CN111509772A - 一种适用于mmc半桥串联结构微电网的并网电流控制方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于MMC半桥串联结构微电网的并网电流控制方法，所述MMC‑MG并网系统包括6N个发电模块GM、MMC三相逆变环节、电网、交流负载，所述电流控制方法包括以下步骤：由MMC‑MG等效电路模型，建立系统的状态方程；根据所建立的状态方程，得到欧拉‑拉格朗日(Euler‑Lagrange,EL)模型；选取误差能量函数、设置阻尼项，依据得到的无源控制律结合经典比例积分控制器，实现MMC半桥串联结构微电网(MMC‑MG)的并网电流控制。本发明具有结构简单、动态性能好、输出电流谐波含量低、稳定性较好等优点。

Description

一种适用于MMC半桥串联结构微电网的并网电流控制方法

技术领域

本发明涉及微电网控制技术领域，尤其是涉及一种MMC半桥串联结构微电网(Modular Multilevel Converter Micro Grid，MMC-MG)的并网电流控制方法。

背景技术

近年来，随着微电网技术的快速发展，传统H桥逆变器由于器件耐压性能、控制性能不再满足发电单元的灵活控制、谐波污染小等的需求，模块化多电平变换器(ModularMultilevel Converter，MMC)在新型微电网系统结构中得到推广与应用。MMC具有多电平输出电压、子模块易扩展、开关频率低等特点，结合以上优点，将风力、光伏、微型燃汽轮机等微源通过变换器接入MMC中子模块的直流侧，构建了一种基于MMC半桥串联结构的微电网(MMC-MG)。该系统具有微源控制灵活、输出功率等级高、冗余性好、相间功率易调度等优点。目前，对MMC-MG的研究主要针对其在孤岛运行模式下系统输出特性分析、输出电压稳定控制、功率协调控制，但未涉及并网相关控制策略。微电网并网控制的关键是输出功率与电流均应能快速、实时地跟踪其参考值。输出电流应为高质量的正弦波，且与电网电压同相、同频；谐波含量要低，以减少对电网的影响。

在MMC-MG并网系统中，风、光等随机性微源受环境的影响其输出功率具有时变性，而且由于该系统的非线性特性和复杂性。若采用传统的诸如滞环控制、比例积分控制、比例谐振控制等电流控制方法，会致其控制参数确定困难、动态性能差等问题，控制效果不明显。为提高系统的静、动态特性，同时获得更好地谐波特性和稳定性，本发明将非线性无源控制理论应用于MMC-MG的并网电流控制中。无源控制是从能量的角度出发，采用阻尼注入或能量函数的方式得到无源控制律，然后设计控制器，实现期望轨迹的零误差。较其他的控制方法，具有结构简单、易于实现的优势。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题提供一种适用于MMC半桥串联结构微电网(ModularMultilevel Converter Micro Grid，MMC-MG)并网电流控制方法。

本发明通过以下技术方案实现：

一种适用于MMC半桥串联结构微电网的并网电流控制方法，所述MMC-MG并网系统中每相均以2N个发电模块(Generation Module,GM)为基本单元，采用MMC拓扑结构形式组成三相逆变环节，然后经过滤波器、静态开关等连接至外电网，所述电流控制方法包括以下步骤：

(A)根据MMC-MG并网系统的等效电路模型，建立系统的状态方程；

在三相平衡电网电压情况下，通过电压、电流定律得到系统的状态方程：

式中：i_1x(x＝a,b,c)表示三相输出电流；L_s、R_s为滤波电感和线路等效电阻；L、R为桥臂电感和等效电阻；u_xp、u_xn分别表示上、下桥臂中N个GM输出电压之和；e_sx表示三相电网电压；

(B)根据步骤A建立的状态方程，得到欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)模型；

令系统等效输出电压u_xo＝(u_xn-u_xp)/2(x＝a,b,c)；根据公式一的状态方程，通过Park变换后可得到dq旋转坐标系下的数学模型：

式中：

ω＝θ/t表示基波角频率；i_1d、i_1q表示输出电流的dq轴分量；u_sd、u_sq分别为系统等效输出电压的dq轴分量；e_sd、e_sq为电网电压的dq轴分量；

