基于模型预测方法的MMC控制策略

基于模型预测方法的MMC控制策略

冯飞勇邹海荣

（上海电机学院电气学院上海201306）

摘要：目前模块化多电平变流器（MMC）控制策略大多存在无法分别控制不同桥臂上子模块电容电压的不足。因此，本文提出一种基于模型预测控制的MMC电容均压控制策略，实现子模块电容电压的灵活控制，同时，增强对MMC内部环流的抑制效果。在MATLAB/Simulink平台中搭建MMC模型进行仿真，仿真结果验证了该方法的正确性和有效性。

关键词：模块点多电平变流器；模型预测控制；电容均压；环流抑制

0引言

模块化多电平变流器MMC（ModularMultilevelConverter）因其具有输出电能质量高、开关频率低、结构简洁易于扩展的特性，尤其适用于高压大容量的功率变换场合，如柔性直流输电、无功补偿、可再生能源发电并网及高压大容量储能等工程应用。由于MMC特有的拓扑结构，其在运行时除对传输功率和三相电流进行控制，还需进一步考虑内部环流及子模块电容电压均衡控制，且环流控制及子模块电容均压的效果将显著影响MMC的外部输出特性。

模型预测控制（（modelpredictivecontrol，MPC）可以不经线性化实现多目标的控制，是一种非线性的优化控制方法，具有控制简单、鲁棒性强等特点，在处理非线性系统复杂约束型优化问题时具有很大优势。因此，针对MMC多输入多输出的特性，本文提出一种使用于MMC的模型预测控制策略，实现子模块电容电压平衡控制以及环流抑制。在MATLAB/Simulink平台进行仿真，验证了所提方法的有效性和正确性。

1MMC工作原理

MMC系统通过各子模块（SM）的级联实现交直流能量的交换。三相MMC中每相有上下两个桥臂，每个桥臂由N个SM和一个桥臂电感串联而成。每个SM由一个半桥功率开关（T1和T2）和直流电容并联组成，通过控制T1和T2的通断来实现它的输出状态。T1和T2通常互补导通，T1通T2断时，子模块电容投入系统进行工作。T1断T2通时，相当于子模块电容被切除出系统，输出电压为零。Udc为直流侧电压，L0和R0分别为桥臂串联电抗和等效电阻。ipj（j=a，b，c下同）和Vpj分别是j相上桥臂的电流和端口电压之和，inj（j=a，b，c下同）和Vnj分别是j相下桥臂的电流和端口电压之和，ij和vj为j相的输出交流电流和电压。

2MMC模型预测控制

MMC模型预测控制首先预测下一控制周期所有可能的开关状态下的控制变量取值。然后根据预测的控制变量值计算系统目标函数所有可能的开关状态下的取值。最后更新取值最小的系统目标函数所对应的开关状态Sm作为系统下一控制周期的切换状态。根据相电流、相间环流、子模块电容电压3个控制目标，设计系统目标函数。

2.1相电流控制

通过代价方程选取最优的开关状态组合，代价方程：

图2桥臂电流及相间环流波形

从图1中可以看出，桥臂间的子模块电容电压达到了很好的动态平衡。从图2看出上下桥臂电流波形趋于正弦波，这表明了环流中的高次谐波被大幅度抑制了，图中的环流波形说明环流幅值被压制在零上下。仿真结果表明，模型预测策略能实现子模块电容电压平衡控制及有效抑制MMC相间环流。

4结语

本文针对MMC多输入多输出的特点，提出基于模型预测方法的控制策略，经仿真表明，该策略能使得MMC获得较为理想的电容电压平衡控制及环流抑制功能。较传统的PI控制策略，该方法控制结构更为简洁，更易于工程应用实现。

参考文献：

[1]杨晓峰，郑琼林，薛尧，等.模块化多电平换流器的拓扑和工业应用综述[J].电网技术，2016，40（1）：1-10.

[2]许建中，赵成勇.模块化多电平换流器电容电压优化平衡控制算法[J].电网技术，2012，36（6）：256-261.