CN112421665A - 一种mmc互联变换器交流锁相环控制方法 - Google Patents

一种mmc互联变换器交流锁相环控制方法 Download PDF

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Abstract

一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，包括：建立MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压表达式；将三相电压转为ɑβ两相静止坐标系下电压表达式；将电压表达式转化为以d轴定向旋转变换到dq同步旋转坐标系下电压表达式；将上步骤结果用单同步坐标系软件锁相环控制系统开环传递函数表示；得到闭环误差传递函数；验证同步坐标系软件锁相环控制系统性能；将ɑβ两相静止坐标系下电压表达式用二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统开环传递函数表示；得到二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数；得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数；判别闭环误差传递函数极限，验证二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统性能。

Description

一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法
技术领域
本发明涉及一种模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)互联变换器交流锁相环控制方法，基于单同步参考坐标系软件的锁相环技术和基于二阶广义积分正交信号发生器的锁相环技术，分别适用于交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压平衡状态和三相电压不平衡状态，使控制系统保持三相平衡状态下具有良好的相位追踪能力。
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互联变换器交流侧连接交流微网，如何在系统三相平衡与三相不平衡下实现快速锁相技术关系到整个系统的稳定运行。
发明内容
本发明的目的在于一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，该方法基于单同步参考坐标系软件的锁相环技术和基于二阶广义积分正交信号发生器的锁相环技术，分别适用于交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压平衡状态和三相电压不平衡状态，无论三相电压是否平衡，都可以实现是在对锁相角和系统矢量相位的准确追踪，稳态误差趋近于零。
本发明采取如下技术方案来实现的：
一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，包括以下步骤：
1)建立MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压表达式；
2)将步骤1)MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压转为ɑβ两相静止坐标系下电压表达式；
3)将步骤2)ɑβ两相静止坐标系下电压表达式转化为以d轴定向旋转变换到dq同步旋转坐标系下电压表达式；
4)将步骤3)MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式用单同步坐标系软件锁相环控制系统开环传递函数表示；
5)在步骤4)系统开环传递函数基础上，得到闭环传递函数；在闭环传递函数基础上，得出闭环误差传递函数；
6)根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤5)闭环误差传递函数极限，验证同步坐标系软件锁相环控制系统性能；
7)为了实现在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相环控制，将步骤3)中MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式用二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统开环传递函数表示；
8)在步骤7)系统开环传递函数基础上，得到二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数；
9)在步骤8)二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数基础上，得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数；
10)根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤9)闭环误差传递函数极限，验证二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统性能。
本发明进一步的改进在于，步骤1)建立MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压表达式：
Figure BDA0002768763360000031
其中：ua、ub、uc为MMC互联变换器交流侧三相电压；u为电压有效值；ω为被控MMC互联变换器交流侧电压角频率。
本发明进一步的改进在于，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压转为ɑβ两相静止坐标系下电压表达式：
Figure BDA0002768763360000032
其中：uɑ、uβ为MMC互联变换器ɑβ两相静止坐标系下交流侧电压。
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)ɑβ两相静止坐标系下电压表达式转化为以d轴定向旋转变换到dq同步旋转坐标系下电压表达式：
Figure BDA0002768763360000033
其中：ud、uq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下交流侧电压。
本发明进一步的改进在于，步骤4)的具体实现方法为：将步骤3)MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式：uq＝usin(ωt-θ)≈u(ωt-θ)，用单同步坐标系软件锁相环控制系统开环传递函数表示：
Figure BDA0002768763360000034
其中：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，用于对偏差信号进行积分运算，消除偏差；s为微分算子。
本发明进一步的改进在于，步骤5)的具体实现方法为：在步骤4)系统开环传递函数基础上，得到闭环传递函数：
Figure BDA0002768763360000041
在闭环传递函数基础上，得出闭环误差传递函数：
Figure BDA0002768763360000042
其中：
Figure BDA0002768763360000043
本发明进一步的改进在于，步骤6)的具体实现方法为：根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤5)闭环误差传递函数极限：
Figure BDA0002768763360000044
得出：在系统在三相平衡状态下，当采用基于PI控制器下的锁相环控制器实现对锁相角和系统矢量相位的准确追踪，实现稳态误差趋近于零。
本发明进一步的改进在于，步骤7)的具体实现方法为：为了实现在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相环控制，将步骤3)中MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式，用二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统开环传递函数表示：
