CN112165117B - 一种基于hmmc的风机直接ac/ac并网系统变流器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法。该风力发电系统包括：直驱式永磁同步发电机和HMMC；直驱式永磁同步发电机的转子与风力机同轴连接，经由HMMC直接并入交流电网；HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成六边形结构，每个桥臂由N+2个相同的全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；直驱式永磁同步发电机的R、S、T三相和电网的U、V、W三相交替连接到HMMC的六个顶点上；并网系统变流器控制方法包括风机MPPT控制、能量平衡控制、桥臂电流跟踪控制；本发明使系统具有低频特性好、子模块电容电压波动小、无变压器并网、有效抑制机侧低压信号被网侧高压信号湮没的优势。

Description

一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法

技术领域

本发明属于电力电子变流领域，特别涉及一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法。

背景技术

在全球化石能源日益紧缺的情况下，探索一条清洁、可持续发展的新能源道路是人类的共同目标。在可再生能源的开发利用中，世界风力资源储存总量巨大，作为一种清洁能源，可循环利用，风力发电已成为最具大规模开发和商业化发展前景的利用方式之一。

传统风力发电系统中，变流器多采用交直交的拓扑结构，风能经两级变换，效率较低，并且变流器输出电压还需经变压器升压来实现并网，升压变压器的使用使得风电系统的体积和成本大幅增加，因此有必要设计一种无需变压器即可实现高效并网的风力发电系统。

一种中压大功率风电机组变流系统中，风力发电机经过两个背靠背模块化多电平变流器后直接接入中压交流电网。但由于风机的低转速特性，低频工况时存在子模块电压波动剧烈的问题。

发明内容

针对背景技术所述的缺陷和不足，本发明提出了一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法，具有低频特性好、子模块电容电压波动小、无变压器并网、有效抑制机侧低压信号被网侧高压信号湮没的优势。

本发明所提供的技术方案如下：

(1)系统风力机对风能进行捕获，拖动同轴连接的直驱式永磁同步发电机发出电能经由HMMC直接AC/AC并入交流电网；HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成六边形结构，每个桥臂由N+2个相同的全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；直驱式永磁同步发电机的R、S、T三相和电网的U、V、W三相交替连接到HMMC的六个顶点上；

(2)风机侧采用最大功率追踪控制得到机侧三相电流参考值；通过控制HMMC所有子模块电容电压的稳定得到网侧三相电流参考值；对奇偶桥臂能量平衡控制得到环流直流分量参考值和中性点电压分量；通过控制变流器六个桥臂之间能量平衡得到环流低频分量和工频分量参考值；对机侧、网侧电流参考值进行叠加得到各桥臂电流低频、工频分量参考值，通过对桥臂电流跟踪控制可以得到各桥臂机侧和网侧参考电压。对辅助子模块的电压进行检测，采用滞环的方式将辅助子模块的电压波动限定在一定范围内，根据辅助子模块电压的大小、机侧参考电压正负号和电流流向，对辅助子模块的开关信号进行控制；计算需要投入的主子模块总数并使用NLM调制得到主子模块的开关信号。

本发明的有益效果是：1)风机本身运行在低频工况下，本发明利用HMMC将低频风机与工频电网直接耦合相连，使得桥臂子模块上的电流既包含机侧低频分量，也包含网侧工频分量，加快了子模块电容的冲放电，降低了子模块电容电压纹波，使得系统具有更好的低频特性；2)机侧低电压和网侧高电压通过桥臂直接耦合，在进行HMMC调制时，低电压信号容易被高电压信号湮没，本发明在每个桥臂中增加两个辅助子模块，该辅助子模块仅用于还原机侧低电压信号，不参与网侧高电压信号的调制，可有效抑制低压侧信号被高压侧信号湮没；3)HMMC采用一级交交变换将风机发出的电能直接并入电网，电能损耗较低且无需升压变，节约系统的空间，降低了成本。

