CN111277155B - 抑制mmc分布式控制系统中控制冲突的方法 - Google Patents

Abstract

本发明抑制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法，包括：第一步：建立MMC分布式控制系统的简化模型；第二步：根据建立的MMC分布式控制系统简化模型确定控制冲突发生的原因；第三步：根据控制冲突产生的原因抑制控制冲突。本发明具体化了控制冲突抑制方法，满足最终得到的表达式即可抑制控制冲突和提升MMC分布式控制系统的稳定性。

Description

抑制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法

技术领域

本发明涉及中高电压应用技术领域，具体涉及一种抑制MMC分布式控制系统中控制冲突 的方法。

背景技术

目前，在中高压应用领域(例如高压直流输电、中压电机驱动)，模块化多电平变流器(MMC) 已成为最有前景的拓扑之一。MMC因具有众多优点(例如灵活性、可扩展性、高可靠性)使之 在工业上得到了广泛的应用。

MMC分布式控制系统为“一主多从式”架构，利用中央控制器(主控制器)实现电流的采 样和输出功率的控制；利用子控制器(从控制器)实现电容电压的采样、子模块电容电压和 环流的控制、以及调制出每个子模块的控制信号；中央控制器和子控制器之间的信息传输依 靠通信网络。由于存在大量的被控量，MMC分布式控制系统必须利用多个反馈控制来实现控制 目标，然而这些控制之间的相互耦合，相互作用会导致MMC分布式控制系统中控制冲突的出现， 进而使得MMC分布式控制系统出现不稳定。因此，目前亟需一种抑制MMC分布式控制系统中控 制冲突的方法，以保证MMC分布式控制系统的稳定性。

发明内容

本发明的主要目的在于提供抑制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法，以解决现有技 术中MMC分布式控制系统控制冲突的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种抑制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法，抑 制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法，包括：

第一步：建立MMC分布式控制系统的简化模型；

第二步：根据建立的MMC分布式控制系统简化模型确定控制冲突发生的原因；

第三步：根据控制冲突产生的原因抑制控制冲突。

进一步地，所述第一步，MMC分布式控制系统的模型包括控制部分和电路部分，控制部分和电路模型部分之间的联系是通过假设控制部分中形成的子模块输出电压给定

等于实 际电路中的子模块输出电压u_sm来实现，以第j个子模块为例；

在控制部分，U_dc/2N、中央控制器中输出电流控制的输出e^*/N、以及第j个子控制器中平均控制的输出

电容电压平衡控制的输出

共同构成子模块输出电压的给 定，其中U_dc为直流电压，2N为子控制器的个数；

在电路模型部分，实际的子模块输出电压u_smj有两个功能，第一个功能为：前N个子模 块输出电压(u_sm1～u_smN)求和形成上桥臂电压u_u，后N个子模块输出电压(u_smN+1～u_sm2N)求和形成下桥臂电压u_l，下桥臂电压减去上桥臂电压再乘以0.5形成实际的内部电动势e，直流侧电压U_dc减去上、下桥臂电压之和形成桥臂阻感的电压u_diff，内部电动势e经过桥臂阻感和输出阻感的传递函数1/[s(0.5L_arm+L_o)+0.5R_arm+R_o]，之后得到输出电流i_o，桥 臂阻感的电压u_diff经过桥臂阻感的传递函数1/(sL_arm+R_arm)得到环流i_diff，输出电流i_o被采 样和反馈到中央控制器中的输出电流控制，实现输出电流的闭环控制，环流被采样和反馈到 子控制器中的平均控制内环，实现环流的闭环控制，此外环流加上或减去0.5倍的输出电形成流过上、下桥臂的电流，其中L_arm为桥臂电感，L_o为输出电感，R_arm为桥臂电阻，R_o为 输出电阻i_arm；第二个功能为：实际的子模块电压u_smj与该流过桥臂的电流i_arm相乘构成第j 个子模块的功率p_smj，经过积分环节得到该子模块的能量E_smj，E_smj乘以2再除以子模块的 电容C_SM，最后再求根号得到第j个子模块的电容电压u_cj，第j个子模块的电容电压被采样 反馈到第j个子控制器中的平均控制外环和电容电压平衡控制，实现电容电压的闭环控制；