Figure BDA0002768763360000045
本发明进一步的改进在于，步骤8)的具体实现方法为：进一步的，在步骤7)二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数基础上，得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数：
Figure BDA0002768763360000046
本发明进一步的改进在于，步骤9)的具体实现方法为：进一步的，在步骤8)二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数基础上，得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数：
Figure BDA0002768763360000051
步骤10)的具体实现方法为：根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤9)闭环误差传递函数极限；
Figure BDA0002768763360000052
验证当采用基于PI控制器下的二阶广义积分正交信号发生器的锁相环控制器，在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相角对系统矢量相位的准确追踪，稳态误差趋近于零。
与现有技术相比，本发明至少具有如下有益的技术效果：
1.本发明提出一种基于单同步参考坐标系软件的锁相环技术，可以在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压平衡状态，实现对锁相角和系统矢量相位的准确追踪，稳态误差趋近于零。
2.本发明提出一种基于于二阶广义积分正交信号发生器的锁相环技术，可以在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态，实现正、负序分量有效分离，准确跟踪相位，实现锁相角对系统矢量相位的准确追踪，稳态误差趋近于零。
附图说明
图1为交直流混合微网MMC互联变换器电路拓扑图；
图2为单同步坐标系软件锁相环技术原理图；
图3为简化的单同步坐标系软件锁相环原理图；
图4为二阶广义积分正交信号发生器的锁相环技术原理图；
图5为简化的二阶广义积分正交信号发生器的锁相环技术原理图；
图6为采用MMC互联变换器的交直流混合微网Matlab仿真模型图；
图7为发生三相对称电压跌落，三相电网电压仿真曲线；
图8为发生三相对称电压跌落，频率仿真曲线；
图9为发生三相不对称电压跌落，三相电网电压仿真曲线；
图10为发生三相不对称电压跌落，频率仿真曲线。
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互联变换器交流侧公共点处三相电压为：
Figure BDA0002768763360000061
式(1)中：ua、ub、uc为MMC互联变换器交流侧三相电压；u为电压有效值；ω为被控MMC互联变换器交流侧电压角频率。
如图2所示，设计三相平衡时采用单同步坐标系软件锁相环(Single SynchronousReference Frame–Software Phase Locked Loop,SSRF-SPLL)技术，在系统保持三相平衡状态下具有良好的相位追踪能力，将三相公共点电压由abc三相静止坐标系转为ɑβ两相静止坐标系下，可得：
Figure BDA0002768763360000071
式(2)中：uɑ、uβ为MMC互联变换器ɑβ两相静止坐标系下交流侧电压。
再将两相ɑβ下静止坐标系以d轴定向旋转变换到dq同步旋转坐标系下，可得：
Figure BDA0002768763360000072
式(3)中：ud、uq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下交流侧电压。
如图3所示，系统开环传递函数可表示为：
Figure BDA0002768763360000073
式(4)中：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；s为微分算子。
进一步可以得到闭环传递函数：
Figure BDA0002768763360000074
从而得到闭环误差传递函数，即：
Figure BDA0002768763360000075
式(5)中：
Figure BDA0002768763360000076
根据拉普拉斯变换终值定理可知：
Figure BDA0002768763360000077
根据式(7)中可以得出：系统在三相平衡状态下，当采用基于PI控制器下的锁相环控制器可以实现对锁相角和系统矢量相位的准确追踪，实现稳态误差趋近于零。
如图4所示，为了实现在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态，正、负序分量的有效分离，准确跟踪相位，基于二阶广义积分理论上所建立的正交信号发生器(Second Order Generalized Integrator-Quadrature Signal Generator,SOGI-QSG)可以构造单相系统的两两正交虚拟矢量信号。
如图5所示，参考SSRF-SPLL简化控制方法，可以简化得到SOGI-PLL系统的开环传递函数为：
Figure BDA0002768763360000081
进一步可以得到闭环传递函数
Figure BDA0002768763360000082
同时可以得到闭环误差传递函数，即：
Figure BDA0002768763360000083
根据拉普拉斯变换终值定理可知：
Figure BDA0002768763360000084
从式(11)可以得出：当采用基于PI控制器下的SOGI-PLL锁相环控制器可以在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相角对系统矢量相位的准确追踪，稳态误差趋近于零。
如图6所示，在Matlab中搭建完整的基于MMC互联变换器下的新型交直流微混合微电网模型，针对不同运行工况模式进行切换仿真，观察交直流端口变换器输出状态，验证控制策略的正确性和可靠性。MMC互联变换器仿真参数见下表。
表1MMC互联变换器Matlab仿真参数
Figure BDA0002768763360000091
如图7所示，0.55s交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧线路发生三相接地，0.75s继电保护动作切除故障，在故障期间采用本发明所提SSRF-SPLL技术可以有效跟踪电网三相电压的变化，三相交流电压仍能保持平衡。
如图8所示，0.55s交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧线路发生三相接地，0.75s继电保护动作切除故障，在故障期间采用本发明所提SSRF-SPLL技术可以有效抑制频率波动，频率可以稳定在50Hz附近，提高了交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统锁相性能。
如图9所示，0.55s交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧线路发生单相接地故障，0.75s继电保护动作切除故障，在故障期间一相电压幅值减小，两相电压基本保持不变，当故障消除后三相电压又达到平衡，采用本发明所提SOGI-PLL方法可以有效跟踪电网三相电压的变化。
如图10所示，0.55s交直流混合微电网MMC互联变换器交流侧线路发生三相接地，0.75s继电保护动作切除故障，在故障期间采用本发明所提SOGI-PLL方法可以有效抑制三相电压不平衡状态下的频率波动，频率可以稳定在50Hz附近，提高了交直流混合微电网MMC互联变换器控制系统在三相电压不平衡状态下的锁相性能。
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 (10)

