CN113346778B - 模块化多电平换流器子模块观测方法、装置 - Google Patents

模块化多电平换流器子模块观测方法、装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器子模块观测方法、装置，所述方法包括：根据扩展状态观测器和相间循环电流模型，建立相间总投入子模块电压观测器；建立相间循环电流观测器；通过电流传感器测得的电流，计算换流器相间循环电流，得到相间循环电流的变化率；根据相间循环电流的变化率和相间循环电流模型，得到相间总投入子模块电压的观测值；通过电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，建立上桥臂子模块电压观测器；利用相间总投入子模块电压的观测值和上桥臂电压的测量值之间的差值，修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂子模块电压观测器。采用上述技术方案，减少传感器数量，同时实现换流器全部子模块电压的观测。

Description

模块化多电平换流器子模块观测方法、装置
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及模块化多电平换流器子模块观测方法、装置。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)根据需要的电平数量和电压等级来拓展子模块数量,这种多模块的特点让MMC天然地具备了较强的冗余能力；与此同时，MMC的多电平特性也简化了交流侧的滤波环节。作为易于拓展的拓扑，MMC在高压变频、电能治理、HVDC(High Voltage Direct Current)以及牵引变流器等领域具有广泛的应用。其中HVDC是MMC最受关注的应用领域之一。
然而，当MMC的子模块数量较多时，也会对MMC的实际应用带来挑战，诸如子模块的电容电压平衡、相间循环电流等问题。为了进行子模块电容电压均衡控制和相间循环电流抑制，需要电压传感器获取子模块电容电压，然而较多的电压传感器会使调理电路和数据通信的复杂度增加。与此同时，电压传感器的测量准确性和通信延迟将影响闭环控制，降低了系统的安全性和可靠性。
发明内容
发明目的：本发明提供一种模块化多电平换流器子模块观测方法、装置，旨在减少传感器数量，同时实现换流器全部子模块电压的观测。
技术方案：本发明提供一种模块化多电平换流器子模块观测方法，包括：建立相间循环电流模型，根据扩展状态观测器和相间循环电流模型，建立相间总投入子模块电压观测器；建立相间总投入子模块电压观测器下的相间循环电流观测器；通过分别设置在换流器上桥臂和下桥臂的电流传感器测得的电流，计算换流器相间循环电流，在相间循环电流观测器的观测值为相间循环电流的实际值时，得到相间循环电流的变化率；根据相间循环电流的变化率和相间循环电流模型，得到相间总投入子模块电压的观测值；通过电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，建立上桥臂子模块电压观测器；利用相间总投入子模块电压的观测值和上桥臂电压的测量值之间的差值，修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂子模块电压观测器。
本发明实施例中，所述相间循环电流模型为：
Figure BDA0003072962630000021
其中，Udc表示直流侧电压，icm表示相间循环电流，Rs表示桥臂电阻，Ls表示桥臂电感，Nusm表示子模块电压。
本发明实施例中，所述相间总投入子模块电压观测器为：
Figure BDA0003072962630000022
其中，Z1表示相间循环电流的观测值，Z2表示Z1的变化率，Z3表示Z2的变化率，变量下标(t)表示当前观测周期下变量的观测值，变量下标(t+1)表示下一个观测周期下变量的观测值，Ts表示观测周期，e表示跟踪误差，δ表示滤波因子，β表示反馈增益，fe和fe1表示最优控制函数根据误差输出的补偿值，最优控制函数fal为：
Figure BDA0003072962630000023
其中，α表示非线性因子，sgn表示符号函数。
本发明实施例中，所述相间循环电流观测器为：
Figure BDA0003072962630000024
Z1(t+1)＝Z1(t)+Ts(Z2(t)-β1e)。
本发明实施例中，所述相间循环电流为：
Figure BDA0003072962630000025
其中，iu表示上桥臂电流传感器测得的电流，il表示下桥臂电流传感器测得的电流；
所述相间循环电流的变化率为：
Figure BDA0003072962630000026
本发明实施例中，所述相间总投入子模块电压的观测值为：
Figure BDA0003072962630000031
其中，
Figure BDA0003072962630000032
表示相间总投入子模块电压的观测值。
本发明实施例中，所述上桥臂子模块电压观测器为：
Figure BDA0003072962630000033
其中，gi表示第i个子模块的投切状态，Z1i表示第i个子模块的观测电压，Z2i表示Z1i的变化率，Usensor表示电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，iu表示上桥臂电流，il表示下桥臂电流，C表示子模块电容值。
本发明实施例中，所述下桥臂子模块电压观测器为：
Figure BDA0003072962630000034
具体的，还包括：建立子模块电压模型：
Figure BDA0003072962630000035
其中，Usm(i)(t)表示子模块电压，i(t)表示子模块所在桥臂的桥臂电流。
本发明还提供一种模块化多电平换流器子模块观测装置，包括相间总投入子模块电压观测器单元、上桥臂子模块电压观测器单元和下桥臂子模块电压观测器单元，其中：
所述相间总投入子模块电压观测器单元，用于建立相间循环电流模型，根据扩展状态观测器和相间循环电流模型，建立相间总投入子模块电压观测器；建立相间总投入子模块电压观测器下的相间循环电流观测器；通过分别设置在换流器上桥臂和下桥臂的电流传感器测得的电流，计算换流器相间循环电流，在相间循环电流观测器的观测值为相间循环电流的实际值时，得到相间循环电流的变化率；根据相间循环电流的变化率和相间循环电流模型，得到相间总投入子模块电压的观测值；
所述上桥臂子模块电压观测器单元，用于通过电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，建立上桥臂子模块电压观测器；
