考值根据/>和利用式(14)所示的电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值在第k+1时刻，将电网电压参考值uk+1作用于与VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref。
本实施例在当前时刻(即第k时刻)估计下一时刻(即第k+1时刻)的电网电压参考值时，在电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感对换流器控制的影响，由此所计算的电网电压参考值更加准确，进一步对不平衡滤波电感所引起的有功、无功二倍频功率扰动进行分析，并计算相应的补偿分量进行补偿，因此，本实施例可实现VSC换流器在不平衡滤波电感影响下对参考功率的准确跟踪，同时抑制换流器阀侧的功率二倍频波动及直流侧电流的纹波。
实施例3：
一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，本实施例与上述实施例1类似，其有功、无功控制目标同样是令换流器的输出功率跟踪所设定的有功、无功指令值，本实施例与上述实施例1所不同之处在于，本实施例在每个控制周期会先对不平衡滤波电感进行在线辨识和更新，并基于更新之后的不平衡滤波电感进行具体的控制。
参考图3，本实施例在获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值/>之前，对滤波电感进行在线识别的流程如下：/>
根据式(14)可知，在换流器输出电压及交流网侧电压作用下，换流器输出的电流为：
其中，B是不平衡滤波电感矩阵Lαβ的逆矩阵；B11、B12、B22分别为矩阵B中的元素，需要通过在线识别来获取。是第k-1时刻，不平衡滤波电感上的电压；
参数矩阵B在每一个采样及控制周期内进行在线识别与更新；假设第k-1时刻识别得到的B矩阵与实际值偏离了ΔB，则式(26)可重写为如下形式：
其中，上标^代表在线识别得到的估计值；为由ΔB所引起的电流估计误差；从而，ΔB与Δik满足如下关系：
通过求取ΔB，即可实现对参数矩阵B的更新；由于式(28)是一个欠定方程，无法直接获取ΔB的准确解；
考虑到通常情况下，滤波电感的变化是一个缓慢过程，可近似认为在一个较短的时间内，B11、B12、B22均保持恒定不变，故可以利用第k-n时刻的电压电流方程来填充式(28)，从而求取ΔB；经过简单变换，ΔB可利用下式求解得出：
其中，与/>为第k-n时刻，由/>估计值所得出的电流估计误差；
可以看出，式(29)是一个超定方程，通过求取其最小二乘解来获取ΔB；
延迟步长n决定了式(29)中两组电压电流方程间的相关性，为避免第k-n时刻的方程与第k-1时刻的相关性过高，本实施例中，所选取的延迟补偿n对应的延迟角度满足：延迟步长n所对应的延迟角度应接近90度电角度，而非0度或180度；
在获取ΔB后，可对参数矩阵B的估计值进行更新：
其中，0＜G≤1为更新步长；通过更新步长G的控制，可避免因每次更新幅度过大而导致计算结果振荡幅度太大。
从而可获得第k时刻，不平衡电感矩阵Lαβ的估计值为：
根据上述分析，本实施例的控制流程可简述为：在第k时刻，通过VSC换流器的电压、电流传感器，获取电网电压及电流的实时采样值ek、ik；参照上述在线识别方式，根据历史数据中的电网电流测量值、电网电压测量值及换流器输出电压参考值构建超定方程，并计算其最小二乘解，从而实现对滤波电感估计值的更新；根据式(12)获取第k+1时刻的电网电压预测值以及第k+2时刻的电网电压预测值/>根据式(15)获取第k+1时刻的电网电流预测值/>并根据式(13)计算第k+2时刻的电网电流参考值/>根据和/>利用式(14)所示的电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值/>在第k+1时刻，将电网电压参考值uk+1作用于与VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref。
实施例4：
一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，本实施例与上述实施例2类似，其有功、无功控制目标同样是令换流器输出的有功及无功平均值跟踪所设定的有功、无功指令值，同时抑制换流器阀侧的功率二倍频波动及直流侧电流的纹波，本实施例与上述实施例2所不同之处在于，本实施例在每个控制周期会先对不平衡滤波电感进行在线辨识和更新，并基于更新之后的不平衡滤波电感进行具体的控制。
本实施例在获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值/>之前，对滤波电感进行在线识别的流程可参考上述实施例3中的描述，在此将不做复述。
实施例5：
一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制***，包括：电压预测模块、电流预测模块、电流参考值计算模块、电压参考值计算模块、空间矢量调制器以及控制模块；
电压预测模块，用于获取第k+1时刻的电网电压预测值以及第k+2时刻的电网电压预测值/>
电流预测模块，用于获取第k+1时刻的电网电流预测值
电流参考值计算模块，用于根据预设的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量和/>以及有功、无功功率指令值Pref和Qref计算第k+2时刻的电网电流参考值 为零或者不为零，/>为零或者不为零；