附图说明

图1为基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统结构图；

图2为基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统控制框图；

图3为桥臂1子模块电容电压波形；

图4为网侧相电流i_U波形；

图5为机侧相电流i_R波形；

图6为机侧线电压u_RS波形。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1为基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统结构图，本发明中风力发电系统由直驱式永磁同步发电机和HMMC构成；直驱式永磁同步发电机的转子与风力机同轴连接，定子有3个绕组，依次记为R、S、T三相；电网三相依次记为U、V、W；HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成一个六边形结构，HMMC的每个桥臂由N+2个全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；N+2个全桥子模块依次记为：SMx_1，SM x_2，…SMx_N，辅助子模块1，辅助子模块2，其中SMx_1，SM x_2，…SMx_N称为主子模块，桥臂电感记为Lx；下标x＝1，2，…6，表示第x个桥臂；每个子模块由4个IGBT管T1、T2、T3、T4和1个电容C构成；T1的发射极与T2的集电极相连并构成子模块的正端，T3的发射极与T4的集电极相连并构成子模块的负端；T1的集电极与T3的集电极相连并构成子模块的正极，T2的发射极与T4的发射极相连并构成子模块的负极；电容C的正极与T1的集电极相连，电容C的负极与T2的发射极相连；直驱式永磁同步发电机的R、S、T三相和电网的U、V、W三相交替连接到变流器的六个顶点上；将与R相和U相直接连接的桥臂记为桥臂1，将与U相和S相直接连接的桥臂记为桥臂2，将与S相和W相直接连接的桥臂记为桥臂3，将与W相和T相直接连接的桥臂记为桥臂4，将与T相和V相直接连接的桥臂记为桥臂5，将与V相和R相直接连接的桥臂记为桥臂6；

在本实例中，每个桥臂主子模块个数N为12，机侧线电压额定值U_m为3.3kV，网侧线电压额定值U_g为35kV，HMMC额定容量S_HMMC为5MW，子模块电容C大小为20mF，主子模块电容电压额定值U_{C_ref}为3000V，辅助子模块1电容电压额定值U_{C1_ref}为1500V，辅助子模块2电容电压额定值U_{C2_ref}为750V，桥臂电感L_x为10mH，直驱式永磁同步发电机极对数n_p为54，控制周期T为0.0002s；

图2是基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统控制框图，控制方法由风机MPPT控制、能量平衡控制、桥臂电流跟踪控制组成；

风机MPPT控制由如下步骤组成：

(1)检测当前风速v，通过查询风机的数据手册可以得到叶片半径R和风速v对应的最佳叶尖速比λ_opt，根据v、R、λ_opt计算得到电机转速参考值ω_ref：

ω_ref＝λ_opt×v/R

(2)取机侧d轴电流参考值i_{md_ref}＝0；检测电机实际转速ω，将ω_ref与ω作差，将差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出得到机侧q轴电流参考值i_{mq_ref}：

i_{mq_ref}＝(ω_ref-ω)×(K_p1+K_i1×(1/s))

其中1/s是积分因子，K_p1和K_i1是第一PI调节器的比例系数和积分系数；

(3)将i_{md_ref}、i_{mq_ref}进行dq/abc变换得到机侧三相电流参考值：i_{mr_ref}、i_{ms_ref}、i_{mt_ref}；

所述的能量平衡控制由如下步骤组成：

(1)根据下式计算HMMC子模块电容电压参考值U_{C0_ref}：

U_{C0_ref}＝(N×U_{C_ref}+U_{C1_ref}+U_{C2_ref})/(N+2)

其中U_{C_ref}为每桥臂N个主子模块的电容电压额定值，U_{C1_ref}为辅助子模块1的电容电压额定值，U_{C2_ref}为辅助子模块2的电容电压额定值；

(2)取网侧q轴电流参考值i_{gq_ref}＝0，通过电压互感器测量得到所有子模块的电容电压，计算所有子模块的电容电压平均值U_{C_av}，将U_{C0_ref}与U_{C_av}作差，将差值送入第二PI调节器，第二PI调节器输出得到网侧d轴电流参考值i_{gd_ref}：

i_{gd_ref}＝(U_{C0_ref}-U_{C_av})×(K_p2+K_i2×(1/s))

