CN107425745B - 一种基于观测器和mmc的upfc控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统及其控制方法，其中控制系统包括交流侧功率控制模块、三个直流侧控制模块、三个参考电压生成模块、桥臂环流计算模块、信号调制模块以及MMC子模块驱动单元；直流侧控制模块由V_S观测器模块、环流指令生成模块和环流控制模块组成；控制方法具体执行各个系统模块的相应功能。本发明的控制系统及方法免去了传统方法对底层子模块单元进行数据采集，根据输出电压/电流参数和桥臂环流值即可快速实现对桥臂电压的精确估算，从而消除直流侧控制与底层子模块单元之间的数据交换，将大大提高系统的实时控制频率。

Description

一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种UPFC控制系统及其控制方法，尤其是一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统的控制方法。

背景技术

UPFC的控制系统分为两部分即并联部分和串联部分，其中并联部分的控制目标是使UPFC产生直流电压并且保持它的稳定，而串联部分是实现直流到交流的变换，其控制目标是使UPFC产生所需要的补偿电压矢量。

自德国学者于2002年提出模块化多电平变换器(Modular MultilevelConverter,MMC)拓扑结构以来，该变换器以其谐波含量少、开关频率低、易于模块化设计等特点受到学业界和工业界的广泛关注。但MMC也有一定缺陷，大量储能电容随子模块的投切不断进行充放电，由此造成了三相桥臂电压与直流侧不匹配。这将在环流中引入大量低频谐波，增加系统损耗，减少开关器件寿命，降低系统性能及稳定性。

维持子模块电压稳定在于对MMC直流侧进行很好的控制，对应地，可以分为两个部分：桥臂平衡和子模块平衡控制。桥臂平衡控制的目的是维持整相桥臂子模块电压之和稳定于其参考值，同时使上下桥臂电压相等。子模块平衡控制的目的是维持桥臂内部所有子模块电压均相等，即桥臂电压为其内部所有子模块共享。此处以独立调制的CPS-PWM方法为例，为每一个子模块单元分配一个均压控制器，以保证其子模块电压是平衡的。注意到，桥臂平衡控制需要采集所有子模块单元的电压，并将其反馈至控制器，这将使数据采集系统变得复杂，且给系统实时控制引入大量采样值传输延时，尤其当子模块数量众多时，该延时的影响将大大降低系统的实时控制频率，甚至影响子模块的电压平衡。不仅如此，当MMC被扩展至更高电平/功率等级时，为了满足信号数量要求，信号传输系统及控制系统往往需要进行重新设计，这无疑增加了基于MMC的UPFC系统二次设计成本。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统来解决传统的子模块平衡控制以及桥臂平衡控制中存在的问题。

为了实现上述发明目的，本发明提供了一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统，包括交流侧功率控制模块、三个直流侧控制模块、三个参考电压生成模块、桥臂环流计算模块、信号调制模块以及MMC子模块驱动单元；直流侧控制模块由V_S观测器模块、环流指令生成模块和环流控制模块组成；

交流侧功率控制模块，用于采集输出侧的各个相电压v_a、v_b、v_c以及相电流i_a、i_b、i_c，并结合有功功率参考P^*和无功功率参考Q^*计算出有功功率P、无功功率Q以及控制信号e_a、e_b和e_c；

