CN105515359A

CN105515359A - 一种基于准pr控制的mmc阀组环流抑制方法

Info

Publication number: CN105515359A
Application number: CN201610041834.6A
Authority: CN
Inventors: 蓝竞豪; 黎林; 周立专
Original assignee: Guangdong Mingyang Longyuan Power Electronics Co Ltd
Current assignee: Guangdong Mingyang Longyuan Power Electronics Co Ltd
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明公开了一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，通过控制三相六臂各自的输出电压u_pj和u_nj来实现。为消除各相上、下桥臂电压和的不一致性，在桥臂电压u_pj和u_nj上同时减去一个大小等于u_cirj的修正量，就可以抵消两个串联电抗器两端之间的电压，同时可间接控制换流器的内部电流i_cirj。由于这种修正是同时加载同相上下两个桥臂上，因此它不会影响MMC的外部特性，即MMC输出的电流电压和电流不会改变。此外，本发明采用的准PR控制器，与传统的PR控制器相比，在工程能够有效地减少MMC换流器阀组的二次环流，并且系统参数影响很小，适应性强。

Description

一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法

技术领域

本发明涉及一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法。

发明内容

在整流、逆变的控制系统中，基于MMC的换流器拓扑结构请参照图1，整流侧和逆变侧阀组结构完全相同。整流和逆变模块均采用链式模块串联多电平结构，由多个子单元串联而成，该拓扑整流输入侧通过充电电阻与电网连接，并网完成后将电阻旁路；整流侧将高压交流电转化成直流；逆变侧直接与交流电机连接，将直流电转换成交流电驱动交流电机；该拓扑结构可实现四象限能量回馈。所述的整流、逆变模块分成三相，每相由偶数N个子单元串联而成分为上下两组，每组子单元个数为N/2个；每相的输出端为两组子单元的中点处，且输出端与子单元之间以缓冲电感连接；所述每个子单元为半桥结构，如图2所示，两个开关器件串联，再并联直流电容C。

环流是MMC拓扑中特有的一个问题，它是由各相上、下桥臂电压之和彼此不一致引起的，且此环流为二倍频负序性质，它在MMC三相桥臂间流动，对外部交流系统不产生任何影响。

每相间的环流实际是叠加在该相的直流电流上，共同流经同一相的上、下两个桥臂，它们共同构成了各相内部电流i_cirj。根据以上分析，i_cirj应由正常运行的直流电流分量i_{cirj_DC}和二倍频负序交流分量i_{cirj_AC}这两部分组成，由于直流侧电流I_dc在三相间均匀分配，因此其中的i_{cirj_DC}大小应为I_dc/3，而i_{cirj_AC}则对应MMC的内部环流。依据文献论证，可以得出a，b，c三相的i_cirj表达式为：

式中，I_2f为二倍频环流峰值；ω₀为基波角频率；为初相角。

环流能够增大电流应力、引入附加损耗，增大子模块电容电压波动，甚至导致暂态不稳定，因此必须加以控制。PR控制器是常见的用于抑制MMC阀组环流的控制器，其可以达到零稳态误差，提高有选择抵抗电网电压的干扰能力。但是在实际系统应用中，PR控制器的实现主要存在以下两个问题：

1)由于模拟系统元器件参数精度和数字系统精度的限制，理想PR控制器不易实现。

2)理想PR控制器在非基频处增益非常小，当电网频率产生偏移时，就无法有效抑制电网产生的谐波。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种在实际工程中容易实现的、控制精确度高的MMC阀组环流抑制方法。

本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：

一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，包括以下步骤：

通过以下两个方程式对MMC的数学模型进行描述：

u_{j} = \frac{u_{n j} - u_{p j}}{2} - \frac{R_{0}}{2} i_{j} - \frac{L_{0}}{2} \frac{{di}_{j}}{d t};

L_{0} \frac{{di}_{c i r j}}{d t} + R_{0} i_{c i r j} = \frac{U_{d c}}{2} - \frac{u_{p j} + u_{n j}}{2};

其中，j＝a,b,c,分别表示a、b、c三相；u_j表示j相的端口输出电压；i_j表示j相的端口输出电流；i_cirj表示j相的内部电流；p、n分别表示上桥臂和下桥臂；L₀为桥臂串联电抗器的电感值；电阻R₀用来等效整个桥臂的损耗；u_dc为直流电压；

