CN112421664A - 一种提高mmc互联变换器电流内环鲁棒性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，包括步骤：1)采用解耦控制算法，消除dq同步旋转坐标系下d轴与q轴分量之间电流耦合项，得到MMC互联变换器电流内环控制输入表达式；2)为了实现跟踪MMC互联变换器交流侧的正弦基频信号，同时有效抑制低次倍频信号，在MMC互联变换器电流内环控制输入表达式中引入准比例谐振QPR控制器，得到其传递函数；3)将QPR控制器传递函数进行改进，加入内环电流的反馈信号，得到改进QPR控制器传递函数；4)在得到的改进QPR控制器引入MMC互联变换器电流内环系统中，实现高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的目的。本发明可以有效的抑制低次谐波干扰，进一步提高MMC互联变换器电流内环控制系统鲁棒性。

Description

一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法
技术领域
本发明涉及一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，该方法为基于内模原理的准比例谐振(Quasi Proportional Resonant,QPR)控制的MMC互联变换器电流内环控制方法，进一步的为了提高内环电流控制系统的鲁棒性，将QPR控制器改进为两个具有互不干扰输入参数的控制器，在准确追踪控制信号的基础上过滤干扰信号，达到抑制低次谐波干扰的作用。
背景技术
交直流混合微网是未来微网发展的高级形式，综合了交流微电网和直流微电网两者的优点，增强了多种不同类型微电源和各类形式的负荷接入微电网系统的灵活性，MMC作为一种交直流混合微网互联变换器，具有较低开关损耗和谐波输出优点。
MMC互联变换器采样电压外环、电流内环的双闭环控制策略。运行状态下，直流母线电压额定值与实际值之差经PI环节得到内环d轴的电流参考值。内环电流控制器可以让MMC互联变换器的交流侧电流dq分量与参考值保持跟踪状态，为了实现对指令值的跟随，需要选择合适的控制器，在dq静止坐标系中电流表现为和MMC交流侧电压同频率的交流分量，导致PI控制器无法实现对交流量无静差跟随。根据内模原理，使用比例谐振(ProportionalResonance,PR)控制器，但PR控制器在非基频的增益很小，若交流侧频率发生变化，将会无法实现对指令值的跟随。
传统QPR控制技术可以有效追踪基波频率以及3次及3次以上次奇次谐波，但追踪范围过广使得对低次谐波的信号过滤不够敏感，可能导致内环电流控制达不到理想的效果。
发明内容
本发明目的在于提供一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，具体采用基于内模原理的QPR控制器在MMC互联变换器电流内环控制系统中，进一步的为了提高内环电流控制系统的鲁棒性，将QPR控制器改进为两个具有互不干扰输入参数的控制器，在准确追踪控制信号的基础上过滤干扰信号，达到抑制低次谐波干扰的作用。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，包括以下步骤：
1)采用解耦控制算法，消除dq同步旋转坐标系下d轴与q轴分量之间电流耦合项，得到MMC互联变换器电流内环控制输入表达式；
2)为了实现跟踪MMC互联变换器交流侧的正弦基频信号，同时有效抑制低次倍频信号，在步骤1)MMC互联变换器电流内环控制输入表达式中引入准比例谐振QPR控制器，得到其传递函数；
3)将步骤2)QPR控制器传递函数进行改进，加入内环电流的反馈信号，得到改进QPR控制器传递函数；
4)在步骤3)得到的改进QPR控制器引入MMC互联变换器电流内环系统中，实现高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的目的。
本发明进一步的改进在于，步骤1)的具体实现方法为：采用解耦控制算法，消除dq同步旋转坐标系下d轴与q轴分量之间电流耦合项，得到MMC互联变换器电流内环控制输入表达式：
Figure BDA0002768233740000021
其中：ud *、uq *为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电压参考值；ud、uq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电压当前值；ω为被控MMC互联变换器交流侧电压角频率；Ld、Lq分别是d、q轴的电感；L、R分别为实际电感参数和实际电感串联等效电阻参数；id、iq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电流当前值；kp作为控制系统的比例相，成比例反映系统的偏差信号；ki作为控制系统的积分相，对偏差信号进行积分运算，消除偏差；id *、iq *为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电流参考值。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：为了实现跟踪MMC互联变换器交流侧的正弦基频信号，同时有效抑制低次倍频信号，在步骤1)MMC互联变换器电流内环控制输入表达式中引入准比例谐振QPR控制器，得到其传递函数：
Figure BDA0002768233740000031