第二步，忽略电容电压平衡控制对桥臂阻感电压的影响，桥臂阻感的电压u_diff被表示为：

分布式控制结构中的平均控制实际是通过环流来控制相平均电容电压，平均控制包括依 次相连的外环电压控制、内部环流控制，平均控制中真实的环流给定

为：

由于平均控制中电流内环的响应速度远远大于电压外环的响应速度，所以平均控制调节 电容电压时，可认为环流近似等于环流的真实给定值,也即

以第j个子控制器为 例，平均控制的输出

可以表示为：

新颖分布式控制结构中的每个平均控制的输出不为0，以第j个子控制器为例，第j个 子控制器中的平均控制的输出乘以桥臂电流中的环流将会在子模块的功率中添加一个额外的 直流功率分量p_{smj_ad}，进而会对第j个子模块的电容电压u_cj造成一定的影响，添加的额外 的直流功率分量p_{smj_ad}被表示为：

当某个子模块的电容电压高于相平均电容电压时，子模块的功率中被添加的额外直流功 率分量p_{smj_ad}将大于0，使得该子模块的电容电压进一步的增大；当某个子模块的电容电压 低于相平均电容电压时，子模块的功率中被添加的额外直流功率分量p_{smj_ad}将小于0，使得 该子模块的电容电压更低，由此确定分布式控制结构中的平均控制会恶化子模块电容电压的 均衡性；

第三步，电容电压平衡控制旨在利用交流侧的有功功率将单个子模块的电容电压均衡到 相平均电容电压，电容电压平衡控制可利用的直流功率分量p_{smj_bal}，也即电容电压平衡控制 的均衡能力可以表示为：

如若保证MMC分布式控制系统的稳定运行，则电容电压平衡控制的均衡能力必须大于平 均控制的恶化能力，由此实现抑制控制冲突：

考虑到交直流侧有功功率的平衡：

0.5U_oI_ocosφ_o＝U_dci_{diff_dc}

所以：

本发明中电容电压平衡控制的作用是保证所有单个子模块的均衡性，平均控制旨在通过 环流来改变相平均电压，但却影响了单个子模块电容电压的均衡性，导致平均控制与电容电 压均衡控制产生控制冲突。如果平均控制恶化电容电压均衡性的能力超过电容电压平衡环的 均衡能力，整个MMC系统一定不能稳定运行，所以控制冲突是影响MMC分布式控制系统稳定 性的潜在隐患，必须采取方法进行抑制。在最终得到的表达式中，MMC系统的参数和工况一 定时，该表达式只与电容电压平衡控制和平均控制的控制器参数有关，可以视为控制器参数 设计方法。本发明具体化了控制冲突抑制方法，满足最终得到的表达式即可抑制控制冲突和 提升MMC分布式控制系统的稳定性。考虑到控制器参数设计的简便性和灵活性，本发明提出 的控制冲突抑制和MMC系统稳定性提升方法在控制系统设计初期通过设计控制器参数即可实 现，并且不会增加系统的复杂性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在 下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发 明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明MMC分布式控制系统简化模型的结构示意图。

上述附图中的有关标记为：

1：控制部分；

11：输出电流控制；

12：平均控制；

121：外环电压控制；

122：内部环流控制；

13：电容电压平衡控制；

2：电路模型部分。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的 情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：

本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情 况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。

此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全 部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的 前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、 “具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本发明抑制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法，包括：

第一步：建立MMC分布式控制系统的简化模型；

第二步：根据建立的MMC分布式控制系统简化模型确定控制冲突发生的原因；

第三步：根据控制冲突产生的原因抑制控制冲突。

第一步：MMC分布式控制系统的简化模型结构如附图1所示，该模型主要分为两部分： 控制部分1和电路模型部分2。控制部分1和电路模型部分2之间的联系是通过假设控制部 分中形成的子模块输出电压给定

等于实际电路中的子模块输出电压u_sm来实现。以第j个 子模块为例来介绍所建立的MMC分布式控制系统模型，在控制部分，U_dc/2N(Udc为直流 侧电压)、中央控制器中输出电流控制11的输出e^*/N、以及第j个子控制器中平均控制12的输出