桥臂环流计算模块，用于采集k相单元中的上桥臂电流i_pk和下桥臂电流i_nk；并在第二加法器中相加再除以2得到相环流值i_diff；

V_S观测器模块，用于将无功功率Q以及相环流值i_diff进行分析计算，输出相应的控制量为：

再将V_S ^*与

乘以

在第一比较器进行比较输出，输出相应的量为：

式中，V_dc为直流母线电压，e_r为V_S的观测误差值，μ为误差增益，C_arm为桥臂电容值，ω₀为工频角速度，R₀为桥臂等效阻抗；

再将有功功率P以及相环流值i_diff进行计算，输出相应的控制量为：

将e_r与V_S送入到第一加法器，进行计算输出相应的控制量

为：

环流指令生成模块，用于根据

和桥臂电压参考值V_S ^ref计算出各相环流参考值i^* _diff；

环流控制模块，用于根据各相的环流值i_diff以及各相的环流参考值i^* _diff计算出各相的桥臂环流电压值v_diff；

参考电压生成模块，用于根据各相桥臂环流电压值v_diff以及各相的控制信号e_a、e_b和e_c计算各相的上下桥臂的参考电压值；

信号调制模块，用于根据各相的上下桥臂的参考电压值调制生成各相的驱动信号；

MMC子模块驱动单元，用于根据各相的驱动信号驱动MMC子模块基本单元中各个电力电子开关的开通与关断，实现对MMC变换器子模块基本单元进行控制。

本发明还提供了一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤1，由交流侧功率控制模块采集输出侧的各个相电压v_a、v_b、v_c以及相电流i_a、i_b、i_c，并结合有功功率参考P^*和无功功率参考Q^*计算出有功功率P、无功功率Q以及控制信号e_a、e_b和e_c；

步骤2，由桥臂环流计算模块采集k相单元中的上桥臂电流i_pk和下桥臂电流i_nk；并在第二加法器中相加再除以2得到相环流值i_diff；

步骤3，由V_S观测器模块将无功功率Q以及相环流值i_diff进行分析计算，输出相应的控制量V_S ^*为：

再将V_S ^*与

乘以

在第一比较器进行比较输出，输出相应的量为：

式中，V_dc为直流母线电压，e_r为V_S的观测误差值，μ为误差增益，C_arm为桥臂电容值，ω₀为工频角速度，R₀为桥臂等效阻抗；

再将有功功率P以及相环流值i_diff进行计算，输出相应的控制量为：

将e_r与V_S送入到第一加法器，进行计算输出相应的控制量

为：

步骤4，由环流指令生成模块根据

和桥臂电压参考值V_S ^ref计算出各相环流参考值i^* _diff；

步骤5，由环流控制模块根据各相的环流值i_diff以及各相的环流参考值i^* _diff计算出各相的桥臂环流电压值v_diff；

步骤6，由参考电压生成模块根据各相桥臂环流电压值v_diff以及各相的控制信号e_a、e_b和e_c计算各相的上下桥臂的参考电压值；

步骤7，由信号调制模块根据各相的上下桥臂的参考电压值调制生成各相的驱动信号；

步骤8，由MMC子模块驱动单元根据各相的驱动信号驱动MMC子模块基本单元中各个电力电子开关的开通与关断，实现对MMC变换器子模块基本单元进行控制。

本发明的有益效果在于：本发明是基于MMC直流侧状态方程，并通过环流值的反馈，构建了桥臂电压的观测模型，完成对桥臂电压的实时估算，环流值的反馈增强了系统对参数误差的适应性，无论变换器初值处于何种状态，观测器均能快速实现对桥臂电压的精确跟踪，免去对底层子模块单元进行数据采集，仅需根据输出电压/电流参数和桥臂环流值即可快速实现对桥臂电压的精确估算，从而消除直流侧控制与底层子模块单元之间的数据交换，将大大提高系统的实时控制频率。

附图说明

图1为本发明的MMC拓扑结构示意图；

图2为本发明的UPFC控制系统结构示意图；

图3为本发明的桥臂环流计算模型示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明所涉及的MMC的拓扑结构图，图中，i_diffk为各相桥臂的环流值i_diff，i_kp为上桥臂电流，i_kn为下桥臂电流，k为a、b或c，表示相号。所有电流、电压与功率参数均采用标么值：控制器的有功功率参考P^*与无功功率参考Q^*，由操作员运行状况设定；控制器的桥臂电压V_S的参考V_S ^ref值，由操作员运行状况设定；控制器的桥臂等效感抗L₀与R₀等效阻抗，由操作员运行状况设定。

如图2所示，本发明的基于观测器和MMC的UPFC控制系统包括：交流侧功率控制模块、三个直流侧控制模块、三个参考电压生成模块、桥臂环流计算模块、信号调制模块以及MMC子模块驱动单元；其中，直流侧控制模块由V_S观测器模块、环流指令生成模块和环流控制模块组成；

