CN112701894A - 考虑桥臂电流的环流注入mmc模块电压波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，包括采集MMC交流输出电流；根据MMC交流输出电流的dq坐标值，计算需要注入的二次环流相角；计算桥臂电流限制的可注入二次环流幅值最大值；计算桥臂电流限制的注入二次环流幅值最优值；根据二次环流幅值最大值及二次环流幅值最优值，确定注入二次环流幅值；根据二次环流相角和二次环流幅值获取最终的三相负序注入二次环流指令；根据该指令，通过环流控制内环获得MMC的二次环流调制电压并对MMC子模块的电压进行调制。本发明考虑桥臂电流裕量及最优二次环流注入量确定注入二次环流幅值，实现在不增大桥臂电流额定值的前提下，最大限度降低MMC子模块电容电压波动最大值。

Description

考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法

技术领域

本发明涉及直流配电网技术领域，具体涉及一种考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法。

背景技术

模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)是构成直流配电网的基础设备，为了减小设备体积并降低设备成本，需要减小MMC的子模块电容参数。子模块电容电压波动是限制子模块电容参数大小的重要原因。图1为MMC拓扑结构示意图，MMC满容量运行时，模块电容电压有以下两个特点：

(1)同等功率下不同的功率因数，MMC的电容电压波动不同，其中发出纯无功时电容电压波动最大，明显大于纯有功输出时的电容电压波动。

(2)MMC发出有功功率时，由于有交直流能量交换因此会产生直流电流，并在桥臂电流中产生直流分量，通常以MMC满发有功时的桥臂电流峰值作为桥臂电流额定运行电流峰值，此时桥臂电流由直流电流及基波交流电流合成得到，因此如果进一步引入降电容电压波动的二次环流必将提高桥臂电流峰值，因此无法引入二次环流，而当MMC非满发有功功率时，由于直流电流较小，因此桥臂电流仍然留有裕量，可以进一步引入二次环流来降低电容电压波动。

根据以上MMC的运行特点，又知引入二次环流可以降低电容电压波动，因此可以通过设计合理的二次环流算法，利用非满发有功时桥臂电流的裕量在不提高桥臂电流额定峰值的前提下降低电容电压的波动，使满容量其他功率因数情况下的电容电压波动接近或小于满发有功功率时的电容电压波动值，进而可以以满发有功功率为基础进行MMC电容的设计，相对于不引入环流需要考虑所有功率状态的电容设计可以有效降低电容值。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，该方法基于MMC非纯有功输出时电容电压波动大，桥臂电流小的特点，考虑桥臂电流裕量及最优二次环流注入量确定注入二次环流幅值，实现在不增大桥臂电流额定值的前提下，最大限度降低MMC子模块电压波动最大值；同时根据MMC的有功无功输出情况实现二次环流近似最优相角的快速计算；最后通过二次环流精准闭环控制实现二次环流输出。