1.一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压表达式；
2)将步骤1)MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压转为ɑβ两相静止坐标系下电压表达式；
3)将步骤2)ɑβ两相静止坐标系下电压表达式转化为以d轴定向旋转变换到dq同步旋转坐标系下电压表达式；
4)将步骤3)MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式用单同步坐标系软件锁相环控制系统开环传递函数表示；
5)在步骤4)系统开环传递函数基础上，得到闭环传递函数；在闭环传递函数基础上，得出闭环误差传递函数；
6)根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤5)闭环误差传递函数极限，验证同步坐标系软件锁相环控制系统性能；
7)为了实现在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相环控制，将步骤3)中MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式用二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统开环传递函数表示；
8)在步骤7)系统开环传递函数基础上，得到二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数；
9)在步骤8)二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数基础上，得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数；
10)根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤9)闭环误差传递函数极限，验证二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统性能。
2.根据权利要求1所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤1)建立MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压表达式：
Figure FDA0002768763350000021
其中：ua、ub、uc为MMC互联变换器交流侧三相电压；u为电压有效值；ω为被控MMC互联变换器交流侧电压角频率。
3.根据权利要求2所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤2)的具体实现方法为：将步骤1)MMC互联变换器交流侧公共点处三相电压转为ɑβ两相静止坐标系下电压表达式：
Figure FDA0002768763350000022
其中：uɑ、uβ为MMC互联变换器ɑβ两相静止坐标系下交流侧电压。
4.根据权利要求3所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤3)的具体实现方法为：将步骤2)ɑβ两相静止坐标系下电压表达式转化为以d轴定向旋转变换到dq同步旋转坐标系下电压表达式：
Figure FDA0002768763350000023
其中：ud、uq为MMC互联变换器dq同步旋转坐标系下交流侧电压。
5.根据权利要求4所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤4)的具体实现方法为：将步骤3)MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式：uq＝u sin(ωt-θ)≈u(ωt-θ)，用单同步坐标系软件锁相环控制系统开环传递函数表示：
Figure FDA0002768763350000024
其中：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，用于对偏差信号进行积分运算，消除偏差；s为微分算子。
6.根据权利要求5所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤5)的具体实现方法为：在步骤4)系统开环传递函数基础上，得到闭环传递函数：
Figure FDA0002768763350000031
在闭环传递函数基础上，得出闭环误差传递函数：
Figure FDA0002768763350000032
其中：
Figure FDA0002768763350000033
7.根据权利要求6所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤6)的具体实现方法为：根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤5)闭环误差传递函数极限：
Figure FDA0002768763350000034
得出：在系统在三相平衡状态下，当采用基于PI控制器下的锁相环控制器实现对锁相角和系统矢量相位的准确追踪，实现稳态误差趋近于零。
8.根据权利要求7所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤7)的具体实现方法为：为了实现在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相环控制，将步骤3)中MMC互联变换器交流侧公共点处dq同步旋转坐标系下电压表达式中的q轴电压表达式，用二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制系统开环传递函数表示：
Figure FDA0002768763350000035
9.根据权利要求8所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤8)的具体实现方法为：进一步的，在步骤7)二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数基础上，得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数：
Figure FDA0002768763350000041
10.根据权利要求1所述的一种MMC互联变换器交流锁相环控制方法，其特征在于，步骤9)的具体实现方法为：进一步的，在步骤8)二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环传递函数基础上，得出二阶广义积分正交信号发生器的锁相控制闭环误差传递函数：
Figure FDA0002768763350000042
步骤10)的具体实现方法为：根据拉普拉斯变换终值定理，判别步骤9)闭环误差传递函数极限；
Figure FDA0002768763350000043
验证当采用基于PI控制器下的二阶广义积分正交信号发生器的锁相环控制器，在交直流混合微网MMC互联变换器控制系统三相电压不平衡状态下，实现锁相角对系统矢量相位的准确追踪，稳态误差趋近于零。
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