其中K_p2和K_i2是第二PI调节器的比例系数和积分系数；

(3)将i_{gd_ref}、i_{gq_ref}进行dq/abc变换得到网侧三相电流参考值：i_{gu_ref}、i_{gv_ref}、i_{gw_ref}；

(4)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算奇数桥臂和偶数桥臂上子模块的电容电压平均值U_{C1,3,5_av}、U_{C2,4,6_av}，将U_{C1,3,5_av}与U_{C2,4,6_av}作差，将差值送入第三PI调节器，第三PI调节器输出得到环流直流分量参考值i_{cir1_ref}：

i_{cir1_ref}＝(U_{C1,3,5_av}-U_{C2,4,6_av})×(K_p3+K_i3×(1/s))

其中K_p3和K_i3是第三PI调节器的比例系数和积分系数；

(5)计算得到中性点电压参考值v_{st_ref}：

v_{st_ref}＝(U_m×U_g)/(sqrt(2/3)×S_HMMC)×i_{cir1_ref}

其中sqrt()表示开平方函数，U_m、U_g分别为机侧、网侧线电压的额定值，S_HMMC为HMMC额定容量；

(6)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算6个桥臂子模块的电容电压平均值U_{Cx_av}，分别将U_{C1_av}与U_{C6_av}、U_{C3_av}与U_{C2_av}、U_{C5_av}与U_{C4_av}作差，将差值分别送入第一比例调节器，然后按下式计算得到环流低频分量参考值i_{cir2_ref}：

i_{cir2_ref}＝K_p4×[(U_{C1_av}-U_{C6_av})×sin(θ_m)+(U_{C3_av}-U_{C2_av})×sin(θ_m-2π/3)

+(U_{C5_av}-U_{C4_av})×sin(θ_m+2π/3)]

其中K_p4是第一比例调节器的比例系数，θ_m通过对机侧线电压锁相得到；

(7)分别将U_{C4_av}与U_{C3_av}、U_{C6_av}与U_{C5_av}、U_{C2_av}与U_{C1_av}作差，将差值分别送入第二比例调节器，然后按下式计算得到环流工频分量参考值i_{cir3_ref}：

i_{cir3_ref}＝K_p5×[(U_{C4_av}-U_{C3_av})×sin(θ_g)+(U_{C6_av}-U_{C5_av})×sin(θ_g-2π/3)

+(U_{C2_av}-U_{C1_av})×sin(θ_g+2π/3)]

其中K_p5是第二比例调节器的比例系数；θ_g通过对网侧线电压锁相得到；

所述的桥臂电流跟踪控制由如下步骤组成：

(1)测量得到各桥臂的电流值i_x；将i_x经带通滤波器分别提取桥臂x电流低频分量i_Lx、工频分量i_Hx；带通滤波器1中心频率为ω×n_p/2πHz，带宽为5Hz；带通滤波器2中心频率为50Hz，带宽为5Hz；

(2)通过下式计算得到各桥臂电流低频分量参考值i_{Lx_ref}、工频分量参考值i_{Hx_ref}：

i_{L1_ref}＝1/3×(i_{mr_ref}-i_{ms_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H1_ref}＝1/3×(i_{gv_ref}-i_{gu_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L2_ref}＝1/3×(i_{mr_ref}-i_{ms_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H2_ref}＝1/3×(i_{gu_ref}-i_{gw_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L3_ref}＝1/3×(i_{ms_ref}-i_{mt_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H3_ref}＝1/3×(i_{gu_ref}-i_{gw_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L4_ref}＝1/3×(i_{ms_ref}-i_{mt_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H4_ref}＝1/3×(i_{gw_ref}-i_{gv_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L5_ref}＝1/3×(i_{mt_ref}-i_{mr_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H5_ref}＝1/3×(i_{gw_ref}-i_{gv_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L6_ref}＝1/3×(i_{mt_ref}-i_{mr_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H6_ref}＝1/3×(i_{gv_ref}-i_{gu_ref})+i_{cir3_ref}

(3)将i_{Lx_ref}与i_Lx作差，将差值送入第一准PR调节器，第一准PR调节器输出得到桥臂x的机侧参考电压v_{Lx_ref}；将i_{Hx_ref}与i_Hx作差，将差值送入第二准PR调节器，第二准PR调节器输出得到桥臂x的网侧参考电压v_Hx：

v_{Lx_ref}＝(i_{Lx_ref}-i_Lx)×(K_p6+K_sc1×s/(s²+2×ω_sc1×s+(ω×n_p)²))

v_Hx＝(i_{Hx_ref}–i_Hx)×(K_p7+K_sc2×s/(s²+2×ω_sc2×s+(100π)²))