交流侧功率控制模块，用于采集输出侧的各个相电压v_a、v_b、v_c以及相电流i_a、i_b、i_c，并结合有功功率参考P^*和无功功率参考Q^*计算出有功功率P、无功功率Q以及控制信号e_a、e_b和e_c；

桥臂环流计算模块，用于采集k相单元中的上桥臂电流i_pk和下桥臂电流i_nk；并在第二加法器中相加再除以2得到相环流值i_diff；

V_S观测器模块，用于将无功功率Q以及相环流值i_diff进行分析计算，输出相应的控制量V_S ^*为：

再将V_S ^*与

乘以

在第一比较器进行比较输出，输出相应的量为：

式中，V_dc为直流母线电压，e_r为V_S的观测误差值，μ为误差增益，C_arm为桥臂电容值，ω₀为工频角速度，R₀为桥臂等效电阻；

再将有功功率P以及相环流值i_diff进行计算，输出相应的控制量为：

将e_r与V_S送入到第一加法器，进行计算输出相应的控制量为：

环流指令生成模块，用于根据

和桥臂电压参考值V_S ^ref计算出各相环流参考值i^* _diff，该计算方法为本邻域的现有技术；

环流控制模块，用于根据各相的环流值i_diff以及各相的环流参考值i^* _diff计算出各相的桥臂环流电压值v_diff，该计算方法为本邻域的现有技术；

参考电压生成模块，用于根据各相桥臂环流电压值v_diff以及各相的控制信号e_a、e_b和e_c计算各相的上下桥臂的参考电压值，该计算方法为本邻域的现有技术；

信号调制模块，用于根据各相的上下桥臂的参考电压值调制生成各相的驱动信号，该计算方法为本邻域的现有技术；

MMC子模块驱动单元，用于根据各相的驱动信号驱动MMC子模块基本单元中各个电力电子开关的开通与关断，实现对MMC变换器子模块基本单元进行控制。

本发明的基于观测器和MMC的UPFC控制系统的控制方法包括如下步骤：

步骤1，由交流侧功率控制模块采集输出侧的各个相电压v_a、v_b、v_c以及相电流i_a、i_b、i_c，并结合有功功率参考P^*和无功功率参考Q^*计算出有功功率P、无功功率Q以及控制信号e_a、e_b和e_c；

步骤2，由桥臂环流计算模块采集k相单元中的上桥臂电流i_pk和下桥臂电流i_nk；并在第二加法器中相加再除以2得到相环流值i_diff；

步骤3，由V_S观测器模块将无功功率Q以及相环流值i_diff进行分析计算，输出相应的控制量V_S ^*为：

再将V_S ^*与

乘以

在第一比较器进行比较输出，输出相应的量为：

式中，V_dc为直流母线电压，e_r为V_S的观测误差值，μ为误差增益，C_arm为桥臂电容值，ω₀为工频角速度，R₀为桥臂等效阻抗；

再将有功功率P以及相环流值i_diff进行计算，输出相应的控制量为：

将e_r与V_S送入到第一加法器，进行计算输出相应的控制量为：

步骤4，由环流指令生成模块根据

和桥臂电压参考值V_S ^ref计算出各相环流参考值i^* _diff，该计算方法为本邻域的现有技术；

步骤5，由环流控制模块根据各相的环流值i_diff以及各相的环流参考值i^* _diff计算出各相的桥臂环流电压值v_diff，该计算方法为本邻域的现有技术；

步骤6，由参考电压生成模块根据各相桥臂环流电压值v_diff以及各相的控制信号e_a、e_b和e_c计算各相的上下桥臂的参考电压值，该计算方法为本邻域的现有技术；

步骤7，由信号调制模块根据各相的上下桥臂的参考电压值调制生成各相的驱动信号，该计算方法为本邻域的现有技术；

步骤8，由MMC子模块驱动单元根据各相的驱动信号驱动MMC子模块基本单元中各个电力电子开关的开通与关断，实现对MMC变换器子模块基本单元进行控制。

本发明的控制系统通过测量桥臂环流反馈，构建了桥臂电压的观测模型，完成对桥臂电压的实时估算，免去传统方法对底层子模块单元进行数据采集，根据输出电压/电流参数和桥臂环流值即可快速实现对桥臂电压的精确估算，从而消除直流侧控制与底层子模块单元之间的数据交换，将大大提高系统的实时控制频率。