选取状态变量X＝(x₁ x₂)^T＝(i_1d i_1q)^T，将公式二改写成动态矩阵方程的形式，即可得到MMC-MG并网系统的EL模型：

式中：J₀＝[0 -ωL_o；ωL_o 0]^T，反映系统内部的互联结构；M₀＝diag([L_o L_o])为正定的对角矩阵；R₀＝[R_o 0；0 R_o]^T，反映系统内部的耗散特性；U₀＝[u_sdo-e_sd；u_sqo-e_sq]^T，表征MMC-MG系统内部与电网之间能量交换的矩阵。

(C)选取误差能量函数、设置阻尼项，依据无源控制律，结合经典比例积分控制器，得到MMC-MG的并网电流控制；

针对公式三所示的MMC-MG并网系统，设其存储能量函数为

状态变量X的期望平衡点X^*为：

公式三所示的动态矩阵方程也可以写成如下形式：

式中：X_e表示状态变量X的误差，即：

结合公式六，误差能量函数H_e的导数为

为使系统状态变量快速恢复至期望的平衡点，须误差能量函数H_e快速收敛至零；因此，需设置阻尼项使能量快速耗散。设增加的阻尼耗散项为R₁X_e，则系统内部耗散项变为

R₁X_e+R₀X_e＝R₂X_e (公式八)

由公式六与公式八即可得到下式：

欲使稳态误差X_e＝0，令

由于X^*为常值，即

则无源控制律为

因此，在公式十所示的无源控制律与比例积分控制器相结合，则可得到该系统的并网电流控制器：

式中，R_op＝R_o/2；R_d1＝R₁₁/2；R_q1＝R₁₂/2；K_p1、K_p1为比例系数；K_i1、K_i2为积分系数。

本发明具有以下技术效果：

本发明提供了适用于该并网系统的电流控制方法，实现系统运行于不同工况时其输出功率、输出电流的有效跟踪，结构简单，满足全局稳定性；系统进行单位功率因数运行；采用该电流控制方法时，其输出电流的谐波含量比经典比例积分控制时低，对电网的影响较小；该电流控制方法有效解决了使用传统控制方法时参数确定困难、动态性能差的问题；同时提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是MMC半桥串联结构微电网(MMC-MG)并网拓扑；图2是MMC-MG并网拓扑结构简化等效电路；图3设置不同阻尼值时幅频、相频特性曲线；图4是MMC-MG并网电流控制方法整体结构框图；图5是系统稳定运行后输出电压、电流及功率因数曲线；图6是输出功率参考值突变时其输出电流的变化波形图及系统频率示意图；图7是交流负载突变时微电网输出功率、传输至电网侧功率、负载消耗功率波形图；图8是交流负载突变时系统输出电流I_1x、网侧电流I_ex、负载电流I_Lx波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明所涉及电流控制方法进行详细说明。本实施例中对本发明技术方案给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

MMC半桥串联结构微电网(MMC-MG)并网拓扑结构如图1所示，每相均有2N个发电模块(Generation Module,GM)；为抑制环流，每相上、下桥臂均串联电感L；GM由风力(光伏)微源、AC/DC可控整流电路(DC/DC直流变换电路)、储能装置ES、半桥变流器(Half-bridgeConverter，HC)组成。

在正常的运行中，GM有投入和切除两种状态，GM处于投入状态(HC中，S1＝1(开通)，S2＝0(关断))时，其输出端电压u_mi＝U_ci；GM处于切除状态(HC中，S1＝0(关断)，S2＝1(开通))时，其输出端电压u_mi＝0。因此，可以用开关函数K表示GM的投切状态，则在一个工作周期内：

所述MMC-MG中每个桥臂由N个GM和一个电感L串联而成。每相投入的N个GM输出电压叠加，可获得系统多电平输出电压。将各GM等效为受控电压源，则MMC-MG简化的等效电路如图2所示，每相桥臂中N个发电模块GM的输出端串联连接，其输出电压之和为：

式中，K_xyi为x相y桥臂第i个GM的开关函数；U_ci为第i个GM中微源直流链电压。

在三相平衡电网电压情况下，由基尔霍夫电压、电流定律可得：

式中：i_1x(x＝a,b,c)表示三相输出电流；i_xp、i_xn(x＝a,b,c)分别表示上、下桥臂电流；L_s、R_s为滤波电感和线路等效电阻；L、R为桥臂电感和等效电阻；u_xp、u_xn(x＝a,b,c)分别表示上、下桥臂中N个GM输出电压之和；e_sx(x＝a,b,c)表示三相电网电压；V_PN为直流侧母线虚拟电压；

