CN103368431B

CN103368431B - 一种mmc上下桥臂分离控制方法

Info

Publication number: CN103368431B
Application number: CN201310259329.5A
Authority: CN
Inventors: 姚为正; 张建; 王先为; 吴金龙; 韩坤; 刘普
Original assignee: XJ Electric Co Ltd; Xian XJ Power Electronics Technology Co Ltd
Current assignee: XJ Electric Co Ltd; Xian XJ Power Electronics Technology Co Ltd
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-11-11
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: CN103368431A

Abstract

本发明公开了一种MMC上下桥臂分离控制方法，步骤如下：将电网电流指令分别乘以上、下桥臂的电流指令系数k_u和k_d作为上下桥臂的电流内环指令值，再分别采样上、下桥臂的电流作为反馈信号，通过解耦控制器的解耦控制及信号处理对上、下桥臂分别做闭环控制，实现上、下桥臂电流的输出。本发明的MMC上下桥臂分离控制方法采用分离控制方法，使得MMC适应在上、下桥臂电抗器有差情况下，上下桥臂间电流的均衡控制；使得MMC适应上、下桥臂非对称运行，上、下桥臂输出不同等级的电流；在不增加环流控制器的情况下，能够实现环流的有效抑制，作为三相MMC的一种可选择的新型控制方法，具有广泛的应用前景。

Description

一种MMC上下桥臂分离控制方法

技术领域

本发明属于电力系统中柔性直流输电、电力电子和用户电力技术利用技术领域，具体涉及一种新型MMC上下桥臂分离控制方法。

背景技术

模块化多电平环流器(modularmultilevelconverter,MMC)拓扑结构中一个重要的特点是将储能电容放到了串联的子模块当中，在理想情况下，认为子模块（Sub-Module，SM）的电容电压恒定。而实际当中，由于流过桥臂的电流由交流和直流分量组成，该电流会对SM电容进行充放电，导致其电压波动，从而在桥臂电抗器L上产生谐波电流，而此谐波电流进一步造成SM电容的电压波动，最终在桥臂电流中产生一系列稳定的谐波分量，导致波形畸变，并因此造成桥臂电流有效值增加，影响系统的容量和安全余量，并产生不必要的功耗。另外，由于电容电压的波动，使得一相中上下桥臂的电压和与直流母线电压不相同，导致环流的产生。环流交流分量增大了桥臂电流的有效值使得这个桥臂的损耗相应的增加，同时电容电压也会波动更大，另外交流分量在桥臂电感上的压降会对阀侧输出交流电压产生谐波干扰。因此有必要消除此交流分量，以降低环流阀损耗以及改善阀侧输出的交流电压的波形。

目前来讲，MMC环流抑制的方法主要有三大类：

第一类方法是基于桥臂能量估测的开环控制方法，能够有效降低MMC中的环流，并且能够大量减少传感器和光纤的数量，但最大的缺点是需要准确知道系统的参数。

第二类方法是通过检测桥臂间的环流，对其进行闭环控制，此类方法又分为相似的两种：第一种方法认为MMC环流主要是二倍频负序，因此通过二次负序旋转变换，在dq坐标系下采用PI调节器对环流进行闭环控制，此方法仅对二次环流进行了有效抑制，对高次环流抑制效果不佳，中国专利号201010162065.8公开了“一种三相模块化多电平环流器环流抑制方法”，通过将二倍频环流进行dq变换，通过解耦控制给出附加设定量，从而实现二倍频电流的抑制，但是该方式仅适用于稳态工况；第二种方法认为基于MMC环流除了二倍频负序，还包含其余所有高频偶次谐波成分的分析，通过在abc坐标系下采用多个偶次倍频的PR调节器对环流进行闭环控制，并指出适用于单相和三相多种场合应用，这两种方法均具有良好的环流抑制特性，但缺点在于其控制效果对PR调节器的设定频率具有很强的依赖性。

第三类方法是采用上下桥臂分离控制，对每个桥臂均采用独立的PI控制器，也即等同于在abc坐标系下对上下桥臂组进行分离控制，因此其对低频域的环流是有一定抑制作用的，但缺点在于其是有差控制，不能有效消除环流。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC上下桥臂分离控制方法，为MMC的基本控制及环流抑制提供一种新的控制方法。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种MMC上下桥臂分离控制方法，步骤如下：将电网电流指令分别乘以上、下桥臂的电流指令系数k_u和k_d作为上下桥臂的电流内环指令值，再分别采样上、下桥臂的电流作为反馈信号，通过解耦控制器的解耦控制及信号处理对上、下桥臂分别做闭环控制，实现上、下桥臂电流的输出；其中0≤k_u≤1，0≤k_d≤1；k_u+k_d=1。