本发明具体采用以下技术方案：

一种考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：采集MMC交流输出电流；

步骤2：根据MMC交流输出电流的dq坐标值，计算需要注入的二次环流相角θ；

步骤3：根据步骤2的计算结果、采集的MMC交流输出电流的dq坐标值以及MMC的额定交流电流及直流电流，计算桥臂电流限制的可注入二次环流幅值最大值A_max；

步骤4：根据步骤1采集的MMC交流输出电流的dq坐标值以及MMC的额定容量计算桥臂电流限制的注入二次环流幅值最优值A_best；

步骤5：根据步骤3计算的二次环流幅值最大值A_max及步骤4计算的二次环流最优值A_best，确定注入二次环流幅值A；

步骤6：根据步骤2的计算结果注入二次环流相角θ和二次环流幅值A获取最终的三相负序注入二次环流指令即最终注入二次环流的瞬时值；

步骤7：根据步骤6的指令，通过环流控制内环获得MMC的二次环流调制电压并对MMC子模块的电压进行调制。

本发明还进一步采用以下优选技术方案：

所述步骤2包括以下步骤：

步骤201：对采集的交流输出电流进行dq变换；

步骤202：根据以下公式计算注入的二次环流相角：

其中，i_acq、i_acd分别为交流输出电流的dq坐标变换值。

在步骤3中，根据以下公式计算桥臂电流限制的二次环流幅值最大值：

其中，A_max为桥臂电流限制的二次环流幅值最大值；k为可变参量；I_acPU为MMC设备的交流额定电流值，I_dcPU为MMC设备的直流额定电流值。

优选地，k的取值范围为0～2之间。

在步骤4中，根据以下公式计算桥臂电流限制的二次环流幅值最优值：

其中，A_best为桥臂电流限制的二次环流幅值最优值，k_best为可变系数，S_PU为功率标幺基准值即MMC设备的额定容量，U_dc为MMC设备的额定直流电压。

优选地，k_best的取值范围为1～4之间。

在步骤5中，比较二次环流幅值最大值A_max和二次环流幅值最优值A_best的大小，选择两者中较小的幅值作为当前二次环流幅值A。

在步骤6中，根据二次环流相角以及当前二次环流幅值A结果通过以下公式计算三相负序二次环流值，进而获得最终的三相负序二次环流指令，即为最终注入的二次环流瞬时值：

其中，i_acirref、i_bcirref、i_ccirref分别为三相负序二次环流指令值，ω为基波角频率，t为时间。

在步骤7中，基于步骤6的指令，根据以下公式计算调制电压输出：

其中，u_jcir为j相二次环流调制电压输出，i_jcir为j相桥臂环流提取值即为采集的桥臂环流值，j＝a，b，c；k_cirdead为环流内环无差拍系数，其取值范围为0～1之内，L为桥臂电感，Ts为控制周期。

本发明具有以下技术效果：

本发明基于MMC非纯有功输出时电容电压波动大，桥臂电流小的特点，考虑桥臂电流裕量及最优二次环流注入量确定注入二次环流幅值，实现在不增大桥臂电流额定值的前提下，最大限度降低MMC子模块电容电压波动最大值。

附图说明

图1是本发明的MMC拓扑结构示意图。

图2是本发明的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明进行详细介绍。

通常情况下，假设注入MMC的二次环流为：

i_jp2＝i_jn2＝Asin(2ωt+θ) (0)

上下桥臂的二次环流相等，其中A为二次环流幅值，θ为二次环流相角，ω为交流基波角频率，t为时间。

根据MMC的数学模型结合输出及注入二次环流可以推出上下桥臂模块电压波动如式(0)～式(0)所示。其中E_jp、E_jn为上下桥臂电容能量，u_jp、u_jn为上下桥臂模块电压，U_AC为交流相电压有效值，U_DC为直流极间电压，L为桥臂电感；每个桥臂中包含N个子模块；每个子模块中的电容的容值为C；3P、3Q分别为MMC交流输出有功功率及无功功率。E₀为能量平均值，S₁、δ₁、S₂、δ₂为过程变量如式(0)～(0)所示。

由式(0)、(0)可知减小E_jp、E_jn的波动大小即可减小模块电压u_jp、u_jn的波动大小。

而由于注入二次环流的新增项与无二次环流的固有相的相位关系固定且直接由二次环流的相角决定。根据相角关系可取新增二次项的相角与原有二次相的相角相差π的角度即可得到近似的最优相角，通过数值计算验证了此结论，二次环流的相角为：

θ_best＝π+δ₂ (0)

由此，如图2所示，本发明提供一种考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：采集MMC交流输出电流。

步骤2：根据MMC交流输出电流的dq坐标值，计算需要注入的二次环流相角θ。

具体地，在式(1)-(10)中，采用MMC的输出功率获得了二次环流的近似最优相角，但由于功率采样通常存在滤波延时，这会造成计算延时较大，实时计算速度难以保证。因此，在本发明中，首先对采集的交流输出电流进行dq变换，对dq坐标系的相角进行特殊选择，dq坐标系下的电流标幺值分别对应于有功、无功标幺值。由此用该dq电流标幺值代替有功、无功参与二次环流幅值相角的计算，消除因功率采样滤波造成的延时，实现注入二次环流幅值相角的实时计算。

