CN109217691B - 基于状态观测器的mmc子模块电容电压均衡控制方法 - Google Patents

基于状态观测器的mmc子模块电容电压均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于状态观测器的MMC子模块电容电压均衡控制方法，包括以下步骤：S1、采样所有MMC子模块的电容电压，按照电压升序排序；S2、判定各个桥臂需要投入子模块数是否为0，如是则旁路所有MMC子模块，否则执行S3；S3、若桥臂电流观测值为非负值，投入电压最小的Nu或Nl个MMC子模块；如桥臂电流观测值为负值，投入电压最大的Nu或Nl个MMC子模块；其中，Nu或Nl分别表示每相上下桥臂需要投入的MMC子模块的个数。本发明通过采用状态观测器来估计桥臂电流，利用桥臂电流估计值来实现子模块电容电压的均衡控制，节省了桥臂电流传感器，简化了MMC的控制系统，降低了柔性直流输配电系统的成本。

Description

基于状态观测器的MMC子模块电容电压均衡控制方法
技术领域
本发明属于柔性直流输配电领域，特别涉及一种基于状态观测器的MMC(模块化多电平换流器)子模块电容电压均衡控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，电压源型换流器(voltage source converter，VSC)开始应用于高压直流(High voltage direct current，HVDC)输电领域。电压源型换流器高压直流(VSC-HVDC)输电可以对有功功率、无功功率独立控制，控制方式灵活多变。现有VSC-HVDC存在多种拓扑结构，两电平和三电平的VSC-HVDC受电平数的限制，必须使用脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)技术，器件开关频率高、损耗大；而且为了提高系统的耐压，需要多个开关器件串联分压，这也带来了开关器件动作一致性及均压等问题。
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,，MMC)是一种新型的电压变换电路，它通过将多个子模块(sub modular，SM)级联的方式，减少了每个子模块中开关器件所承受的电压应力，并且变换器具有输出谐波少、模块化程度高等特点，在电力系统中具有广泛的应用前景，特别在高压直流输电场合中具有优势。目前很多直流输电工程都采用MMC拓扑或者其衍生拓扑结构，直流侧电压等级越来越高，桥臂上的子模块数量也越来越多。
虽然MMC有众多优点，但它也有一定的缺陷。在MMC中每一个子模块都有一个储能电容，如果电容的能量不均衡，那么就会造成上下桥臂能量的不均衡，从而影响变换器的正常工作，因此需要控制各个子模块电容电压保持平衡。而桥臂上的子模块数量众多，导致储能电容的数目庞大，具有较高的控制难度，因此寻找一种合适的电容电压均衡控制方法已成为人们关注的热点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过采用状态观测器来估计桥臂电流，利用桥臂电流估计值来实现子模块电容电压的均衡控制的MMC子模块电容电压均衡控制方法，该控制方法能够节省桥臂电流传感器，简化MMC的控制系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于状态观测器的MMC子模块电容电压均衡控制方法，包括以下步骤：
S1、采样所有MMC子模块的电容电压，并按照电压升序对MMC子模块进行排序；
S2、判定各个桥臂需要投入子模块数是否为0，如是则旁路所有MMC子模块，否则进一步判定桥臂电流观测值是否为非负值；
S3、若桥臂电流观测值为非负值，投入电压最小的Nu或Nl个MMC子模块；如桥臂电流观测值为负值，投入电压最大的Nu或Nl个MMC子模块；其中，Nu或Nl分别表示每相上下桥臂需要投入的MMC子模块的个数。
进一步地，所述桥臂电流观测值计算方法为：
Figure BDA0001805850770000021
其输入包括Vdc、vs、Suk、Slk和
Figure BDA0001805850770000022
输出为
Figure BDA0001805850770000023
其中状态变量x和输出变量y分别为：
x＝[x1 x2 x3 x4]T＝[vcuk vclk iu il]T，y＝[vcuk vclk]T (2)
Suk、Slk分别代表上、下桥臂第k个子模块的调制函数，1代表投入，0代表切除；vcuk、vclk分别代表上、下桥臂第k个子模块的电容电压；L0、R0分别代表桥臂电感及其等效电阻；Ld、Rd分别代表交流电感及电阻；iu、il分别代表上、下桥臂电流；vs、is分别代表交流电压和交流电流；C代表子模块电容的容值；Nu、Nl分别代表上、下桥臂需要投入的子模块数；L代表观测器的参数矩阵；Vdc代表直流电压；
Figure BDA0001805850770000024
代表状态变量x的观测值；
Figure BDA0001805850770000025
代表输出变量y的测量值与观测值的误差；
Figure BDA0001805850770000026
分别表示桥臂电流的观测值。
本发明的有益效果是：本发明通过采用状态观测器来估计桥臂电流，利用桥臂电流估计值来实现子模块电容电压的均衡控制，节省了桥臂电流传感器，简化了MMC的控制系统，降低了柔性直流输配电系统的成本，提高了系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的MMC子模块电容电压均衡控制方法流程图；