公式三中(2)、(3)式相减并结合(1)式可得到：

公式三中的(4)式与公式四有：

由公式五可得到系统的状态方程为：

令系统等效输出电压u_xo＝(u_xn-u_xp)/2(x＝a,b,c)；根据公式六的状态方程，通过Park变换后可得到dq旋转坐标系下的数学模型：

式中：

ω＝θ/t表示基波角频率；i_1d、i_1q表示输出电流的dq轴分量；u_sdo、u_sqo表示系统等效输出电压的dq轴分量；e_sd、e_sq为电网电压的dq轴分量；

选取状态变量X＝(x₁ x₂)^T＝(i_1d i_1q)^T，将公式七写成动态矩阵方程的形式，即可得到MMC-MG的EL模型：

式中：J₀＝[0 -ωL_o；ωL_o 0]^T，反映系统内部的互联结构；M₀＝diag([L_o L_o])为正定的对角矩阵；R₀＝[R_o 0；0 R_o]^T，反映系统内部的耗散特性；U₀＝[u_sdo-e_sd；u_sqo-e_sq]^T，表征MMC-MG系统内部与电网之间能量交换的矩阵。

针对公式八所示的MMC-MG并网系统，设其存储能量函数为

设状态变量X的期望平衡点X^*为：

式中：P_ref、Q_ref表示期望的有功、无功功率。公式八所示的动态矩阵方程也可以写成如下形式：

式中：X_e表示状态变量X的误差，即：

结合公式十一，误差能量函数H_e的导数为

为使系统状态变量快速恢复到期望的平衡点，须误差能量函数H_e快速收敛至零；因此，需设置阻尼项使能量快速耗散。设增加的阻尼耗散项为R₁X_e，则系统内部耗散项变为

R₁X_e+R₀X_e＝R₂X_e (公式十三)

由公式十一与公式十三即可得到下式：

欲使稳态误差X_e＝0，令

由于X^*为常值，即

则无源控制律为

对于公式十二所示的误差能量函数，与公式十三得到其变化率

故MMC-MG在并网运行模式下，其无源控制算法是全局稳定的。为了分析无源控制的性能，将公式十五与公式七可得到有功、无功电流与其参考值的关系

式中，R_od＝R₀+R₁₁；R_oq＝R₀+R₁₂；误差能量函数收敛至零的速度由所设置阻尼值R_od、R_oq的大小决定，若选择合适的R_od、R_oq，i_1d、i_1q很快稳定于其参考值i_1dref、i_1qref。设置不同阻尼值时所对应的幅频、相频特性曲线如图3所示。图中无源特性曲线从左至右，谐振峰值随阻尼值的增大而增大，快速性增强，但所对应稳定裕度γ相应减小，稳定性也随之降低。与经典比例积分控制特性曲线相比，无源控制特性曲线快速性较好，但稳定性有所较低。为了保证系统快速性的同时还要考虑其稳定性，因此，将公式十五所示的无源控制律与经典比例积分控制器相结合，则可得到适用于MMC-MG并网系统的电流控制器，即：

式中，R_op＝R_o/2；R_d1＝R₁₁/2；R_q1＝R₁₂/2；K_p1、K_p1为比例系数；K_i1、K_i2为积分系数。需要合理选择阻尼值与经典比例积分参数，才能同时兼顾系统快速性和稳定性。通过计算与多次试验，得到，K_p＝2.4，K_i＝293.8，R_d1＝R_q1＝1，为兼顾系统稳定性与输出电流的谐波含量，通过对比不同参数，选择R_op＝48。

综上所述，MMC半桥串联结构微电网(MMC-MG)的并网电流控制方法整体结构框图如图4所示。该电流控制方法结构简单，解决了使用传统控制方法时参数确定困难、动态性能差的问题，可实现期望电流轨迹的快速跟踪；在提高动态响应快速性的同时也保证了系统的稳定性；输出电流的谐波含量较低，对电网的影响小；并使系统进行单位功率因数运行。

为了验证本发明所涉及电流控制方法的正确定和有效性，设环境温度T＝25℃，光强S＝1000W/m²，平均风速为7.6m/s。当光照、风速等条件未发生变化时，微源直流链电压幅值稳定在160V，系统参数如表1所示：

表1系统仿真参数(N＝4)

