CN105119499B - 一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制方法，其中：第一交流端口电流控制模块同步旋转坐标系下使用两个PI对电流进行控制，输出第一交流端口参考电压的dq坐标系分量；第二交流端口电流控制模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对电流进行控制，输出第二交流端口参考电压的dq坐标系分量；交流参考电压分解模块将第一、第二交流端口的参考电压进行分解，输出各个分支桥臂的交流参考电压；分支参考电压生成模块将各个分支桥臂的交流参考电压与相应的直流参考电压进行合成，输出各个分支桥臂的参考电压用于调制。本发明实现分叉MMC较好的稳态控制效果，三相电流可控并保证各个分支桥臂能量稳定。

Description

一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统

技术领域

本发明涉及电力系统中柔性直流输电、电力电子技术领域，具体地，涉及一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统。

背景技术

模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)广泛应用在柔性直流输电领域，是一种适用于高压大功率应用的电力电子变换器，具有模块化结构，子模块中功率开关的电压应力小，谐波性能好，损耗低。

经检索，“模块组合多电平变换器的研究综述”(中国电机工程学报，第33卷，第6期，2013)，该文献概述了常规MMC的控制和应用。分叉结构MMC作为常规MMC的改进拓扑，适用于低调制比应用，由于结构较为复杂，分叉结构MMC的控制变量较多，控制不当会使变换器失去稳定，因此传统MMC的控制方法不适用于分叉结构MMC。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于分叉结构MMC的电流控制系统，保证分叉结构MMC各个分支能量的稳定性，使变换器稳定运行；同时两个交流端口的电流均可控，能够适用于不同的工作状态。

为实现以上目的，本发明提供一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统，包括：第一交流端口电流控制模块、第二交流端口电流控制模块、交流参考电压分解模块和分支参考电压生成模块，其中：

所述第一交流端口电流控制模块，该模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对电流进行控制，其输入量为第一交流端口的dq轴电流给定值、第一交流端口的三相电流采样值、同步旋转坐标系角度θ，输出量为第一交流端口参考电压的dq坐标系分量，且输出量在交流参考电压分解模块中被调用；

所述第二交流端口电流控制模块，该模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对电流进行控制，其输入量为第二交流端口的dq轴电流给定值、第二交流端口的三相电流采样值、同步旋转坐标系角度θ，输出量为第二交流端口参考电压的dq坐标系分量，且输出量在交流参考电压分解模块中被调用；

所述交流参考电压分解模块，该模块的输入为第一交流端口电流控制模块的输出量即第一交流端口参考电压的dq坐标系分量，第二交流端口电流控制模块的输出量即第二交流端口参考电压的dq坐标系分量，以及同步旋转坐标系角度θ和功率因数所述交流参考电压分解模块将第一、第二交流端口的参考电压进行分解，输出各个分支桥臂的交流参考电压；

所述分支参考电压生成模块，该模块的输入为交流参考电压分解模块输出的各个分支桥臂的交流参考电压，所述分支参考电压生成模块将各个分支桥臂的交流参考电压与相应的直流参考电压进行合成，输出各个分支桥臂的参考电压用于调制。

优选地，所述同步旋转坐标系角度θ在并网变换器中由锁相环得到。

优选地，所述第一、第二交流端口来自于同一交流电源，或者来自于相互独立的两个交流电源。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可以实现分叉MMC较好的稳态控制效果，三相电流可控并且保证各个分支能量稳定；

2、对于不同的功率因数和分支直流电压调制比(m_dc)，都能够实现较好的控制效果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例分叉结构MMC示意图；

图2为本发明一实施例分叉结构MMC控制框图；

图3为本发明一实施例仿真结果图，其中(a)为两个交流端口电流示意图，(b)为子模块电容电压示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为分叉结构MMC示意图，分叉结构MMC具有六个桥臂组，六个桥臂组分别为第一上桥臂组1、第一下桥臂组1、第二上桥臂组2、第二下桥臂组2、第三上桥臂组3、第三下桥臂组3，各上桥臂组与对应的下桥臂组通过桥臂电感串联，串联后各桥臂组整体连接到公共直流母线，上桥臂与下桥臂通过桥臂电感连接点引出作为交流连接端；

每个桥臂组由第一分支桥臂、第二分支桥臂、第三分支桥臂构成，三个分支桥臂通过一个公共点呈星型连接，其中第三分支桥臂连接到直流母线，第一分支桥臂与第二分支桥臂分别通过桥臂电感与对应的上桥臂组或下桥臂组的第一分支桥臂与第二分支桥臂串联；

所述分叉结构模块化多电平变换器的输入功率由两组三相交流电源输入，第一组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A1、U_B1、U_C1，第二组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A2、U_B2、U_C2，其中：U_A1与U_B2接入到第一桥臂组，U_B1与U_C2接入到第二桥臂组，U_C1与U_A2接入到第三桥臂组，即两路交流输入在每个桥臂组中错相连接。