其中K_p6和K_sc1分别是第一准PR调节器的比例系数和谐振系数，K_p7和K_sc2分别是第二准PR调节器的比例系数和谐振系数；ω_sc1和ω_sc2分别是第一、二准PR调节器的截止角频率；n_p为直驱式永磁同步发电机的极对数，通过查询直驱式永磁同步发电机铭牌参数获得；

(4)桥臂x电流的剩余分量为：

i_Sx＝i_x-i_Lx-i_Hx；

将i_{cir1_ref}与i_Sx作差，将差值送入第四PI调节器，第四PI调节器输出得到桥臂x的微调参考分量v_{Sx_ref}：

v_{Sx_ref}＝(i_{cir1_ref}–i_Sx)×(K_p8+K_i4×(1/s))

其中K_p8和K_i4是第四PI调节器的比例系数和积分系数；

(5)将步骤3得到的v_{Lx_ref}代入下式计算得到N_x1：

N_x1＝fix(v_{Lx_ref}/U_{C_ref})

其中fix()为向零取整函数；

(6)将N_x1代入下式计算得到v_{Lx_ref}/U_{C_ref}的小数部分m_x：

m_x＝v_{Lx_ref}/U_{C_ref}-N_x1

(7)由测量得到桥臂x辅助子模块1的电容电压值U_ax1，将U_ax1和U_{C1_ref}分别接入第一滞环比较器的正向、反向输入端，第一滞环比较器的环宽为δ₁；当U_ax1-U_{C1_ref}>δ₁，第一滞环比较器输出为1；当U_ax1-U_{C1_ref}<-δ₁，第一滞环比较器输出为-1；辅助子模块2控制方法相同，第二滞环比较器的环宽为δ₂；

(8)当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且0<m_x<1/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；N_x2表示额外需要投入主子模块的个数；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1和2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且7/8<m_x<1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

(9)当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且0<m_x<1/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1和2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且7/8<m_x<1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

(10)当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-1/8<m_x<0时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-1<m_x<-7/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

(11)当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-1/8<m_x<0时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-1<m_x<-7/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

(12)将v_Hx、v_{Sx_ref}、v_{st_ref}带入下式计算得到N_x3：

N_x3＝round(v_Hx+v_{Sx_ref}+(-1)^x×v_{st_ref})/U_{C_ref})

其中round()为四舍五入取整函数；

(13)计算需要投入的主子模块总数N_x＝N_x1+N_x2+N_x3，采用NLM调制策略选择桥臂x上的N_x个主子模块投入，即当N_x≥0时，控制这些主子模块的T₁和T₄导通，T₂和T₃关断，当N_x<0时，控制这些主子模块的T₂和T₃导通，T₁和T₄关断；并切除剩下的主子模块，即控制剩下主子模块的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；

上述步骤中，K_p1＝150、K_i1＝150000；K_p2＝70000、K_i2＝500000；K_p3＝1、K_i3＝12；K_p4＝6；K_p5＝6；K_p6＝100、K_sc1＝1、ω_sc1＝5rad/s；K_p7＝100、K_sc2＝1、ω_sc2＝5rad/s；K_p8＝6、K_i4＝50；δ₁＝30；δ₂＝15。

图3为桥臂1子模块电容电压波形，桥臂1主子模块电容电压均稳定在3000V，波动幅度都小于4％；辅助子模块1的电容电压稳定在1500V，波动幅度稍大，但也在4％以内；辅助子模块2的电容电压稳定在750V，波动幅度在3％以内，满足要求；其余各桥臂子模块电压波形也能达到相似效果。

图4为网侧相电流i_U波形，其峰值为115.7A，FFT分析其谐波畸变率为3.95％，满足并网要求；其余两相电流波形也能达到相似效果。

图5为机侧相电流i_R波形，其峰值为1265A，FFT分析其谐波畸变率为0.62％，谐波含量较少；其余两相电流波形也能达到相似效果。

图6为机侧线电压u_RS波形，其峰值为4585V，FFT分析其谐波畸变率为0.45％，谐波含量较少；其余线电压波形也能达到相似效果。

Claims (2)