基于abc静止坐标系下，所述解耦控制器为PR解耦控制器，其对应的电网电流指令为相电网电流指令，PR解耦控制器的调谐频率在基波、2次、4次及各偶次频率处；基于dq旋转坐标系下，所述解耦控制器为PI解耦控制器，其对应的电网电流指令为d轴或q轴电网电流指令；所述PI解耦控制器的旋转频率在基波、2次、4次及各偶次频率处。

所述电流指令为预先给定的电流指令值或外环控制器输出的电流指令值，此指令值均分给上、下桥臂时，使MMC运行于上、下桥臂电抗有差的工况，上、下桥臂输出相同的电流，实现上、下桥臂电流的均衡控制；此指令值不均分给上、下桥臂时，上、下桥臂输出不同的电流，实现上、下桥臂的非对称运行。

所述解耦控制及信号处理的过程如下：上、下桥臂反馈信号在对应电流内环指令值下，通过相应解耦控制器的解耦控制和上、下桥臂被控对象传递函数处理后，所得电压值与对应电网电压相减后再经过相应电抗的传递函数处理，得到上、下桥臂的输出电流。

本发明的MMC上下桥臂分离控制方法将电网电流指令分别乘以上、下桥臂的电流指令系数k_u和k_d作为上下桥臂的电流内环指令值，再分别采样上、下桥臂的电流作为反馈信号，通过解耦控制及信号处理对上、下桥臂分别做闭环控制，实现上、下桥臂电流的输出。通过采用分离控制方法，使得MMC适应在上、下桥臂电抗器有差情况下，上下桥臂间电流的均衡控制；使得MMC适应上、下桥臂非对称运行，上、下桥臂输出不同等级的电流；在不增加环流控制器的情况下，能够实现环流的有效抑制；通过加入环流频段处的解耦控制器，能够实现性能优良的环流抑制效果，作为三相MMC的一种可选择的新型控制方法，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是三相MMC的基本拓扑结构；

图2是三相MMC的上下桥臂分离控制框图；

图3是基于abc静止坐标系下的A相PR解耦控制框图；

图4是基于dq旋转坐标系下的d轴PI解耦控制框图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施方式对本发明进行进一步介绍。

如图1所示本发明柔性直流输电系统三相模块化多电平换流器的结构图，由图可知，该换流器由a、b、c三个相单元共六个桥臂构成，其中每个相单元均有上、下两个桥臂。每个桥臂由耦合或者非耦合的桥臂电抗器（L_u或L_d）和N个完全相同的子模块（SM1……SMn）级联而成。每个子模块包含两个IGBT，两个反向二极管和一个直流电容组成，且每个子模块可采用半桥或全桥等基本结构，但不限于此。图中，U_dc为直流母线电压，u_sa,u_sb,u_sc分别为三相电网电压；L_u,L_d分别为上、下桥臂电抗器。

如图2所示，以三相MMC为例，上下桥臂分离控制的过程如下，进行分离控制时，首先将三个上桥臂看做一组三相换流器，称之为上桥臂组，通过采样上桥臂组的三个电流作为反馈信号，实现上桥臂组的电流反馈控制；同样，三个下桥臂也看做一组三相换流器，称之为下桥臂组，通过采样下桥臂组的三个电流作为反馈信号，实现下桥臂组的电流反馈控制。

本发明的MMC上下桥臂分离控制方法，是将电网电流指令分别乘以上、下桥臂的电流指令系数k_u和k_d作为上下桥臂的电流内环指令值，再分别采样上、下桥臂的电流作为反馈信号，通过解耦控制器的解耦控制及信号处理对上、下桥臂分别做闭环控制，实现上、下桥臂电流的输出；其中0≤k_u≤1，0≤k_d≤1；k_u+k_d=1。

基于abc静止坐标系下，本发明的解耦控制器为PR解耦控制器，其对应的电网电流指令为相电网电流指令，PR解耦控制器的调谐频率在基波、2次、4次及各偶次频率处；基于dq旋转坐标系下，解耦控制器为PI解耦控制器，其对应的电网电流指令为d轴或q轴电网电流指令；所述PI解耦控制器的旋转频率在基波、2次、4次及各偶次频率处。。

电流指令为预先给定的电流指令值或外环控制器输出的电流指令值，此指令值均分给上、下桥臂时，使MMC运行于上、下桥臂电抗有差的工况，上、下桥臂输出相同的电流，实现上、下桥臂电流的均衡控制；此指令值不均分给上、下桥臂时，上、下桥臂输出不同的电流，实现上、下桥臂的非对称运行。