根据MMC的数学模型以及基尔霍夫电压定律可知，j相内部电流i_cirj在一个桥臂串联电抗器上的压降u_cirj可通过以下表达式表示：

u_{c i r j} = L_{0} \frac{{di}_{c i r j}}{d t} + R_{0} i_{c i r j};

因此将内部电流i_cirj经过准PR控制器处理后，能获得内部电流在桥臂电抗器及桥臂等效电阻上的电压降参考值，即内部不平衡电压降参考值u_{cirj_ref}；

在桥臂电压u_pj和u_nj上同时减去一个大小等于u_{cirj_ref}的修正量，从而抵消两个串联电抗器之间的电压，消除上下桥臂电压和之间的不一致性，同时可间接控制换流器的内部电流i_cirj，具体步骤如下：

设

e_{j} = \frac{u_{n j} - u_{p j}}{2};

在满足MMC的数学模型的条件下，最终输出上、下桥臂电压参考信号u_{pj_ref}和u_{nj_ref}分别为：

u_{p j_r e f} = \frac{U_{d c}}{2} - e_{j} - u_{c i r j};

u_{n j_r e f} = \frac{U_{d c}}{2} + e_{j} - u_{c i r j};

然后通过调制生成相应的触发脉冲，进而控制各个子模块的开通和中断。

进一步，所述准PR控制器的传递函数为：

G (s) = K_{P} + \frac{K_{r} ω_{c} s}{s^{2} + 2 ω_{c} s + ω_{0}^{2}};

式中，Kp为比例项系数，Kr为谐振项系数，ω₀为谐振频率；ω_c为准积分项的截止频率，且ω_c<<ω₀；S为拉普拉斯算子。

进一步，所述内部电流i_cirj通过以下方法获得：

将桥臂电流i_pj、i_nj分别表示为：

i_{p j} = i_{c i r j} + \frac{i_{j}}{2};

i_{n j} = i_{c i r j} - \frac{i_{j}}{2};

从而获得j相的内部电流i_cirj的表达式：

i_{c i r j} = \frac{1}{2} (i_{p j} + i_{n j}) .

进一步，所述通过调制生成相应的触发脉冲是采用多电平载波移相调制算法完成的。

本发明的有益效果是：本发明采用的一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，通过控制三相六臂各自的输出电压u_pj和u_nj来实现。为消除各相上、下桥臂电压和的不一致性，在桥臂电压u_pj和u_nj上同时减去一个大小等于u_cirj的修正量，就可以抵消两个串联电抗器两端之间的电压，同时可间接控制换流器的内部电流i_cirj。由于这种修正是同时加载同相上下两个桥臂上，因此它不会影响MMC的外部特性，即MMC输出的电流电压和电流不会改变。此外，本发明采用的准PR控制器，与传统的PR控制器相比，在工程能够有效地减少MMC换流器阀组的二次环流，并且系统参数影响很小，适应性强。

附图说明

图1是MMC换流器的拓扑结构示意图；

图2是MMC换流器中子单元的结构示意图；

图3是MMC换流器的等效电路图；

图4是本发明的准PR控制器的控制方法示意图；

图5是本发明的i_pa、i_na、i_cira及u_{cira_ref}的仿真波形图。

具体实施方式

参照图3、图4，本发明的一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，包括以下步骤：

通过以下两个方程式对MMC的数学模型进行描述：

u_{j} = \frac{u_{n j} - u_{p j}}{2} - \frac{R_{0}}{2} i_{j} - \frac{L_{0}}{2} \frac{{di}_{j}}{d t};

L_{0} \frac{{di}_{c i r j}}{d t} + R_{0} i_{c i r j} = \frac{U_{d c}}{2} - \frac{u_{p j} + u_{n j}}{2};

将桥臂电流i_pj、i_nj分别表示为：

i_{p j} = i_{c i r j} + \frac{i_{j}}{2};

i_{n j} = i_{c i r j} - \frac{i_{j}}{2};

从而获得j相的内部电流i_cirj的表达式：

i_{c i r j} = \frac{1}{2} (i_{p j} + i_{n j});