其中：ωc为截止频率；ω0交流侧电压额定角频率；s为拉普拉斯算子；Kr为谐振环节增益；
Figure BDA0002768233740000032
为谐振环节，实现对控制器50Hz基频信号的无误差跟踪。
本发明进一步的改进在于，当i≥3，谐振环节可对3次及3次以上谐波信号进行抑制。
本发明进一步的改进在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)QPR控制器传递函数进行改进，加入内环电流的反馈信号，得到改进QPR控制器传递函数：
Figure BDA0002768233740000033
其中：kp2是Gc(s)控制器的比例控制；
Figure BDA0002768233740000034
为改进QPR控制器谐振项。
本发明进一步的改进在于，当i≥3，
Figure BDA0002768233740000035
对3次及3次以上奇次谐波信号进行抑制，此时内环电流的反馈信号Gc(s)与参考输入信号对应于两个QPR控制，既控制50Hz基频信号的跟踪，又抑制低次谐波。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明在MMC互联变换器电流内环中引入解耦控制算法，用于消除d轴与q轴电流的耦合项；
2.本发明采用QPR控制器在MMC互联变换器电流内环控制中，针对传统QPR控制追踪范围过广，对低次谐波的信号过滤不够敏感问题，提出一种改进QPR控制器，可以有效的抑制低次谐波干扰，进一步提高MMC互联变换器电流内环控制系统鲁棒性。
附图说明
图1为MMC互联变换器电流内环解耦QPR控制原理图；
图2为MMC互联变换器电流内环解耦改进QPR控制原理图；
图3为改进QPR控制闭环传递函数bode图；
图4为采用MMC互联变换器的交直流混合微网Matlab仿真模型图；
图5为改进QPR控制器和传统QPR控制器桥臂电压对比图；
图6为改进QPR控制器和传统QPR控制器电流、电压对比图；
图7为MMC互联变换器电流内环控制电流频谱仿真波形图。
具体实施方式
下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
如图1所示，MMC互联变换器运行状态下，直流侧母线电压额定值与实际值之差经PI环节得到内环d轴的电流参考值。内环电流控制器可以让MMC互联变换器的交流侧电流dq分量与参考值保持跟踪状态，但d轴电流与q轴电流存在耦合项分量ωLiq与ωLid，不能直接对d轴和q轴的变量进行独立控制。因此，不仅需要PI控制器从而实现追踪，还需要有对应的解耦环节，用于消除d轴与q轴电流的耦合项。
本发明采用解耦控制算法，从而达到消除d轴与q轴分量之间电流耦合项的效果，其输入量为：
Figure BDA0002768233740000051
式(1)中：ud *、uq *为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电压参考值；ud、uq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电压当前值；ω为被控MMC互联变换器交流侧电压角频率；Ld、Lq分别是d、q轴的电感；L、R分别为实际电感参数和实际电感串联等效电阻参数；id、iq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电流当前值；kp作为控制系统的比例相，可以成比例反映系统的偏差信号；ki作为控制系统的积分相，可以对偏差信号进行积分运算，消除偏差；id *、iq *为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电流参考值。
为了实现跟踪MMC互联变换器交流侧的正弦基频信号，同时有效抑制低次倍频信号，一般采用QPR控制，其传递函数为：
Figure BDA0002768233740000052
式(2)中：ωc为截止频率；ω0交流侧电压额定角频率；s为拉普拉斯算子；Kr为谐振环节增益；
Figure BDA0002768233740000053
为谐振环节，可以实现对控制器50Hz基频信号的无误差跟踪。当i≥3，谐振环节可对3次及3次以上谐波信号进行抑制。
如图2所示，传统QPR控制可追踪范围过广使得对低次谐波的信号过滤不够敏感，可能导致内环电流控制达不到理想的效果。本发明提出一种将QPR控制器改进为两个具有互不干扰输入参数的控制器，即在QPR控制器的基础上，增加一个Gc(s)控制器，可以实现在控制信号追踪基础上，过滤MMC互联变换器交流侧的干扰信号，提高电流内环控制的鲁棒性。
改进后MMC互联变换器电流内环控制系统的闭环传递函数为：
Figure BDA0002768233740000061
式(3)中：kp2是Gc(s)控制器的比例控制；
Figure BDA0002768233740000062
为改进QPR控制器谐振项；当i≥3，
Figure BDA0002768233740000063
可以对3次及3次以上奇次谐波信号进行抑制，此时内环电流的反馈信号Gc(s)与参考输入信号对应于两个QPR控制，既可以控制50Hz基频信号的跟踪，又可以抑制低次谐波。
如图3所示，当频率＝50Hz时，本发明提出的改进QPR控制器增益为1；频率＝150、250、350Hz时，改进QPR控制器增益很低。由此可以得出：本发明所提MMC互联变换器改进QPR控制器对基波频率的追踪能力很强，对于3～7次奇次谐波的抑制能力也很强。应用改进QPR控制器在MMC互联变换器电流内环控制中对电流进行跟踪，可以有效的抑制低次谐波干扰，进一步提高电流内环控制系统鲁棒性与准确性。