电压参考值计算模块，其第一输入端与电压预测模块的输出端相连，其第二输入端与电压预测模块的输出端相连，其第三输入端与电流参考值计算模块的输出端相连，其用于根据电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感的影响；
空间矢量调制器，其输出端与VSC换流器中的各开关管相连；
控制模块，其输入端与电压参考值计算模块的输出端相连，其输出端与空间矢量调制器的输入端相连，其用于在第k+1时刻，将电网电压参考值uk+1作用于与VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref；
本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述实施例1和实施例3的描述，在此将不做复述。
在实际应用中，为了进一步提高VSC换流器的控制精度，本实施例还可参考上述实施例3，在每个控制周期会先对不平衡滤波电感进行在线辨识和更新，并基于更新之后的不平衡滤波电感进行具体的控制。
实施例6：
一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制***，本实施例与上述实施例5类似，所不同之处在于，本实施例还包括：功率参考值计算模块，其输出端与电流参考值计算模块的一个输入端相连，其用于计算第k+2时刻的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量和/>
本实施例中，各模块的具体实施方式可参考上述实施例2和实施例4的描述，在此将不做复述。
在实际应用中，为了进一步提高VSC换流器的控制精度，本实施例还可参考上述实施例4，在每个控制周期会先对不平衡滤波电感进行在线辨识和更新，并基于更新之后的不平衡滤波电感进行具体的控制。
为验证本发明所提控制策略及滤波电感在线识别方法的有效性，基于PSCAD/EMTDC搭建了如图1所示的VSC换流器仿真模型。其中，直流侧额定电压为850V，交流侧额定电压为380V，换流器有功指令值为50kW，无功指令值为0kVar，电网电压频率为50Hz，采样及控制周期为100μs，滤波电感在线识别环节的初始值为1mH，仿真模型中三相滤波电感的实际值为La＝2mH、Lb＝6mH、Lc＝4mH，滤波电感在线识别的更新步长与延迟步长分别为0.1与50。
在1.8s前，VSC换流器工作在平衡电网条件下，采用以输出有功功率无波动为目标的VSC换流器模型预测控制方法，并在控制环节中采用滤波电感初始值；
在1.9s，滤波电感在线识别方法投入使用；
在2.0s时，交流电网的A相电压下降20％；
在2.2s，换流器切换控制目标，采用以直流侧电流无纹波为目标的VSC换流器模型预测控制方法。
图4A、图4B分别是VSC换流器输出有功功率及无功功率的仿真波形图。可以看出，即使在正常电网条件下，当换流器存在三相不平衡滤波电感时，换流器输出的有功及无功功率也会出现二倍频扰动，且有功及无功功率的平均值都偏离了所设定的指令值。在1.9s投入滤波电感识别方法后，VSC换流器输出的有功、无功功率迅速跟踪至功率指令设定值，且其二倍频扰动被快速抑制。在2.0s后，即使交流电网出现不平衡电压，所提控制策略依然能够很好地满足换流器输出有功功率无波动的目标。在2.2s后，VSC换流器采用以直流侧电流无纹波为目标的VSC换流器模型预测控制方法，换流器输出的有功及无功功率均包含了所施加的二倍频扰动补偿分量，有功及无功功率的平均值仍可跟踪所设定的指令值，且无功功率中的二倍频分量滞后于有功功率中的二倍频分量90度电角度。
图4C、图4D为VSC换流器阀侧有功功率及直流侧电流的仿真波形图。可以看出，即使在正常电网条件下，受不平衡滤波电感影响，换流器阀侧也会出现二倍频功率扰动，进而引发直流侧电流纹波。在2.2s后，通过投入以直流侧电流无纹波为目标的VSC换流器模型预测控制方法，换流器阀侧有功功率的二倍频扰动及直流侧电流纹波被迅速抑制。
图5A为VSC换流器滤波电感在线识别结果的仿真波形图。可以看出，在1.9s投入滤波电感识别环节后，滤波电感的估计值迅速收敛至电感实际值，且具有较好的动态响应特性。
图5B为由滤波电感识别所带来的电流估计误差仿真波形图。可以看出，在1.9s投入滤波电感识别环节后，由滤波电感估计误差所引起的电流估计误差迅速缩小至0，说明所提滤波电感识别方法具有良好的精度与动态响应特性。
以上算例结果表明，本发明所提的一种考虑不平衡滤波电感及电网条件的VSC换流器模型预测控制方法，可有效解决由不平衡滤波电感及电网条件引起的功率二倍频扰动问题，实现对不平衡滤波电感的在线识别，实现不平衡条件下换流器有功及无功功率的精准控制。
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。

Claims (6)

1.一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，其特征在于，包括：
在第k时刻，获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值以及第k+2时刻的电网电压预测值/>并根据预设的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和/>以及有功、无功功率指令值Pref和Qref计算第k+2时刻的电网电流参考值/>以根据电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值/>所述电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感的影响，为零或者不为零，/>为零或者不为零；