1.一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法，其特征在于所述的基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统由直驱式永磁同步发电机和HMMC组成；

直驱式永磁同步发电机的转子与风力机同轴连接，定子有3个绕组，依次记为R、S、T三相；

所述的HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成一个六边形结构，HMMC的每个桥臂由N+2个全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；N+2个全桥子模块依次记为：SM_{x_1}，SM_{x_2}，…SM_{x_N}，辅助子模块1，辅助子模块2，其中SM_{x_1}，SM_{x_2}，…SM_{x_N}称为主子模块，桥臂电感记为L_x；下标x＝1，2，…6，表示第x个桥臂；每个子模块由4个IGBT管T₁、T₂、T₃、T₄和1个电容C构成；T₁的发射极与T₂的集电极相连并构成子模块的正端，T₃的发射极与T₄的集电极相连并构成子模块的负端；T₁的集电极与T₃的集电极相连并构成子模块的正极，T₂的发射极与T₄的发射极相连并构成子模块的负极；电容C的正极与T₁的集电极相连，电容C的负极与T₂的发射极相连；直驱式永磁同步发电机的R、S、T三相和电网的U、V、W三相交替连接到变流器的六个顶点上；将与R相和U相直接连接的桥臂记为桥臂1，将与U相和S相直接连接的桥臂记为桥臂2，将与S相和W相直接连接的桥臂记为桥臂3，将与W相和T相直接连接的桥臂记为桥臂4，将与T相和V相直接连接的桥臂记为桥臂5，将与V相和R相直接连接的桥臂记为桥臂6；

所述的一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法由风机MPPT控制、能量平衡控制、桥臂电流跟踪控制组成；

所述的风机MPPT控制由如下步骤组成：

(1)检测当前风速v，通过查询风机的数据手册可以得到叶片半径R和风速v对应的最佳叶尖速比λ_opt，根据v、R、λ_opt计算得到电机转速参考值ω_ref：

ω_ref＝λ_opt×v/R

(2)取机侧d轴电流参考值i_{md_ref}＝0；检测电机实际转速ω，将ω_ref与ω作差，将差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出得到机侧q轴电流参考值i_{mq_ref}：

i_{mq_ref}＝(ω_ref-ω)×(K_p1+K_i1×(1/s))

其中1/s是积分因子，K_p1和K_i1是第一PI调节器的比例系数和积分系数；

(3)将i_{md_ref}、i_{mq_ref}进行dq/abc变换得到机侧三相电流参考值：i_{mr_ref}、i_{ms_ref}、i_{mt_ref}；

所述的能量平衡控制由如下步骤组成：

(1)根据下式计算HMMC子模块电容电压参考值U_{C0_ref}：

U_{C0_ref}＝(N×U_{C_ref}+U_{C1_ref}+U_{C2_ref})/(N+2)

其中U_{C_ref}为每桥臂N个主子模块的电容电压额定值，U_{C1_ref}为辅助子模块1的电容电压额定值，U_{C2_ref}为辅助子模块2的电容电压额定值；

(2)取网侧q轴电流参考值i_{gq_ref}＝0，通过电压互感器测量得到所有子模块的电容电压，计算所有子模块的电容电压平均值U_{C_av}，将U_{C0_ref}与U_{C_av}作差，将差值送入第二PI调节器，第二PI调节器输出得到网侧d轴电流参考值i_{gd_ref}：

i_{gd_ref}＝(U_{C0_ref}-U_{C_av})×(K_p2+K_i2×(1/s))

其中K_p2和K_i2是第二PI调节器的比例系数和积分系数；

(3)将i_{gd_ref}、i_{gq_ref}进行dq/abc变换得到网侧三相电流参考值：i_{gu_ref}、i_{gv_ref}、i_{gw_ref}；

(4)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算奇数桥臂和偶数桥臂上子模块的电容电压平均值U_{C1,3,5_av}、U_{C2,4,6_av}，将U_{C1,3,5_av}与U_{C2,4,6_av}作差，将差值送入第三PI调节器，第三PI调节器输出得到环流直流分量参考值i_{cir1_ref}：

i_{cir1_ref}＝(U_{C1,3,5_av}-U_{C2,4,6_av})×(K_p3+K_i3×(1/s))