图2为单相MMC的拓扑结构图；
图3为基于本发明的控制方法构建的电压均衡系统；
图4为MMC上桥臂状态观测器的实现框图。
具体实施方式
本发明旨在通过采用状态观测器来估计桥臂电流，利用桥臂电流估计值来实现子模块电容电压的均衡控制，节省了桥臂电流传感器，降低了系统的成本，提高了系统的可靠性。下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，基于状态观测器的MMC子模块电容电压均衡控制方法，包括以下步骤：
S1、采样所有MMC子模块的电容电压，并按照电压升序对MMC子模块进行排序；
S2、判定各个桥臂需要投入子模块数是否为0，如是则旁路所有MMC子模块，否则进一步判定桥臂电流观测值是否为非负值；
S3、若桥臂电流观测值为非负值，投入电压最小的Nu或Nl个MMC子模块；如桥臂电流观测值为负值，投入电压最大的Nu或Nl个MMC子模块；其中，Nu或Nl分别表示每相上下桥臂需要投入的MMC子模块的个数。
进一步地，所述桥臂电流观测值计算方法为：
Figure BDA0001805850770000031
其输入包括Vdc、vs、Suk、Slk和
Figure BDA0001805850770000032
输出为
Figure BDA0001805850770000033
其中状态变量x和输出变量y分别为：
x＝[x1 x2 x3 x4]T＝[vcuk vclk iu il]T，y＝[vcuk vclk]T (2)
Suk、Slk分别代表上、下桥臂第k个子模块的调制函数，1代表投入，0代表切除；vcuk、vclk分别代表上、下桥臂第k个子模块的电容电压；L0、R0分别代表桥臂电感及其等效电阻；Ld、Rd分别代表交流电感及电阻；iu、il分别代表上、下桥臂电流；vs、is分别代表交流电压和交流电流；C代表子模块电容的容值；Nu、Nl分别代表上、下桥臂需要投入的子模块数；L代表观测器的参数矩阵；Vdc代表直流电压；
Figure BDA0001805850770000034
代表状态变量x的观测值；
Figure BDA0001805850770000035
代表输出变量y的测量值与观测值的误差；
Figure BDA0001805850770000036
分别表示桥臂电流的观测值。
图2所示为单相MMC的拓扑结构图，包括上下两个桥臂，每个桥臂由N个相同的半桥子模块和1个桥臂电感组成。
图3所示为本发明提出的基于观测器的MMC子模块电容电压均衡控制方法的电压均衡系统。该控制系统包括两部分：状态观测器和调制模块。其中，状态观测器的数学模型如式(1)，其输入包括Vdc，vs，Suk，Slk和
Figure BDA0001805850770000041
输出为
Figure BDA0001805850770000042
其中状态变量x和输出变量y见式(2)。图1中的矩阵C和矩阵D见式(3)，分别用于分离出输出变量的观测值
Figure BDA0001805850770000043
和桥臂电流的观测值
Figure BDA0001805850770000044
最后将桥臂电流的观测值
Figure BDA0001805850770000045
和需要投入的桥臂子模块数Nu,Nl作为调制模块的输入信号，通过排序平衡策略产生各子模块的调制函数Suk,Slk。
图4为MMC上桥臂状态观测器的实现框图，具体为式(1)中的第1式、第3式和第5式。类似的，下桥臂状态观测器可根据式(1)中的第2式、第4式和第6式得到。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.基于状态观测器的MMC子模块电容电压均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采样所有MMC子模块的电容电压，并按照电压升序对MMC子模块进行排序；
S2、判定各个桥臂需要投入子模块数是否为0，如是则旁路所有MMC子模块，否则进一步判定桥臂电流观测值是否为非负值；
S3、若桥臂电流观测值为非负值，投入电压最小的Nu或Nl个MMC子模块；如桥臂电流观测值为负值，投入电压最大的Nu或Nl个MMC子模块；其中，Nu或Nl分别表示每相上下桥臂需要投入的MMC子模块的个数；
所述桥臂电流观测值计算方法为：
Figure FDA0002568466940000011
其输入包括Vdc、vs、Suk、Slk和
Figure FDA0002568466940000012
输出为
Figure FDA0002568466940000013
其中状态变量x和输出变量y分别为：
Figure FDA0002568466940000014
Suk、Slk分别代表上、下桥臂第k个子模块的调制函数，1代表投入，0代表切除；vcuk、vclk分别代表上、下桥臂第k个子模块的电容电压；L0、R0分别代表桥臂电感及其等效电阻；iu、il分别代表上、下桥臂电流；vs代表交流电压；C代表子模块电容的容值；Nu、Nl分别代表上、下桥臂需要投入的子模块数；Lcu、Lcl代表观测器的参数；Vdc代表直流电压；
Figure FDA0002568466940000015
代表状态变量x的观测值；
Figure FDA0002568466940000016
代表输出变量y的测量值与观测值的误差；
Figure FDA0002568466940000017
分别表示桥臂电流的观测值。
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