平衡控制的输出

共同构成子模块输出电压的给定。

在电路模型部分2，实际的子模块输出电压u_smj由两个功能，

第一个功能：前N个子模块输出电压(u_sm1～u_smN)求和形成上桥臂电压u_u，后N个子模块输出电压(u_smN+1～u_sm2N)求和形成下桥臂电压u_l，下桥臂电压减去上桥臂电压再乘以0.5形成实际的内部电动势e，直流侧电压U_dc减去上、下桥臂电压之和形成桥臂阻感的电压u_diff，内部电动势e经过桥臂阻感和输出阻感的传函(1/[s(0.5L_arm+L_o)+0.5R_arm+R_o]， 其中L_arm为桥臂电感，L_o为输出电感，R_arm为桥臂电阻，R_o为输出电阻)得到输出电流i_o， 桥臂阻感的电压u_diff经过桥臂阻感的传函1/(sL_arm+R_arm)得到环流i_diff，输出电流i_o被采样 和反馈到中央控制器中的输出电流控制11，实现输出电流的闭环控制，环流被采样和反馈到 子控制器中的平均控制12内环，实现环流的闭环控制，此外环流加上或减去0.5倍的输出电 形成流过上、下桥臂的电流i_arm(上桥臂电流为减，下桥臂电流为加)；第二个功能：实际的 子模块电压u_smj与该流过桥臂的电流i_arm相乘构成第j个子模块的功率p_smj，经过积分环节得 到该子模块的能量E_smj，E_smj乘以2再除以子模块的电容C_SM，最后再求根号得到第j个子 模块的电容电压u_cj，第j个子模块的电容电压被采样反馈到第j个子控制器中的平均控制外 环和电容电压平衡控制13，实现电容电压的闭环控制。

第二步：根据建立的MMC分布式控制系统简化模型确定控制冲突发生的原因。

根据简化的MMC分布式控制系统模型，产生环流的桥臂阻感电压可以用如下公式表示:

桥臂阻感的电压u_diff由平均控制12和电容电压平衡控制13决定。在特殊情况下，也即 当上、下桥臂的平均电容电压不均衡时，电容电压均衡控制将会添加一个基频量到环流中， 用于平衡上、下桥臂的平均电容电压，正常情况下，环流中不会包含基频量。忽略电容电压 平衡控制13对桥臂阻感电压的影响，桥臂阻感的电压重新被表示为：

与集中式控制结构中的平均控制相同，分布式控制结构中的平均控制12实际是通过环流 来控制相平均电容电压而非单个子模块的电容电压，平均控制包括依次相连的外环电压控制 121、内部环流控制122，平均控制中真实的环流给定

为：平均控制中真实的环流给定

为：

由于平均控制12中电流内环的响应速度远远大于电压外环的响应速度，所以平均控制 12调节电容电压时，可认为环流近似等于环流的真实给定值,也即

以第j个子控 制器为例，平均控制12的输出

可以表示为：

比较与传统的集中式控制结构(平均控制的输出u_diffj近似等于0)，显而易见，新颖分布 式控制结构中的每个平均控制12的输出不为0，以第j个子控制器为例，第j个子控制器中 的平均控制12的输出乘以桥臂电流中的环流将会在子模块的功率中添加一个额外的直流功 率分量p_{smj_ad}，进而会对第j个子模块的电容电压u_cj造成一定的影响，添加的额外的直流 功率分量p_{smj_ad}可以被表示为：

举例，当某个子模块的电容电压高于相平均电容电压时，子模块的功率中被添加的额外 直流功率分量p_{smj_ad}将大于0，使得该子模块的电容电压进一步的增大；当某个子模块的电 容电压低于相平均电容电压时，子模块的功率中被添加的额外直流功率分量p_{smj_ad}将小于0， 使得该子模块的电容电压更低，所以分布式控制结构中的平均控制会恶化子模块电容电压的 均衡性。电容电压平衡控制13的作用是保证所有单个子模块的均衡性，平均控制旨在通过环 流来改变相平均电压，但却影响了单个子模块电容电压的均衡性，导致平均控制与电容电压 均衡控制产生控制冲突。如果平均控制恶化电容电压均衡性的能力超过电容电压平衡环的均 衡能力，整个MMC系统一定不能稳定运行，所以控制冲突是影响MMC分布式控制系统稳定性 的潜在隐患，必须采取方法进行抑制。

第三步：根据控制冲突产生的原因抑制控制冲突。

电容电压平衡控制旨在利用交流侧的有功功率将单个子模块的电容电压均衡到相平均电 容电压，所以在子模块的功率中，电容电压平衡控制可利用的直流功率分量p_{smj_bal}，也即电 容电压平衡控制的均衡能力可以表示为：

如若保证MMC分布式控制系统的稳定运行，则电容电压平衡控制的均衡能力必须大于平 均控制的恶化能力，这样才可抑制控制冲突，保证MMC分布式控制系统的稳定性，所以：

考虑到交直流侧有功功率的平衡：

0.5U_oI_ocosφ_o＝U_dci_{diff_dc}

所以：

在最终得到的表达式中，MMC系统的参数和工况一定时，该表达式只与电容电压平衡控 制13和平均控制12的控制器参数有关，可以视为一条控制器参数设计方法。本发明将抽象 的控制冲突问题具体化，提出了控制冲突抑制方法(等效为控制器参数设计方法)，所以满足 最终得到的表达式即可抑制控制冲突和提升MMC分布式控制系统的稳定性。考虑到控制器参 数设计的简便性和灵活性，本发明提出的控制冲突抑制和MMC系统稳定性提升方法在控制系 统设计初期通过设计控制器参数即可实现，并且不会增加系统的复杂性。