对于三相电流进行dq变换，dq变换参数如下：

通过dq变换获得交流电流标幺值的dq坐标值为i_acd，i_acq。

通常桥臂电感L取值范围为10％～20％标幺值，因此式(0)可近似为：

根据i_acd,i_acq及MMC的交流输出有功功率P、MMC的交流输出无功功率Q以及过程变量S₂之间的关系结合式(0)可得到二次环流相角的快速计算公式如式(13)所示：

步骤3：根据步骤2的计算结果、采集的MMC交流输出电流的dq坐标值以及MMC的额定交流电流及直流电流，计算桥臂电流限制的可注入二次环流幅值最大值A_max。

桥臂电流的裕量主要来源为设备非满发有功功率时，其直流电流小于额定电流。对于MMC满容量运行下，交流电流的大小固定，因此直流电流的实际值与额定直流电流的差值即为桥臂电流的裕量，而由于相位的不同二次环流和基波电流的合成产生的电流波形不同，峰值产生的相位也有所不同。因此，基于以上特点，在步骤3中可根据以下公式计算桥臂电流限制的二次环流幅值最大值：

其中，A_max为桥臂电流限制的二次环流幅值最大值；k为可变参量，其取值范围为0～2之间；I_acPU为MMC设备的交流额定电流值，I_dcPU为MMC设备的直流额定电流值。其中，在本发明的一个实施例中，根据不同k值下环流对电压波动影响的数值计算结果对比获得的k值优选为0.8。

并且，在式(14)中，第1项为可变参数及标幺变换项；第二项为视在功率标幺值用于二次环流根据输出功率大小实时进行最优调整；第三项为直流电流1标幺减实际标幺值用于获取桥臂电流裕量；第四项为直流电流标幺值获取桥臂电流实际值裕量；由于功率因数的不同导致的桥臂上交流电流输出及注入二次环流的相位关系不同，因此引入第五项来更充分的利用桥臂电流峰值的裕度。

步骤4：根据步骤1采集的MMC交流输出电流的dq坐标值以及MMC的额定容量计算桥臂电流限制的注入二次环流幅值最优值A_best。

在步骤4中，根据以下公式计算桥臂电流限制的二次环流幅值最优值：

其中，A_best为桥臂电流限制的二次环流幅值最优值，k_best为可变系数，其取值范围为1～4之间，S_PU为功率标幺基准值即MMC设备的额定容量，U_dc为MMC设备的额定直流电压。

在本发明的一个实施例中，MMC满发感性无功时，电容波动为各种运行状态下的最大值，在MMC满发功率时，有功无功比例不同时，可变系数k_best不同，但差别不大。通过遍历数值计算综合四种数据仅性研究发现重点关注满发感性无功确定k_best为最为合适的方式。根据数值计算的结果得到k_best可取为2.1。

步骤5：根据步骤3计算的二次环流幅值最大值A_max及步骤4计算的二次环流幅值最优值A_best，确定注入二次环流幅值A。具体地，比较二次环流幅值最大值A_max和二次环流幅值最优值A_best的大小，选择两者中较小的幅值作为当前二次环流幅值A。