Claims (2)

1.一种基于观测器和MMC的UPFC控制系统，其特征在于：包括交流侧功率控制模块、三个直流侧控制模块、三个参考电压生成模块、桥臂环流计算模块、信号调制模块以及MMC子模块驱动单元；直流侧控制模块由V_S观测器模块、环流指令生成模块和环流控制模块组成；

交流侧功率控制模块，用于采集输出侧的各个相电压v_a、v_b、v_c以及相电流i_a、i_b、i_c，并结合有功功率参考P^*和无功功率参考Q^*计算出有功功率P、无功功率Q以及控制信号e_a、e_b和e_c；

桥臂环流计算模块，用于采集k相单元中的上桥臂电流i_pk和下桥臂电流i_nk；并在第二加法器中相加再除以2得到相环流值i_diff；

V_S观测器模块，用于将无功功率Q以及相环流值i_diff进行分析计算，输出相应的控制量V_S ^*为：

再将V_S ^*与

乘以

在第一比较器进行比较输出，输出相应的量为：

式中，V_dc为直流母线电压，e_r为V_S的观测误差值，μ为误差增益，C_arm为桥臂电容值，ω₀为工频角速度，R₀为桥臂等效阻抗；

再将有功功率P以及相环流值i_diff进行计算，输出相应的控制量为：

将e_r与V_S送入到第一加法器，进行计算输出相应的控制量为：

环流指令生成模块，用于根据

和桥臂电压参考值V_S ^ref计算出各相环流参考值i^* _diff；

环流控制模块，用于根据各相的环流值i_diff以及各相的环流参考值i^* _diff计算出各相的桥臂环流电压值v_diff；

参考电压生成模块，用于根据各相桥臂环流电压值v_diff以及各相的控制信号e_a、e_b和e_c计算各相的上下桥臂的参考电压值；

信号调制模块，用于根据各相的上下桥臂的参考电压值调制生成各相的驱动信号；

MMC子模块驱动单元，用于根据各相的驱动信号驱动MMC子模块基本单元中各个电力电子开关的开通与关断，实现对MMC变换器子模块基本单元进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于观测器和MMC的UPFC控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，由交流侧功率控制模块采集输出侧的各个相电压v_a、v_b、v_c以及相电流i_a、i_b、i_c，并结合有功功率参考P^*和无功功率参考Q^*计算出有功功率P、无功功率Q以及控制信号e_a、e_b和e_c；

步骤2，由桥臂环流计算模块采集k相单元中的上桥臂电流i_pk和下桥臂电流i_nk；并在第二加法器中相加再除以2得到相环流值i_diff；

步骤3，由V_S观测器模块将无功功率Q以及相环流值i_diff进行分析计算，输出相应的控制量V_S ^*为：

再将V_S ^*与

乘以

在第一比较器进行比较输出，输出相应的量为：

式中，V_dc为直流母线电压，e_r为V_S的观测误差值，μ为误差增益，C_arm为桥臂电容值，ω₀为工频角速度，R₀为桥臂等效阻抗；

再将有功功率P以及相环流值i_diff进行计算，输出相应的控制量为：

将e_r与V_S送入到第一加法器，进行计算输出相应的控制量

为：

步骤4，由环流指令生成模块根据

和桥臂电压参考值V_S ^ref计算出各相环流参考值i^* _diff；

步骤5，由环流控制模块根据各相的环流值i_diff以及各相的环流参考值i^* _diff计算出各相的桥臂环流电压值v_diff；

步骤6，由参考电压生成模块根据各相桥臂环流电压值v_diff以及各相的控制信号e_a、e_b和e_c计算各相的上下桥臂的参考电压值；

步骤7，由信号调制模块根据各相的上下桥臂的参考电压值调制生成各相的驱动信号；

步骤8，由MMC子模块驱动单元根据各相的驱动信号驱动MMC子模块基本单元中各个电力电子开关的开通与关断，实现对MMC变换器子模块基本单元进行控制。

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