根据MMC的数学模型以及基尔霍夫电压定律(KVL)可知，j相内部电流i_cirj在一个桥臂串联电抗器上的压降u_cirj可通过以下表达式表示：

u_{c i r j} = L_{0} \frac{{di}_{c i r j}}{d t} + R_{0} i_{c i r j};

所述准PR控制器的传递函数为：

G (s) = K_{P} + \frac{K_{r} ω_{c} s}{s^{2} + 2 ω_{c} s + ω_{0}^{2}};

式中，Kp为比例项系数，Kr为谐振项系数，ω₀为谐振频率；ω_c为准积分项的截止频率，且ω_c<<ω₀；S为拉普拉斯算子；

设

e_{j} = \frac{u_{n j} - u_{p j}}{2};

u_{p j_r e f} = \frac{U_{d c}}{2} - e_{j} - u_{c i r j};

u_{n j_r e f} = \frac{U_{d c}}{2} + e_{j} - u_{c i r j};

然后通过多电平载波移相调制算法生成相应的触发脉冲，进而控制各个子模块的开通和中断。

上述方法中，e_j可用于表示j相的虚拟电动势，通过控制虚拟电动势e_j可以间接地对MMC交流侧的电压和电流进行控制，从而将两电平电压源换流器已有的外环功率控制器和内环电流控制器或相应的非线性控制器移植到MMC拓扑中，因此，上式实际上代表的是MMC外部特征的特征方程。由于本发明的修正是同时加在同相上、下两个桥臂上，因此根据e_j的表达式，它不会影响j相的虚拟电动势e_j，从而不会影响MMC的外部特性，即MMC输出的交流电压u_j和电流i_j不会改变。

本发明为抑制MMC内部的三相环流，在MMC内部环流数学模型的基础上，采用准PR控制器直接控制换流器内部的三相两倍频环流，并设计了相应的环流抑制控制器，理论上可以完全消除桥臂电流中的环流分量，大大减小了桥臂电流的畸变程度，使其更逼近正弦波。

通过本发明的方法对MMC的内部环流进行抑制，经PSIM软件仿真，i_pa、i_na、i_cira及u_{cira_ref}的仿真波形如图5所示，说明准PR控制器满足MMC环流抑制要求。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过以下两个方程式对MMC的数学模型进行描述：

u_{j} = \frac{u_{n j} - u_{p j}}{2} - \frac{R_{0}}{2} i_{j} - \frac{L_{0}}{2} \frac{{di}_{j}}{d t};

L_{0} \frac{{di}_{c i r j}}{d t} + R_{0} i_{c i r j} = \frac{U_{d c}}{2} - \frac{u_{p j} + u_{n j}}{2};

u_{c i r j} = L_{0} \frac{{di}_{c i r j}}{d t} + R_{0} i_{c i r j};

在桥臂电压u_pj和u_nj上同时减去一个大小等于u_{cirj_ref}的修正量，从而抵消两个串联电抗器之间的电压，消除上下桥臂电压和之间的不一致性，同时可间接控制换流器的内部电流i_cirj，具体步骤如下：设

e_{j} = \frac{u_{n j} - u_{p j}}{2},

u_{p j_r e f} = \frac{U_{d c}}{2} - e_{j} - u_{c i r j};

u_{n j_r e f} = \frac{U_{d c}}{2} + e_{j} - u_{c i r j};

2.根据权利要求1所述的一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，其特征在于，所述准PR控制器的传递函数为：

G (s) = K_{P} + \frac{K_{r} ω_{c} s}{s^{2} + 2 ω_{c} s + ω_{0}^{2}};

3.根据权利要求1所述的一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，其特征在于，所述内部电流i_cirj通过以下方法获得：

将桥臂电流i_pj、i_nj分别表示为：

i_{p j} = i_{c i r j} + \frac{i_{j}}{2};

i_{n j} = i_{c i r j} - \frac{i_{j}}{2};

从而获得j相的内部电流i_cirj的表达式：

i_{c i r j} = \frac{1}{2} (i_{p j} + i_{n j}) .

4.根据权利要求1所述的一种基于准PR控制的MMC阀组环流抑制方法，其特征在于，所述通过调制生成相应的触发脉冲是采用多电平载波移相调制算法完成的。