图5(a)、(b)分别为系统平稳运行状态下A相并网点电压和电流、功率因数波形，从图中可以看出，输出电压幅值U_m＝311V，基波角频率为314rad/s；输出电流波形平滑，且电压与电流相位一致，系统进行单位功率因数运行，功率因数PF达0.99。

图6(a)、(b)分别为输出功率指令值发生突变时系统输出电流、系统频率f波形，由图可知，输出电流经过一个工频周期的调节后实现无静差的跟踪其参考值，动、静态性能好；系统频率f在1.5s发生短暂波动后恢复正常，且保持±2％的误差要求之内，不影响系统的稳定运行。

图7、图8分别为交流负载突变时输出功率、输出电流变化情况，通过断路器在交流母线上接有有功功率P_L＝0.3pu(基准1pu＝0.3MW)的负载，通过控制断路器，使负载在2.5s时退出系统，5s时接入系统，7s时又退出系统；由图可知，在2.5s时，负载功率P_L从0pu突增至0.3pu，传输至电网侧的功率P_e从1.0pu突降至0.7pu；反之，负载功率在5s突降、7s突增时，网侧功率P_e确随之增加、降低；但总输出功率保持不变，即P₁/P_ref＝P_e

+P_L，满足能量平衡关系。由于电压保持恒定，总输出电流I_1x在该电流控制方法下保持不变，而网侧电流I_ex和负载电流I_Lx随其功率的变化而变化。

由以上波形分析可知：本发明所涉及电流控制方法能够实现MMC-MG并网系统平稳运行，稳态运行静差较小，动态性能较好，电流谐波含量低，电能质量高，且能在输出功率参考值及负载突变情况下实现系统的快速稳定控制。结果证明了所提控制方法的正确性和有效性。

Claims (1)

1.一种适用于MMC半桥串联结构微电网的并网电流控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(A)根据MMC-MG并网系统的等效电路模型，建立系统的状态方程；

在三相平衡电网电压情况下，通过电压、电流定律得到系统的状态方程：

式中：i_1x(x＝a,b,c)表示三相输出电流；L_s、R_s为滤波电感和线路等效电阻；L、R为桥臂电感和等效电阻；u_xp、u_xn分别表示上、下桥臂中N个GM输出电压之和；e_sx表示三相电网电压；

(B)根据步骤A建立的状态方程，得到欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)模型；

令系统等效输出电压u_xo＝(u_xn-u_xp)/2；根据公式二的状态方程，通过Park变换后可得到dq旋转坐标系下的数学模型：

式中：

ω＝θ/t表示基波角频率；i_1d、i_1q表示输出电流的dq轴分量；u_sd、u_sq表示系统等效输出电压的dq轴分量；e_sd、e_sq为电网电压的dq轴分量；

选取状态变量X＝(x₁ x₂)^T＝(i_1d i_1q)^T，将公式二改写成动态矩阵方程的形式，即可得到MMC-MG并网系统的EL模型：

式中：J₀＝[0 -ωL_o；ωL_o 0]^T，反映系统内部的互联结构；M₀＝diag([L_o L_o])为正定的对角矩阵；R₀＝[R_o 0；0 R_o]^T，反映系统内部的耗散特性；U₀＝[u_sdo -e_sd；u_sqo -e_sq]^T，表征MMC-MG系统内部与电网之间能量交换的矩阵；

(C)选取误差能量函数、设置阻尼项，依据无源控制律，结合经典比例积分控制器，得到MMC-MG的并网电流控制；

针对公式三所示的MMC-MG并网系统，设其存储能量函数为

设状态变量X的期望平衡点X^*为：

公式三所示的动态矩阵方程也可以写成如下形式：

式中：X_e表示状态变量X的误差，即：

结合公式六，误差能量函数H_e的导数为

为使系统状态变量快速恢复至期望的平衡点，须误差能量函数H_e快速收敛至零；因此，需设置阻尼项使能量快速耗散；设增加的阻尼耗散项为R₁X_e，则系统内部耗散项变为

R₁X_e+R₀X_e＝R₂X_e (公式八)

由公式六与公式八即可得到下式：

欲使稳态误差X_e＝0，令

由于X^*为常值，即

则无源控制律为

因此，公式十所示的无源控制律与比例积分控制器相结合，则可得到该并网系统的电流控制器：

式中，R_op＝R_o/2；R_d1＝R₁₁/2；R_q1＝R₁₂/2；K_p1、K_p1为比例系数；K_i1、K_i2为积分系数。

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