多模块多电平高压换流阀的控制方法及装置

技术领域

本申请涉及换流阀控制技术领域，具体涉及多模块多电平高压换流阀的控制方法及装置。

背景技术

多模块多电平高压换流阀系统是指以板桥子模块为控制核心的高压换流系统，由晶闸管和其他辅助元件构成，典型的多模块多电平高压换流阀系统组成元件如下：(1)给定元件。包括电子元件，如半桥子模块，电阻，电感等，对桥臂电压进行控制；也可以是全桥子模块和钳位双子模块。(2)反馈检测模块。用来读取并网电压电流，反馈给控制器。它可以是电压计和电流计。(3)Park变换模块。它将电网模型进行Park变换并用于后续信号计算，将其从abc轴转换到dq轴上来，它可以是单独模块也可以是一个信号乘矩阵。(4)锁相环模块。获取电网中电压频率，可以是频率获取模块也可以是一个给定的常量。(5)信号计算。外环控制器对经Park变换的信号解耦后进行计算得到有功无功功率有功无功电动势和有功电压等，并计算得出内环所需的参考有功无功参考电流。(6)信号跟踪。内环控制器中应用MPC控制器对外环控制器中计算得出的电流轨迹进行跟踪计算得出有功无功电动势，并进行反Park变换，经环流控制抑制后为上下桥臂提供参考电压。被控对象晶闸管在PWM波信号下开启与闭合进而控制桥臂电压。

多模块多电平高压换流阀模型预测控制器的基本原理是：利用一个已有的模型、系统当前的状态和未来的控制量，来预测系统未来的输出，然后与我们期望的系统输出做比较，得到一个损失函数，即：

损失函数＝(未来输出(模型，未来控制量，当前状态)-期望输出)^2

由于上式中模型、当前状态、期望输出都是已知的，因此只有未来控制量一个自变量。因此如何得到准确的未来控制量，对提高多模块多电平高压换流阀系统的控制准确率和控制效率，都有极大的帮助。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题的至少之一，本申请实施例提供一种多模块多电平高压换流阀的控制方法及装置。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供一种多模块多电平高压换流阀的控制方法，所述方法包括：

获取高压换流阀的目标输出参数以及当前系统状态参数；

根据所述目标输出参数、所述当前系统状态参数以及预先创建的模型预测控制器确定预测时域的控制量；

根据所述控制量对所述高压换流阀进行控制。

在一实施例中，所述方法还包括创建所述模型预测控制器的步骤，具体包括：

建立所述高压换流阀在abc坐标系下的时域数学模型；

对abc坐标系下的时域数学模型进行派克变换，得到所述高压换流阀在dq坐标系下的时域数学模型；

对所述dq坐标系下的时域数学模型进行解耦，得到模型预测控制器。

在一实施例中，所述方法还包括：

获取所述模型预测控制器的状态方程；

采用前向欧拉法将所述状态方程离散化。

在一实施例中，所述根据所述目标输出参数、所述当前系统状态参数以及预先创建的模型预测控制器确定预测时域的控制量，包括：

根据离散化后的状态方程以及所述当前系统状态参数确定预测时域的预测系统状态参数；

根据所述预测系统状态参数、所述目标输出参数以及预设的优化目标函数确定预测时域的控制量。

根据本申请实施例的第二方面，本申请提供一种多模块多电平高压换流阀的控制装置，所述装置包括：

参数获取模块，用于获取高压换流阀的目标输出参数以及当前系统状态参数；

控制量确定模块，用于根据所述目标输出参数、所述当前系统状态参数以及预先创建的模型预测控制器确定预测时域的控制量；

控制模块，用于根据所述控制量对所述高压换流阀进行控制。

在一实施例中，所述装置还包括模型创建模块，用于创建所述模型预测控制器，具体用于：

建立所述高压换流阀在abc坐标系下的时域数学模型；

对abc坐标系下的时域数学模型进行派克变换，得到所述高压换流阀在dq坐标系下的时域数学模型；

对所述dq坐标系下的时域数学模型进行解耦，得到模型预测控制器。

在一实施例中，所述控制量确定模块包括状态方程离散化单元，用于：

获取所述模型预测控制器的状态方程；

采用前向欧拉法将所述状态方程离散化。

在一实施例中，所述控制量确定模块还包括：

系统状态参数预测单元，用于根据离散化后的状态方程以及所述当前系统状态参数确定预测时域的预测系统状态参数；

控制量预测单元，用于根据所述预测系统状态参数、所述目标输出参数以及预设的优化目标函数确定预测时域的控制量。

根据本申请实施例的第三方面，本申请提供一种计算机设备，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计算机程序时实现本申请提供的任一多模块多电平高压换流阀的控制方法。