对基于abc静止坐标系下的PR解耦控制和基于dq旋转坐标系下的PI解耦控制的环流抑制解耦控制的控制过程分别进行说明：

1)基于abc静止坐标系下的PR解耦控制

如图3所示，以MMC的A相上下两个桥臂的PR解耦控制为例，B、C两相也采用相同的控制结构，因此，这种控制方法也适用于单相MMC拓扑结构，以及多相MMC拓扑结构。

将外环控制器输出指令（或给定的电流指令）乘以系数k_u和k_d（其中0≤k_u≤1，0≤k_d≤1；k_u+k_d=1），分别作为上下桥臂组的电流内环指令值，通过主要频段处的PR解耦控制器G_u1（包含PR₁₁、PR₁₂、PR₁₄等基波+偶次环流的PR控制器）和G_d1（包含PR₂₁、PR₂₂、PR₂₄等基波+偶次环流的PR控制器），对上下桥臂组分别做闭环控制。

由于PR解耦控制器的使用，各偶次环流得到有效抑制，考虑PR解耦控制器实现起来较为困难，因此可以采用准PR调解耦控制器，增加谐振频率处的带宽，降低其设计难度。

2)基于dq旋转坐标系下的PI解耦控制

如图4所示，以MMC的d轴PI解耦控制为例，q轴采用相同的控制方式。将外环控制器输出指令（或给定的电流指令）乘以上、下桥臂组电流指令系数k_u和k_d（其中0≤k_u≤1，0≤k_d≤1；k_u+k_d=1），分别作为上下桥臂组的电流内环指令值，通过主要频段处的PI解耦控制器G_u2（包含PI₁₁、PI₁₂、PI₁₄等基波+偶次环流的PI控制器）和G_d2（包含PI₂₁、PI₂₂、PI₂₄等基波+偶次环流的PI控制器），对上下桥臂组分别做闭环控制。

相对于abc静止坐标系下的PR解耦控制，dq旋转坐标系下的PI解耦控制计算量相对较大，并依赖于锁相环（PLL，PhaseLockLoop）的准确度，但优势在于能够在不同频段处实现无差控制，控制性能更为优越。

在图3和图4中，解耦控制及信号处理的过程如下：上、下桥臂反馈信号（上、下桥臂组A相电流i_au,i_ad或上、下桥臂组d轴电流i_du,i_dd）在对应电流内环指令值（上、下桥臂组A相电流指令或上、下桥臂组d轴电流指令）下，通过相应解耦控制器（上、下桥臂组A相PR解耦控制器G_u1,G_d1或上、下桥臂组d轴PI解耦控制器G_u2,G_d2）的解耦控制和上、下桥臂被控对象传递函数（上、下桥臂组A相被控对象传递函数M_u1,M_d1或上、下桥臂组d轴被控对象传递函数M_u2,M_d2）处理后，所得电压值与对应电网电压（A相电网电压u_sa或d轴电网电压u_sd）相减后再经过相应电抗L_u,L_d的传递函数1/sL_u或1/sL_d处理，即得到上、下桥臂的输出电流（上、下桥臂组A相电流i_au,i_ad或上、下桥臂组d轴电流i_du,i_dd），上、下桥臂的输出电流相加得到对应电网电流（A相电网电流i_sa或d轴电网电流i_sd）。

本发明的MMC上下桥臂分离控制方法，适用于三相MMC拓扑结构，但并不限于三相MMC拓扑。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，凡在本发明的原理和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种MMC上下桥臂分离控制方法，其特征在于，步骤如下：将电网电流指令分别乘以上、下桥臂的电流指令系数k_u和k_d作为上下桥臂的电流内环指令值，再分别采样上、下桥臂的电流作为反馈信号，通过解耦控制器的解耦控制及信号处理对上、下桥臂分别做闭环控制，实现上、下桥臂电流的输出；其中0≤k_u≤1，0≤k_d≤1；k_u+k_d＝1；

所述解耦控制及信号处理的过程如下：上、下桥臂反馈信号在对应电流内环指令值下，通过相应解耦控制器的解耦控制和上、下桥臂被控对象传递函数处理后，所得电压值与对应电网电压相减后再经过相应电抗的传递函数处理，得到上、下桥臂的输出电流；

本方法在不增加环流控制器的情况下，能够实现环流的有效抑制。

2.根据权利要求1所述的MMC上下桥臂分离控制方法，其特征在于：基于abc静止坐标系下，所述解耦控制器为PR解耦控制器，其对应的电网电流指令为相电网电流指令，PR解耦控制器的调谐频率在基波、2次、4次及各偶次频率处；基于dq旋转坐标系下，所述解耦控制器为PI解耦控制器，其对应的电网电流指令为d轴或q轴电网电流指令；所述PI解耦控制器的旋转频率在基波、2次、4次及各偶次频率处。

3.根据权利要求1或2所述的MMC上下桥臂分离控制方法，其特征在于：所述电流指令为预先给定的电流指令值或外环控制器输出的电流指令值，此指令值均分给上、下桥臂时，使MMC运行于上、下桥臂电抗有差的工况，上、下桥臂输出相同的电流，实现上、下桥臂电流的均衡控制；此指令值不均分给上、下桥臂时，上、下桥臂输出不同的电流，实现上、下桥臂的非对称运行。