分叉结构MMC适用于低调制比应用，由于其桥臂电流较小，在传输相同功率的情况下，其损耗和总电容使用量均小于常规MMC。

由于分叉结构MMC的结构较常规MMC更为复杂，每个桥臂中需要协调控制3个分支的参考电压，并保证分支参考电压的合成结果能够控制交流端口电压。如果控制不当，会导致桥臂分支能量失稳，使变换器无法稳定运行。

在一实施例中：分叉结构MMC额定功率为7.5MW，直流母线电压为50kV，桥臂分支1、分支2、分支3的子模块数均为10，每个模块额定电压为2500V，子模块电容为10mF，桥臂电感为500μH，交流侧滤波电感为1mH，开关频率为400Hz，分叉MMC的两个交流端口接入同一个交流电压源，该交流电压源的相电压为2500V，频率为50Hz。变换器工作在单位功率因数条件下，每个桥臂的分支1、分支2、分支3中均产生12.5kV直流电压,即分支直流电压调制比m_dc＝0.5。

如图2所示，一种适用于分叉结构MMC的电流控制系统，包括如下模块：

交流端口1电流控制模块，该模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对电流进行控制，其输入量为交流端口1的dq轴电流给定值、交流端口1三相电流采样值、同步旋转坐标系角度θ(在并网变换器中可由锁相环得到)，该模块输出量为交流端口1参考电压的dq坐标系分量，且该输出量在交流参考电压分解模块中被调用；

交流端口2电流控制模块，该模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对电流进行控制，其输入量为交流端口2的dq轴电流给定值、交流端口2三相电流采样值、同步旋转坐标系角度θ(在并网变换器中可由锁相环得到)，该模块输出量为交流端口2参考电压的dq坐标系分量，且该输出量在交流参考电压分解模块中被调用；

交流参考电压分解模块，该模块的输入为交流端口1参考电压的dq坐标系分量、交流端口2参考电压的dq坐标系分量、同步旋转坐标系角度θ(在并网变换器中可由锁相环得到)、功率因数该模块将两个交流端口的参考电压进行分解，输出各个分支桥臂的交流参考电压；

分支参考电压生成模块，该模块的输入为各个分支桥臂的交流参考电压，该模块将各个分支桥臂的交流参考电压与相应的直流参考电压进行合成，输出各个分支桥臂的参考电压用于调制。

将图1所述结构的参数代入图2所示的控制框图中就可以实现该分叉MMC的控制系统。其中，交流端口1和2的电流控制模块和由park坐标变换和PI调节器构成，park变换所使用的角度可由锁相环得到。交流端口1和2的电流控制模块的输出结果通过park反变换可以得到各端口的交流参考电压：

以下各式中，为交流端口1的电流控制模块的输出经park反变换后得到的交流信号的幅值，为交流端口1的电流控制模块的输出经park反变换后得到的交流信号的幅值，ω为交流电压的角频率，m_dc分支直流电压的调制比，即m_dc等于各桥臂组中的分支桥臂1与分支桥臂2产生的直流电压与分叉MMC直流侧总电压之比的一半，U_dc为直流侧总电压，为功率因数。下标a、b、c分别表示三相交流电源的a、b、c相。

交流端口1的三相交流参考电压分别表示为

交流端口2的三相交流参考电压分别表示为：

则按照交流参考电压分解模块，分支桥臂3的三相交流参考电压可以表示为：

分支桥臂1的交流参考电压可以表示为：

u_{branch1_a}＝u_a1-u_{branch3_a}

u_{branch1_b}＝u_b1-u_{branch3_b}

u_{branch1_c}＝u_c1-u_{branch3_c}

分支桥臂2的交流参考电压可以表示为：

u_{branch2_a}＝u_b2-u_{branch3_a}

u_{branch2_b}＝u_c2-u_{branch3_b}

u_{branch2_c}＝u_a2-u_{branch3_c}

在分支参考电压生成模块中，将各分支桥臂的交流参考电压与直流参考电压合成，得到各个分支桥臂的参考电压，其中，第一下桥臂组1、第二下桥臂组2、第三下桥臂组3中的分支桥臂1参考电压分别表示为：