根据本申请实施例的第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本申请提供的任一多模块多电平高压换流阀的控制方法。

本申请的多模块多电平高压换流阀的控制方法及装置，能够实现内环对外环中的参考电流信号进行实时跟踪，提高对参考电流的稳定小误差跟踪能力，进而提高多模块多电平换流阀的转换精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制方法的一种示意图。

图2为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制方法的另一种示意图。

图3为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制方法的另一种示意图。

图4为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制方法的另一种示意图。

图5为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制装置的一种示意图。

图6为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制装置的另一种示意图。

图7为本申请提供的多模块多电平高压换流阀的控制装置的另一种示意图。

图8为本申请提供的一种计算机设备的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

根据本申请实施例的第一方面，本申请提供一种多模块多电平高压换流阀的控制方法，如图1所示，该方法包括：

步骤S101，获取高压换流阀的目标输出参数以及当前系统状态参数；

具体地，本步骤的高压换流阀指多模块多电平高压换流阀，其中，目标输出参数至少包括目标电流，其为当前时刻外环的参考电流；当前系统状态参数至少包括当前时刻内环的实际电流。

本申请的高压换流阀包括：六个等效子模块，分别为：A相上桥臂子模块、A相下桥臂子模块、B相上桥臂子模块、B相下桥臂子模块、C相上桥臂子模块、C相下桥臂子模块，且A、B、C三相结构相同。以A相为例，高压直流电一极接入A相上桥臂等效子模块的1端口，A相上桥臂等效子模块的2端口依次连接A相上桥臂电阻、A相上桥臂电感、A相下桥臂电感、A相下桥臂电阻，然后再接入A相下桥臂等效子模块的1端口；A相下桥臂等效子模块的2端口接入高压直流电的另一极。在A相上桥臂电感和A相下桥臂电感之间的节点并入电网。B、C相结构与A相类似。在A、B、C三相并网节点处采集并网电压输入控制器中，控制器输出PWM信号作用于子模块，子模块根据控制信号开闭晶闸管。

步骤S102，根据所述目标输出参数、所述当前系统状态参数以及预先创建的模型预测控制器确定预测时域的控制量；

具体地，本步骤的模型预测控制器为预先创建的用于生成内环电流控制量的控制器模型，其作用为控制内环电流跟踪外环电流。

步骤S103，根据所述控制量对所述高压换流阀进行控制。

本步骤使用步骤S102生成的控制量对高压换流阀进行控制，实现了内环电流对外环参考电流的实时跟踪，提高了高压换流阀对参考电流的稳定小误差跟踪能力，进而提高多模块多电平换流阀的转换精度。

在一实施例中，本申请的多模块多电平高压换流阀的控制方法还包括创建模型预测控制器的步骤，如图2所示，创建所述模型预测控制器的步骤包括：

步骤S201，建立所述高压换流阀在abc坐标系下的时域数学模型；

具体地，本步骤分别针对a、b、c三项写KVL方程并作简单变换，得到高压换流阀在abc坐标系下的时域数学模型，参见下式(1)：

其中，i

步骤S202，对abc坐标系下的时域数学模型进行派克变换，得到所述高压换流阀在dq坐标系下的时域数学模型；

具体地，使用变换矩阵对上式(1)进行dq变换，并利用Park变换将三相坐标转换到有功无功坐标下，变换矩阵T

其中，θ为相位。

经abc-dq变换后，高压换流阀在dq坐标系下的时域数学模型为：

其中，i

步骤S203，对所述dq坐标系下的时域数学模型进行解耦，得到模型预测控制器。

具体地，在dq坐标系下对式(3)的时域数学模型进行Laplace变换，得到频域下的模型：

其中，i

然后应用直接控制方法对式(4)所示的模型进行解耦，具体为引入引入补偿项，wLeqiq、wLeqid和前馈项u

模型经过Laplace变换后在频域下应用直接控制方法对模型实行解耦，解耦后得到的模型预测控制器的形式与式(3)相同。在对式(3)所示的模型预测控制器解耦后可得模型预测控制器的输出如下式(5)：

其中，i

本步骤对dq轴电流进行解耦，从而分解为内环电流控制和外环功率控制，便于使用有功和无功功率直接控制。

在一实施例中，如图3所示，所述方法还包括：

步骤S301，获取所述模型预测控制器的状态方程；

具体地，模型预测控制器的状态方程可表示为下式(6)：

其中，

步骤S302，采用前向欧拉法将所述状态方程离散化。

具体地，在电流调节器中使用模型预测控制器调节电流。采用前向欧拉法将所述状态方程离散化：

X(k+1)＝(1+TA)X(k)+TBu(k)(7-2)