其中K_p3和K_i3是第三PI调节器的比例系数和积分系数；

(5)计算得到中性点电压参考值v_{st_ref}：

v_{st_ref}＝(U_m×U_g)/(sqrt(2/3)×S_HMMC)×i_{cir1_ref}

其中sqrt()表示开平方函数，U_m、U_g分别为机侧、网侧线电压的额定值，S_HMMC为HMMC额定容量；

(6)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算6个桥臂子模块的电容电压平均值U_{Cx_av}，分别将U_{C1_av}与U_{C6_av}、U_{C3_av}与U_{C2_av}、U_{C5_av}与U_{C4_av}作差，将差值分别送入第一比例调节器，然后按下式计算得到环流低频分量参考值i_{cir2_ref}：

i_{cir2_ref}＝K_p4×[(U_{C1_av}-U_{C6_av})×sin(θ_m)+(U_{C3_av}-U_{C2_av})×sin(θ_m-2π/3)+(U_{C5_av}-U_{C4_av})×sin(θ_m+2π/3)]

其中K_p4是第一比例调节器的比例系数，θ_m通过对机侧线电压锁相得到；

(7)分别将U_{C4_av}与U_{C3_av}、U_{C6_av}与U_{C5_av}、U_{C2_av}与U_{C1_av}作差，将差值分别送入第二比例调节器，然后按下式计算得到环流工频分量参考值i_{cir3_ref}：

i_{cir3_ref}＝K_p5×[(U_{C4_av}-U_{C3_av})×sin(θ_g)+(U_{C6_av}-U_{C5_av})×sin(θ_g-2π/3)+(U_{C2_av}-U_{C1_av})×sin(θ_g+2π/3)]

其中K_p5是第二比例调节器的比例系数；θ_g通过对网侧线电压锁相得到；

所述的桥臂电流跟踪控制由如下步骤组成：

(1)测量得到各桥臂的电流值i_x；将i_x经带通滤波器1和带通滤波器2分别提取桥臂x电流低频分量i_Lx、工频分量i_Hx；带通滤波器1中心频率为ω×n_p/2πHz，带宽为5Hz；带通滤波器2中心频率为50Hz，带宽为5Hz；

(2)通过下式计算得到各桥臂电流低频分量参考值i_{Lx_ref}、工频分量参考值i_{Hx_ref}：

i_{L1_ref}＝1/3×(i_{mr_ref}-i_{ms_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H1_ref}＝1/3×(i_{gv_ref}-i_{gu_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L2_ref}＝1/3×(i_{mr_ref}-i_{ms_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H2_ref}＝1/3×(i_{gu_ref}-i_{gw_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L3_ref}＝1/3×(i_{ms_ref}-i_{mt_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H3_ref}＝1/3×(i_{gu_ref}-i_{gw_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L4_ref}＝1/3×(i_{ms_ref}-i_{mt_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H4_ref}＝1/3×(i_{gw_ref}-i_{gv_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L5_ref}＝1/3×(i_{mt_ref}-i_{mr_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H5_ref}＝1/3×(i_{gw_ref}-i_{gv_ref})+i_{cir3_ref}

i_{L6_ref}＝1/3×(i_{mt_ref}-i_{mr_ref})+i_{cir2_ref}

i_{H6_ref}＝1/3×(i_{gv_ref}-i_{gu_ref})+i_{cir3_ref}

(3)将i_{Lx_ref}与i_Lx作差，将差值送入第一准PR调节器，第一准PR调节器输出得到桥臂x的机侧参考电压v_{Lx_ref}；将i_{Hx_ref}与i_Hx作差，将差值送入第二准PR调节器，第二准PR调节器输出得到桥臂x的网侧参考电压v_Hx：

v_{Lx_ref}＝(i_{Lx_ref}-i_Lx)×(K_p6+K_sc1×s/(s²+2×ω_sc1×s+(ω×n_p)²))

v_Hx＝(i_{Hx_ref}–i_Hx)×(K_p7+K_sc2×s/(s²+2×ω_sc2×s+(100π)²))

其中K_p6和K_sc1分别是第一准PR调节器的比例系数和谐振系数，K_p7和K_sc2分别是第二准PR调节器的比例系数和谐振系数；ω_sc1和ω_sc2分别是第一、二准PR调节器的截止角频率；n_p为直驱式永磁同步发电机的极对数，通过查询直驱式永磁同步发电机铭牌参数获得；