u_{1_l1}＝u_{branch1_a}+0.5m_dcU_dc

u_{1_l2}＝u_{branch1_b}+0.5m_dcU_dc

u_{1_l3}＝u_{branch1_c}+0.5m_dcU_dc

第一上桥臂组1、第二上桥臂组2、第三上桥臂组3中的分支桥臂1参考电压分别表示为：

u_{1_u1}＝-u_{branch1_a}+0.5m_dcU_dc

u_{1_u2}＝-u_{branch1_b}+0.5m_dcU_dc

u_{1_u3}＝-u_{branch1_c}+0.5m_dcU_dc

第一下桥臂组1、第二下桥臂组2、第三下桥臂组3中的分支桥臂2参考电压分别表示为：

u_{2_l1}＝u_{branch2_b}+0.5m_dcU_dc

u_{2_l2}＝u_{branch2_c}+0.5m_dcU_dc

u_{2_l3}＝u_{branch2_a}+0.5m_dcU_dc

第一上桥臂组1、第二上桥臂组2、第三上桥臂组3中的分支桥臂2参考电压分别表示为：

u_{2_u1}＝-u_{branch2_b}+0.5m_dcU_dc

u_{2_u2}＝-u_{branch2_c}+0.5m_dcU_dc

u_{2_u3}＝-u_{branch2_a}+0.5m_dcU_dc

第一下桥臂组1、第二下桥臂组2、第三下桥臂组3中的分支桥臂3参考电压分别表示为：

u_{3_l1}＝u_{branch3_a}+0.5(1-m_dc)U_dc

u_{3_l2}＝u_{branch3_b}+0.5(1-m_dc)U_dc

u_{3_l3}＝u_{branch3_c}+0.5(1-m_dc)U_dc

第一上桥臂组1、第二上桥臂组2、第三上桥臂组3中的分支桥臂3参考电压分别表示为：

u_{3_u1}＝-u_{branch3_a}+0.5(1-m_dc)U_dc

u_{3_u2}＝-u_{branch3_b}+0.5(1-m_dc)U_dc

u_{3_u3}＝-u_{branch3_c}+0.5(1-m_dc)U_dc

在RT-LAB仿真平台中对该系统进行仿真，结果如图3所示，其中(a)为两个交流端口电流示意图，(b)为子模块电容电压示意图，可以看出，两个交流端口电流控制稳定，子模块电容电压稳定，说明本实施例所述方法能够实现系统的稳定控制，且分支中能量稳定，不存在发散现象。

本发明保证分叉结构MMC各个分支能量的稳定性，使变换器稳定运行；两个交流端口的电流均可控，能够适用于不同的工作状态。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (3)

1.一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统，其特征在于，

所述分叉结构模块化多电平变换器具有六个桥臂组，六个桥臂组分别为第一上桥臂组、第一下桥臂组、第二上桥臂组、第二下桥臂组、第三上桥臂组、第三下桥臂组，各上桥臂组与对应的下桥臂组通过桥臂电感串联，串联后各桥臂组整体连接到公共直流母线，上桥臂与下桥臂通过桥臂电感连接点引出作为交流连接端；

每个桥臂组由第一分支桥臂、第二分支桥臂、第三分支桥臂构成，三个分支桥臂通过一个公共点呈星型连接，其中第三分支桥臂连接到直流母线，第一分支桥臂与第二分支桥臂分别通过桥臂电感与对应的上桥臂组或下桥臂组的第一分支桥臂与第二分支桥臂串联；

所述分叉结构模块化多电平变换器的输入功率由两组三相交流电源输入，第一组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A1、U_B1、U_C1，第二组三相交流电源的A、B、C相表示为U_A2、U_B2、U_C2，其中：U_A1与U_B2接入到第一桥臂组，U_B1与U_C2接入到第二桥臂组，U_C1与U_A2接入到第三桥臂组，即两路交流输入在每个桥臂组中错相连接；

所述适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统，包括：第一交流端口电流控制模块、第二交流端口电流控制模块、交流参考电压分解模块和分支参考电压生成模块，其中：

所述第一交流端口电流控制模块，该模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对第一交流端口的交流电流进行控制，其输入量为第一交流端口的dq轴电流给定值、第一交流端口的三相电流采样值、同步旋转坐标系角度θ，输出量为第一交流端口参考电压的dq坐标系分量，且输出量在交流参考电压分解模块中被调用；

所述第二交流端口电流控制模块，该模块在同步旋转坐标系下使用两个PI对第二交流端口的交流电流进行控制，其输入量为第二交流端口的dq轴电流给定值、第二交流端口的三相电流采样值、同步旋转坐标系角度θ，输出量为第二交流端口参考电压的dq坐标系分量，且输出量在交流参考电压分解模块中被调用；

所述交流参考电压分解模块，该模块的输入为第一交流端口电流控制模块的输出量即第一交流端口参考电压的dq坐标系分量，第二交流端口电流控制模块的输出量即第二交流端口参考电压的dq坐标系分量，以及同步旋转坐标系角度θ和功率因数所述交流参考电压分解模块根据第一、第二交流端口的参考电压计算得到第三分支桥臂的交流参考电压，在第一、第二交流端口的三相交流参考电压中减去第三分支桥臂的调制参考电压得到第一分支桥臂与第二分支桥臂的交流参考电压；

所述分支参考电压生成模块，该模块的输入为交流参考电压分解模块输出的各个分支桥臂的交流参考电压，所述分支参考电压生成模块将各个分支桥臂的交流参考电压与相应的直流参考电压进行合成，即对于上桥臂组中的所有分支桥臂，分支桥臂的参考电压为分支桥臂直流参考电压与分支桥臂交流参考电压之差；对于下桥臂组中的所有分支桥臂，分支桥臂的参考电压为分支桥臂直流参考电压与分支桥臂交流参考电压之和，可以计算得到各个分支桥臂的参考电压用于调制。

2.根据权利要求1所述的一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统，其特征在于，所述同步旋转坐标系角度θ在并网变换器中由锁相环得到。

3.根据权利要求1或2所述的一种适用于分叉结构模块化多电平变换器的电流控制系统，其特征在于，所述第一、第二交流端口来自于同一交流电源，或者来自于相互独立的两个交流电源。