其中，

图3所示的步骤，既可以在图2创建模型预测控制器后执行，也可以在图1所示的步骤S102中执行，本申请对此不进行限制。

在一实施例中，如图4所示，所述根据所述目标输出参数、所述当前系统状态参数以及预先创建的模型预测控制器确定预测时域的控制量，包括：

步骤S401，根据离散化后的状态方程以及所述当前系统状态参数确定预测时域的预测系统状态参数；

具体地，根据当前时刻的系统状态参数和当前时刻的控制量，迭代上式(7-2)，对未来p个控制周期内预测的系统状态进行预测：

将上式(8-1)至(8-p)整合为矩阵形式：

X

其中，

上式中的下三角形式，直接反映了系统在时间上的因果关系，即k+1时刻的输入对k时刻的输出没有影响，k+2时刻的输入对k和k+1时刻没有影响。

未来p个控制周期内预测的系统状态可记为：

其中，p为预测时域，X(k+1|k)表示在当前k时刻预测到的k+1时刻(未来第1个控制周期)的系统状态，X(k+2|k)、X(k+p|k)以此类推。

步骤S402，根据所述预测系统状态参数、所述目标输出参数以及预设的优化目标函数确定预测时域的控制量。

根据预测系统状态参数、目标输出参数(参考值)以及预设的优化目标函数模板，构建优化目标函数：

J(U

其中，J(U

为了在控制中不让控制动作过大，在式(11)的优化目标函数添加一项对控制量的约束，得到式(12)：

其中，J(U

上述优化问题可以描述为确定J(U

将式(13)的目标优化函数J(U

式(14)中，E

未来p个控制周期内预测的系统状态对应的控制量可记为：

其中，p为预测时域，U(k|k)表示在当前k时刻输出的用于控制k+1时刻(未来第1个控制周期)的控制量，X(k+1|k)、X(k+p-1|k)以此类推。

本申请的多模块多电平高压换流阀的控制方法，能够实现内环对外环中的参考电流信号进行实时跟踪，提高对参考电流的稳定小误差跟踪能力，进而提高多模块多电平换流阀的转换精度。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供了多模块多电平高压换流阀的控制装置，可以用于实现上述实施例所描述的方法，如下面的实施例所述。由于多模块多电平高压换流阀的控制装置解决问题的原理与多模块多电平高压换流阀的控制方法相似，因此多模块多电平高压换流阀的控制装置的实施可以参见多模块多电平高压换流阀的控制方法的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的系统较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

根据本申请实施例的第二方面，本申请提供一种多模块多电平高压换流阀的控制装置，如图5所示，所述装置包括：

参数获取模块501，用于获取高压换流阀的目标输出参数以及当前系统状态参数；

控制量确定模块502，用于根据所述目标输出参数、所述当前系统状态参数以及预先创建的模型预测控制器确定预测时域的控制量；

控制模块503，用于根据所述控制量对所述高压换流阀进行控制。

在一实施例中，如图6所示，所述装置还包括模型创建模块504，用于创建所述模型预测控制器，具体用于：

建立所述高压换流阀在abc坐标系下的时域数学模型；

对abc坐标系下的时域数学模型进行派克变换，得到所述高压换流阀在dq坐标系下的时域数学模型；

对所述dq坐标系下的时域数学模型进行解耦，得到模型预测控制器。

在一实施例中，如图7所示，所述控制量确定模块502包括状态方程离散化单元5021，用于：

获取所述模型预测控制器的状态方程；

采用前向欧拉法将所述状态方程离散化。

在一实施例中，请继续参见图7，所述控制量确定模块502还包括：

系统状态参数预测单元5022，用于根据离散化后的状态方程以及所述当前系统状态参数确定预测时域的预测系统状态参数；

控制量预测单元5023，用于根据所述预测系统状态参数、所述目标输出参数以及预设的优化目标函数确定预测时域的控制量。

本申请的多模块多电平高压换流阀的控制装置，能够实现内环对外环中的参考电流信号进行实时跟踪，提高对参考电流的稳定小误差跟踪能力，进而提高多模块多电平换流阀的转换精度。

根据本申请实施例的第三方面，本申请还提供一种计算机设备，参见图8，所述电子设备100具体包括：

中央处理器(processor)110、存储器(memory)120、通信模块(Communications)130、输入单元140、输出单元150以及电源160。

其中，所述存储器(memory)120、通信模块(Communications)130、输入单元140、输出单元150以及电源160分别与所述中央处理器(processor)110相连接。所述存储器120中存储有计算机程序，所述中央处理器110可调用所述计算机程序，所述中央处理器110执行所述计算机程序时实现上述实施例中的多模块多电平高压换流阀的控制方法中的全部步骤。

根据本申请实施例的第四方面，本申请的实施例还提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行。所述计算机程序被处理器执行时实现本发明所提供的任一多模块多电平高压换流阀的控制方法。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。