如图4所示，在Matlab中搭建完整的交直流混合微网MMC互联变换器仿真模型，在互联变换器运行状态下，对传统QPR控制方法与本发明所提改进QPR控制方法进行对比。MMC互联变换器仿真参数见下表。
表1 MMC互联变换器Matlab仿真参数
Figure BDA0002768233740000064
Figure BDA0002768233740000071
如图5所示，仿真时长设置为1s，前0.5s采用改进QPR控制器，0.5s后切换至传统QPR控制器。对比MMC交流侧A相桥臂电压，采用改进QPR控制器方法时，桥臂电压承受的电压应力明显小于传统QPR控制器。
如图6所示，采用改进QPR控制器时，电流基本跟随正弦变化，未产出明显畸变，采用传统QPR控制时，电流产生较为明显畸变，增加了系统谐波，降低效率。相比传统QPR控制，本发明所提改进QPR控制器的输出电压均较为稳定，控制系统鲁棒性强。
如图7所示，MMC互联变换器电流内环QPR控制器输出电流频谱含有较多3～7次奇次谐波，THD＝7.5％，而改进QPR控制器内环输出电流频谱中3～7次奇次谐波含量下降很多，THD＝1.1％。说明改进QPR控制器可实现对低次谐波更进一步的抑制，提升MMC互联变换器电流内环控制系统输出电能质量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (6)

1.一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用解耦控制算法，消除dq同步旋转坐标系下d轴与q轴分量之间电流耦合项，得到MMC互联变换器电流内环控制输入表达式；
2)为了实现跟踪MMC互联变换器交流侧的正弦基频信号，同时有效抑制低次倍频信号，在步骤1)MMC互联变换器电流内环控制输入表达式中引入准比例谐振QPR控制器，得到其传递函数；
3)将步骤2)QPR控制器传递函数进行改进，加入内环电流的反馈信号，得到改进QPR控制器传递函数；
4)在步骤3)得到的改进QPR控制器引入MMC互联变换器电流内环系统中，实现高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的目的。
2.根据权利要求1所述的一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，其特征在于，步骤1)的具体实现方法为：采用解耦控制算法，消除dq同步旋转坐标系下d轴与q轴分量之间电流耦合项，得到MMC互联变换器电流内环控制输入表达式：
Figure FDA0002768233730000011
其中：ud *、uq *为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电压参考值；ud、uq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电压当前值；ω为被控MMC互联变换器交流侧电压角频率；Ld、Lq分别是d、q轴的电感；L、R分别为实际电感参数和实际电感串联等效电阻参数；id、iq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电流当前值；kp作为控制系统的比例相，成比例反映系统的偏差信号；ki作为控制系统的积分相，对偏差信号进行积分运算，消除偏差；id *、iq *为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下d、q轴交流侧电流参考值。
3.根据权利要求1所述的一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：为了实现跟踪MMC互联变换器交流侧的正弦基频信号，同时有效抑制低次倍频信号，在步骤1)MMC互联变换器电流内环控制输入表达式中引入准比例谐振QPR控制器，得到其传递函数：
Figure FDA0002768233730000021
其中：ωc为截止频率；ω0交流侧电压额定角频率；s为拉普拉斯算子；Kr为谐振环节增益；
Figure FDA0002768233730000022
为谐振环节，实现对控制器50Hz基频信号的无误差跟踪。
4.根据权利要求3所述的一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，其特征在于，当i≥3，谐振环节可对3次及3次以上谐波信号进行抑制。
5.根据权利要求3所述的一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)QPR控制器传递函数进行改进，加入内环电流的反馈信号，得到改进QPR控制器传递函数：
Figure FDA0002768233730000023
其中：kp2是Gc(s)控制器的比例控制；
Figure FDA0002768233730000024
为改进QPR控制器谐振项。
6.根据权利要求5所述的一种提高MMC互联变换器电流内环鲁棒性的方法，其特征在于，当i≥3，
Figure FDA0002768233730000025
对3次及3次以上奇次谐波信号进行抑制，此时内环电流的反馈信号Gc(s)与参考输入信号对应于两个QPR控制，既控制50Hz基频信号的跟踪，又抑制低次谐波。
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