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三相四臂式MMC有限控制集模型预测控制

浙江大学方攸同教授的科研团队,提出了一种三相四臂式MMC拓扑结构,并提出了针对此MMC结构的新型控制策略——结合基于自适应线性神经元的子模块电压预测方案与基于无电流排序的电容电压平衡方法(FLS-MPC)。此项研究增强了MMC系统对传感器故障的应对能力,降低了MMC控制策略的复杂性,也有利于降低MMC系统整体成本。研究利用上海远宽的StarSim FPGA Solver 通过实时仿真验证了该方法的有效性和可行性。并将成果总结发表于IEEE Transactions on Power Electronics.

Xing Liu, Lin Qiu, Youtong Fang, et al., Finite-Level-State Model Predictive Control for Sensorless Three-Phase Four-Arm Modular Multilevel Converter[J], IEEE Transactions on Power Electronics. DOI 10.1109/TPEL.2019.2944638.


研究背景

MMC结构由于其高效率、优越的可用性和低谐波失真率等优点,被誉为适合高电压高功率应用的新一代变流器拓扑结构。然而,此结构也存在很多弊端:传统MMC结构对于系统DC总线故障(短路、断路情况)的穿越能力较差;维持MMC正常工作需要的传感器过多,当传感器故障时变流器控制系统易发生内部紊乱,导致整体变流器的稳定性较差;所需电力电子元器件较多,花费较高等。为此,对于MMC稳定性和故障穿越能力的研究,以及新型MMC结构的应用,正成为电力电子界的热点。目前为止,对于整体桥臂故障以及与此同时的传感器故障对于MMC结构运行方面的研究并没有引起过多的重视。文章研究侧重点新颖,弥补了目前业界的研究缺失。

文中设计了一种新型“三相四臂式MMC”结构来模拟整体桥臂的故障,将故障相桥臂切除并连接到直流侧电容中点,此种结构可有效提高MMC结构的故障穿越能力。具体结构拓扑如下图所示:

为实现MMC各子模块的电容电压平衡,MMC结构需要为每个模块安装电压传感器,并对每个桥臂安装电流传感器。为解决传感器故障对于整体MMC结构运行的影响,提高MMC结构的可靠性和稳定性,文中提出了一种新颖的基于自适应线性神经元的子模块电容电压估测方法,进一步提出了一种改进型无传感器有限开关状态模型预测控制策略。整体解决方案如图所示:



其中上桥臂模块电压估测方案(Upper Arm Estimation Voltages)如图所示:

通过以上加入自适应线性神经元的子模块电容电压估测方法,子模块电容电压平衡的实现可以摆脱对于桥臂电流传感器和子模块电压传感器的依赖,同时可以简单、准确、快速完成对于子模块电容电压的估测。

理论推导过程详见浙江大学科研团队发表的文章。


基于小步长实时仿真的控制策略验证

研究在实验验证阶段,模拟了MMC结构无电压、电流传感器(所有传感器故障)的情况,另外同时模拟了网侧电感的不匹配情况,并验证了所提控制策略的可行性和鲁棒性。这种实验一般较难在实物系统上直接实现;纯软件仿真较难反应出真实控制器中的延迟和有限精度。同时实时仿真可以精确地控制功率和频率的变化,也可以准确地得到控制器调节时间和调节过程波形,是进行无传感器有限开关状态模型预测控制策略验证的理想实时仿真方法。


小步长实时仿真对于控制策略验证的重要性

电力电子系统含有高速动作的开关元件,其实时仿真有一定挑战,通常有两种方法来实现电力电子系统的实时仿真,一种是基于PWM占空比测量的平均值大步长方法,一种是基于细节模型的小步长实时仿真。

上海远宽能源科技有限公司(www.modeling-tech.com)提供的StarSim实时仿真器,基于电力电子器件的细节模型,同时利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真,被广泛应用于新型拓扑结构、新型控制策略验证、可再生能源并网、电机驱动等的实时仿真中;浙江大学的科研团队就采用了 StarSim 电力电子实时仿真器来进行所提出的三相四臂式MMC结构和无传感器有限开关状态模型预测控制策略验证试验。


验证结果

下列各图是在实时仿真实验平台上对于所提出结构和控制策略的验证结果(通过示波器观察到的实时波形):

图(a)反映了有功功率和无功功率在稳态时的稳定状态;图(b)呈现了对于DC电压控制的准确性和三相网侧电流的实时波形;图(c)和(d)展示了稳态下子模块电容电压的估测电压和测量电压;图(e)至(h)展现了控制策略在稳态和暂态的真实控制效果;最后,图(i)对比了电容电压测量值和基于自适应线性神经元的子模块电容电压估测方法得到的估算值,从波形上可以验证电压估测算法的准确性。 

下图对比了本文所提改进型FLS-MPC(Finite-Level-State Model Predictive Control)与传统FCS-MPC(Finite-Control-Set Model Predictive Control)对于网侧电感不匹配情况下的整体谐波比例,进一步诠释了所提控制策略的鲁棒性:

综上,浙江大学方攸同教授的科研团队所提方案的可行性和准确性都达到预期,证明了无传感器有限开关状态模型预测控制策略对于所引用的三相四臂式MMC结构控制的有效性。


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