以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将 能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前 提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (1)

1.抑制MMC分布式控制系统中控制冲突的方法，其特征在于，包括：

第一步：建立MMC分布式控制系统的简化模型；

第二步：根据建立的MMC分布式控制系统简化模型确定控制冲突发生的原因；

第三步：根据控制冲突产生的原因抑制控制冲突；

所述第一步，MMC分布式控制系统的模型包括控制部分和电路部分，控制部分和电路模型部分之间的联系是通过假设控制部分中形成的子模块输出电压给定

等于实际电路中的子模块输出电压u_sm来实现，以第j个子模块为例；

在控制部分，U_dc/2N、中央控制器中输出电流控制的输出e^*/N、以及第j个子控制器中平均控制的输出

电容电压平衡控制的输出

共同构成子模块输出电压的给定，其中U_dc为直流电压，2N为子控制器的个数；

在电路模型部分，实际的子模块输出电压u_smj有两个功能，第一个功能为：前N个子模块输出电压(u_sm1～u_smN)求和形成上桥臂电压u_u，后N个子模块输出电压(u_smN+1～u_sm2N)求和形成下桥臂电压u_l，下桥臂电压减去上桥臂电压再乘以0.5形成实际的内部电动势e，直流侧电压U_dc减去上、下桥臂电压之和形成桥臂阻感的电压u_diff，内部电动势e经过桥臂阻感和输出阻感的传递函数1/[s(0.5L_arm+L_o)+0.5R_arm+R_o]，之后得到输出电流i_o，桥臂阻感的电压u_diff经过桥臂阻感的传递函数1/(sL_arm+R_arm)得到环流i_diff，输出电流i_o被采样和反馈到中央控制器中的输出电流控制，实现输出电流的闭环控制，环流被采样和反馈到子控制器中的平均控制内环，实现环流的闭环控制，此外环流加上或减去0.5倍的输出电形成流过上、下桥臂的电流，其中L_arm为桥臂电感，L_o为输出电感，R_arm为桥臂电阻，R_o为输出电阻i_arm；第二个功能为：实际的子模块电压u_smj与该流过桥臂的电流i_arm相乘构成第j个子模块的功率p_smj，经过积分环节得到该子模块的能量E_smj，E_smj乘以2再除以子模块的电容C_SM，最后再求根号得到第j个子模块的电容电压u_cj，第j个子模块的电容电压被采样反馈到第j个子控制器中的平均控制外环和电容电压平衡控制，实现电容电压的闭环控制；

第二步，忽略电容电压平衡控制对桥臂阻感电压的影响，桥臂阻感的电压u_diff被表示为：

分布式控制结构中的平均控制实际是通过环流来控制相平均电容电压，平均控制包括依次相连的外环电压控制、内部环流控制，平均控制中真实的环流给定

为：

由于平均控制中电流内环的响应速度远远大于电压外环的响应速度，所以平均控制调节电容电压时，可认为环流近似等于环流的真实给定值,也即

以第j个子控制器为例，平均控制的输出

可以表示为：

新颖分布式控制结构中的每个平均控制的输出不为0，以第j个子控制器为例，第j个子控制器中的平均控制的输出乘以桥臂电流中的环流将会在子模块的功率中添加一个额外的直流功率分量p_{smj_ad}，进而会对第j个子模块的电容电压u_cj造成一定的影响，添加的额外的直流功率分量p_{smj_ad}被表示为：

当某个子模块的电容电压高于相平均电容电压时，子模块的功率中被添加的额外直流功率分量p_{smj_ad}将大于0，使得该子模块的电容电压进一步的增大；当某个子模块的电容电压低于相平均电容电压时，子模块的功率中被添加的额外直流功率分量p_{smj_ad}将小于0，使得该子模块的电容电压更低，由此确定分布式控制结构中的平均控制会恶化子模块电容电压的均衡性；

第三步，电容电压平衡控制旨在利用交流侧的有功功率将单个子模块的电容电压均衡到相平均电容电压，电容电压平衡控制可利用的直流功率分量p_{smj_bal}，也即电容电压平衡控制的均衡能力可以表示为：

如若保证MMC分布式控制系统的稳定运行，则电容电压平衡控制的均衡能力必须大于平均控制的恶化能力，由此实现抑制控制冲突：

考虑到交直流侧有功功率的平衡：

0.5U_oI_ocosφ_o＝U_dci_{diff_dc}

所以：

Images