步骤6：根据步骤2的计算结果注入二次环流相角θ和二次环流幅值A获取最终的三相负序注入二次环流指令即最终注入二次环流的瞬时值。

在步骤6中，根据二次环流相角以及当前二次环流幅值A结果通过以下公式计算三相负序二次环流值，进而获得最终的三相负序二次环流指令，即为最终注入的二次环流瞬时值：

其中，i_acirref、i_bcirref、i_ccirref分别为三相负序二次环流指令值，ω为基波角频率，t为时间。

步骤7：根据步骤6的指令，通过环流控制内环获得MMC的二次环流调制电压并对MMC子模块的电压进行调制。

在步骤7中，基于步骤6的指令，根据以下公式计算调制电压输出：

其中，u_jcir为j相二次环流调制电压输出，i_jcir为j相桥臂环流提取值即为采集的桥臂环流值，j＝a，b，c；k_cirdead为环流内环无差拍系数，其取值范围为0～1之内，L为桥臂电感，Ts为控制周期。计算得到的二次环流调制电压作用于整体调制输出即完成控制。

本发明基于MMC非纯有功输出时电容电压波动大，桥臂电流小的特点，考虑桥臂电流裕量及最优二次环流注入量确定注入二次环流幅值，实现在不增大桥臂电流额定值的前提下，最大限度降低MMC子模块电容电压波动最大值。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：采集MMC交流输出电流；

步骤2：根据MMC交流输出电流的dq坐标值，计算需要注入的二次环流相角θ；

步骤3：根据步骤2的计算结果、采集的MMC交流输出电流的dq坐标值以及MMC的额定交流电流及直流电流，计算桥臂电流限制的可注入二次环流幅值最大值A_max；

步骤4：根据步骤1采集的MMC交流输出电流的dq坐标值以及MMC的额定容量计算桥臂电流限制的注入二次环流幅值最优值A_best；

步骤5：根据步骤3计算的二次环流幅值最大值A_max及步骤4计算的二次环流幅值最优值A_best，确定注入二次环流幅值A；

步骤6：根据步骤2的计算结果注入二次环流相角θ和二次环流幅值A获取最终的三相负序注入二次环流指令即最终注入二次环流的瞬时值；

步骤7：根据步骤6的指令，通过环流控制内环获得MMC的二次环流调制电压并对MMC子模块的电压进行调制。

2.根据权利要求1所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

所述步骤2包括以下步骤：

步骤201：对采集的交流输出电流进行dq变换；

步骤202：根据以下公式计算注入的二次环流相角：

其中，i_acq、i_acd分别为交流输出电流的dq坐标变换值。

3.根据权利要求2所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

在步骤3中，根据以下公式计算桥臂电流限制的二次环流幅值最大值：

其中，A_max为桥臂电流限制的二次环流幅值最大值；k为可变参量；I_acPU为MMC设备的交流额定电流值，I_dcPU为MMC设备的直流额定电流值。

4.根据权利要求3所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

k的取值范围为0～2之间。

5.根据权利要求2所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

在步骤4中，根据以下公式计算桥臂电流限制的二次环流幅值最优值：

其中，A_best为桥臂电流限制的二次环流幅值最优值，k_best为可变系数，S_PU为功率标幺基准值即MMC设备的额定容量，U_dc为MMC设备的额定直流电压。

6.根据权利要求5所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

k_best的取值范围为1～4之间。

7.根据权利要求3或4所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

在步骤5中，比较二次环流幅值最大值A_max和二次环流幅值最优值A_best的大小，选择两者中较小的幅值作为当前二次环流幅值A。

8.根据权利要求7所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

在步骤6中，根据二次环流相角以及当前二次环流幅值A结果通过以下公式计算三相负序二次环流值，进而获得最终的三相负序二次环流指令，即为最终注入的二次环流瞬时值：

其中，i_acirref、i_bcirref、i_ccirref分别为三相负序二次环流指令值，ω为基波角频率，t为时间。

9.根据权利要求8所述的考虑桥臂电流的环流注入MMC模块电压波动抑制方法，其特征在于：

在步骤7中，基于步骤6的指令，根据以下公式计算调制电压输出：

其中，u_jcir为j相二次环流调制电压输出，i_jcir为j相桥臂环流提取值即为采集的桥臂环流值，j＝a，b，c；k_cirdead为环流内环无差拍系数，其取值范围为0～1之内，L为桥臂电感，Ts为控制周期。

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