在第k+1时刻，将所述电网电压参考值uk+1作用于与所述VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使所述VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref；
所述电压控制方程为：
其中，表示不平衡滤波电感矩阵，且La、Lb、Lc分别表示交流电网的三相滤波电感；Ts表示采样及控制周期；
其中，表示第k+2时刻的电网电压预测值，/>表示比/>滞后90度电角度的电网电压，/>和/>分别表示与有功、无功功率指令值Pref和Qref对应的电流参考值，/>和/>分别表示与有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和对应的补偿电流参考值；
若则
且无功二倍频功率扰动补偿分量由有功二倍频功率扰动补偿分量/>延迟90度的电角度后得到；
其中，K1、K2、K3、K4、N1、N2分别为计算过程的中间项，且：
其中，表示第k+1时刻VSC换流器向交流电网输出的有功功率预测值。
2.如权利要求1所述的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，其特征在于，
其中，和/>分别表示第k时刻的电网电压采样值；/>表示第k时刻的电网电流采样值。
3.如权利要求1所述的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，其特征在于，在获取第k+1时刻的电网电压预测值和电网电流预测值之前，还包括：
获取第k-1时刻及第k-n-1时刻滤波电感上的电压和/>
记矩阵为所述不平衡滤波电感矩阵Lαβ的逆矩阵，获得第k时刻，由矩阵B在第k-1时刻的估计值/>所得出的电流估计误差/>以及第k-n时刻，由/>所得出的电流估计误差/>记第k-1时刻识别得到的矩阵B与实际值偏离了建立超定方程如下：
求解所述超定方程的最小二乘解，得到第k时刻所述矩阵B相对于其在第k-1时刻的估计值的误差为/>
根据计算第k时刻的矩阵B进行更新，得到矩阵/>
利用矩阵Bk获得第k时刻的不平衡电感矩阵Lαβ；
其中，n>1为预设的延迟步长；0＜G≤1为更新步长。
4.如权利要求3所述的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，其特征在于，延迟步长n所对应的延迟角度为90度电角度。
5.如权利要求1～4任一项所述的考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制方法，其特征在于，所计算的电网电流同时包含正序电流和负序电流，并且，所计算的电网电压同时包含正序电压和负序电压。
6.一种考虑不平衡滤波电感的VSC换流器模型预测控制***，其特征在于，包括：电压预测模块、电流预测模块、电流参考值计算模块、电压参考值计算模块、空间矢量调制器以及控制模块；
所述电压预测模块，用于获取第k+1和第k+2时刻的电网电压预测值和/>
所述电流预测模块，用于获取第k+1时刻的电网电流预测值
所述电流参考值计算模块，用于根据预设的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量和/>以及有功、无功功率指令值Pref和Qref计算第k+2时刻的电网电流参考值 为零或者不为零，/>为零或者不为零；
所述电压参考值计算模块，其第一输入端与所述电压预测模块的输出端相连，其第二输入端与所述电压预测模块的输出端相连，其第三输入端与所述电流参考值计算模块的输出端相连，其用于根据电压控制方程计算第k+1时刻的电网电压参考值所述电压控制方程中考虑了不平衡滤波电感的影响；
所述空间矢量调制器，其输出端与所述VSC换流器中的各开关管相连；
所述控制模块，其输入端与所述电压参考值计算模块的输出端相连，其输出端与所述空间矢量调制器的输入端相连，其用于在第k+1时刻，将所述电网电压参考值uk+1作用于与所述VSC换流器中开关管相连的空间矢量调制器，以使所述VSC换流器输出的有功、无功功率分别跟踪有功、无功功率指令值Pref和Qref；
所述电压控制方程为：
其中，表示不平衡滤波电感矩阵，且La、Lb、Lc分别表示交流电网的三相滤波电感；Ts表示采样及控制周期；
其中，表示第k+2时刻的电网电压预测值，/>表示比/>滞后90度电角度的电网电压，/>和/>分别表示与有功、无功功率指令值Pref和Qref对应的电流参考值，/>和/>分别表示与有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和/>对应的补偿电流参考值；
若则所述模型预测控制***还包括：功率参考值计算模块，其输出端与所述电流参考值计算模块的一个输入端相连，其用于计算第k+2时刻的有功、无功二倍频功率扰动补偿分量/>和/>
且无功二倍频功率扰动补偿分量由有功二倍频功率扰动补偿分量/>延迟90度的电角度后得到；
其中，K1、K2、K3、K4、N1、N2分别为计算过程的中间项，且：
其中，表示第k+1时刻VSC换流器向交流电网输出的有功功率预测值。
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