(4)桥臂x电流的剩余分量为：

i_Sx＝i_x-i_Lx-i_Hx；

将i_{cir1_ref}与i_Sx作差，将差值送入第四PI调节器，第四PI调节器输出得到桥臂x的微调参考分量v_{Sx_ref}：

v_{Sx_ref}＝(i_{cir1_ref}–i_Sx)×(K_p8+K_i4×(1/s))

其中K_p8和K_i4是第四PI调节器的比例系数和积分系数；

(5)将步骤3得到的v_{Lx_ref}代入下式计算得到N_x1：

N_x1＝fix(v_{Lx_ref}/U_{C_ref})

其中fix()为向零取整函数；

(6)将N_x1代入下式计算得到v_{Lx_ref}/U_{C_ref}的小数部分m_x：

m_x＝v_{Lx_ref}/U_{C_ref}-N_x1

(7)由测量得到桥臂x辅助子模块1的电容电压值U_ax1，将U_ax1和U_{C1_ref}分别接入第一滞环比较器的正向、反向输入端，第一滞环比较器的环宽为δ₁；当U_ax1-U_{C1_ref}>δ₁，第一滞环比较器输出为1；当U_ax1-U_{C1_ref}<-δ₁，第一滞环比较器输出为-1；辅助子模块2控制方法相同，第二滞环比较器的环宽为δ₂；

(8)当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且0<m_x<1/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；N_x2表示额外需要投入主子模块的个数；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1和2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x≥0，且7/8<m_x<1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

(9)当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且0<m_x<1/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且1/8≤m_x<3/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且3/8≤m_x≤5/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1和2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且5/8<m_x≤7/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}≥0、i_x<0，且7/8<m_x<1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝1；

(10)当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-1/8<m_x<0时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x≥0，且-1<m_x<-7/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

(11)当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-1/8<m_x<0时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-3/8<m_x≤-1/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-5/8≤m_x≤-3/8，且第一滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；辅助子模块2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；辅助子模块2的T₁、T₄导通，T₂、T₃关断；N_x2＝-1；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-7/8≤m_x<-5/8，且第二滞环比较器输出为-1时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₃导通，T₁、T₄关断；N_x2＝0；

当桥臂x的v_{Lx_ref}<0、i_x<0，且-1<m_x<-7/8时，控制辅助子模块1和2的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断；N_x2＝-1；

(12)将v_Hx、v_{Sx_ref}、v_{st_ref}带入下式计算得到N_x3：

N_x3＝round(v_Hx+v_{Sx_ref}+(-1)^x×v_{st_ref})/U_{C_ref})

其中round()为四舍五入取整函数；

(13)计算需要投入的主子模块总数N_x＝N_x1+N_x2+N_x3，采用NLM调制策略选择桥臂x上的N_x个主子模块投入，即当N_x≥0时，控制这些主子模块的T₁和T₄导通，T₂和T₃关断，当N_x<0时，控制这些主子模块的T₂和T₃导通，T₁和T₄关断；并切除剩下的主子模块，即控制剩下主子模块的T₂、T₄导通，T₁、T₃关断。

2.根据权利要求1所述的一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法，其特征在于每个桥臂主子模块个数N为12，机侧线电压额定值U_m为3.3kV，网侧线电压额定值U_g为35kV，HMMC额定容量S_HMMC为5MW，子模块电容C大小为20mF，主子模块电容电压额定值U_{C_ref}为3000V，辅助子模块1电容电压额定值U_{C1_ref}为1500V，辅助子模块2电容电压额定值U_{C2_ref}为750V，桥臂电感L_x为10mH，直驱式永磁同步发电机极对数n_p为54，控制周期T为0.0002s；K_p1＝150、K_i1＝150000；K_p2＝70000、K_i2＝500000；K_p3＝1、K_i3＝12；K_p4＝6；K_p5＝6；K_p6＝100、K_sc1＝1、ω_sc1＝5rad/s；K_p7＝100、K_sc2＝1、ω_sc2＝5rad/s；K_p8＝6、K_i4＝50；δ₁＝30；δ₂＝15。

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