所述下桥臂子模块电压观测器单元，用于利用相间总投入子模块电压的观测值和上桥臂电压的测量值之间的差值，修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂子模块电压观测器。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：仅需一个桥臂电压传感器和两个桥臂电流传感器，即可实现对全部子模块电容电压的观测，提升系统的安全性和可靠性，降低电路和数据通信的复杂度。
附图说明
图1为本发明提供的单相模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图2为本发明提供的子模块的结构图；
图3为本发明提供的相间循环电流的拓扑结构图；
图4为本发明提供的子模块电压观测器的结构图；
图5为将本发明应用于MMC子模块电容电压均衡控制的结构框图；
图6-12为在simulink中将本发明应用于MMC得到的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
参阅图1和图2。本发明主要用于MMC子模块电容电压的实时观测，本发明可以显著减少为实现MMC子模块电容电压平衡所需要的子模块电压传感器。图1所示为单相MMC的拓扑结构，其中MMC的输入侧连接的是直流电源；MMC桥臂由子模块、桥臂电感和桥臂电阻组成；MMC的输出侧与滤波器电感和负载相连。拓扑结构中MMC的上桥臂和下桥臂各有N个子模块，每个子模块包含有2个绝缘栅双极型晶体管IGBT和1个电容，两个IGBT首尾相连构成子模块中的1个桥臂，电容与桥臂并联后，构成半桥式电路。
参阅图3和图4。图4为本发明提供的子模块电压观测器的结构图，在结构图中的三个线框，分别代表了上桥臂子模块电压观测器、相间总投入子模块电压观测器和下桥臂子模块电压观测器。通过相间总投入子模块电压观测器，可以得到相间总投入子模块的电压和。在子模块电压观测器的设计流程中，主要包括了如下过程：
(S1)根据分布在上、下桥臂的电流传感器计算相间循环电流icm：
Figure BDA0003072962630000051
其中，iu为上桥臂电流传感器测得的电流值，il为下桥臂电流传感器测得的电流值。
(S2)参阅图3，根据相间循环电流流通特，建立如下相间循环电流的数学模型：
Figure BDA0003072962630000052
其中，Udc表示直流侧电压，icm表示相间循环电流，Rs表示桥臂电阻，Ls表示桥臂电感，Nusm表示(上桥臂或下桥臂总投入的)子模块电压，usm表示其中一个子模块的电压，Lk是等效桥臂电感的自感，Lm是等效桥臂电感的互感。
(S3)根据模块化多电平换流器的工作特点，建立单独子模块电压的动态数学模型：
Figure BDA0003072962630000053
其中，Usm(i)(t)表示当前观测周期下的子模块电压，Usm(i)(t+1)表示下一个观测周期下的子模块电压，i(t)表示子模块所在桥臂的桥臂电流(i作为下标时表示第i个子模块，单独使用时表示电流)，gi(t)表示子模块的投切状态。
(S4)对相间循环电流的数学模型进行等式变换，得到循环电流变化率的表达式；
Figure BDA0003072962630000054
(S5)根据扩展状态观测器原理和相间循环电流数学模型，建立相间总投入子模块电压观测器：
Figure BDA0003072962630000055
其中，Z1表示相间循环电流的观测值，Z2表示Z1的变化率，Z3表示Z2的变化率，变量下标(t)表示当前观测周期下变量的观测值，变量下标(t+1)表示下一个观测周期下变量的观测值，Ts表示观测周期，e表示跟踪误差，δ表示滤波因子，β(β1、β2和β3)表示反馈增益，fe和fe1表示最优控制函数根据误差e输出的补偿值，最优控制函数fal为：
Figure BDA0003072962630000061
函数有小误差大增益，大误差小增益的特点。其中，α表示非线性因子，sgn表示符号函数。
(S6)离散时间下，建立相间循环电流模型和扩展状态观测器下的相间循环电流观测器：
Figure BDA0003072962630000062
Z1(t+1)＝Z1(t)+Ts(Z2(t)-β1e) (7)
(S7)当相间循环电流观测器可以准确跟踪相间循环电流的实际值，即相间循环电流观测器的观测值为相间循环电流的实际值时，得到相间循环电流的变化率：
Figure BDA0003072962630000063
(S8)根据式(4)、式(8)观测得到的相间总投入子模块电压；
Figure BDA0003072962630000064
其中，
Figure BDA0003072962630000065
表示相间总投入子模块电压的观测值，
Figure BDA0003072962630000066
表示某个子模块电压的观测值。
(S9)根据电压传感器测得的上桥臂电压，建立上桥臂子模块电压观测器：
Figure BDA0003072962630000067
其中，gi表示第i个子模块的投切状态，Z1i表示第i个子模块的观测电压，Z2i表示Z1i的变化率，Usensor表示电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，iu表示上桥臂电流，il表示下桥臂电流，C表示子模块电容值(所有子模块统一)。
(S10)根据(S8)中得到的相间总投入子模块电压的观测值，与上桥臂电压传感器的测量值做差，其结果用于修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂各子模块电压观测器：
Figure BDA0003072962630000071
参阅图6至图12，本发明提出的MMC子模块电容电压观测方法下得到的仿真波形图(实线和虚线存在重合)，在1s时刻加入图5的控制方案(将观测得到的子模块电压用于闭环控制)；在1.2s时突加负载。图6为未加入图5控制方案子模块1(上桥臂)电压的观测值与测量值波形图；图7为未加入图5控制方案子模块5(下桥臂)电压的观测值与测量值波形图；图8为未加入图5控制方案子模块平均电压的观测值与测量值波形图；图9为未加入图5控制方案相间循环电流测量值与观测值波形图；图10为加入图5控制方案及突加负载前后子模块1(上桥臂)电压的观测值与测量值波形图，图11为加入图5控制方案及突加负载前后子模块平均电压的观测值与测量值波形图；图12为加入图5控制方案及突加负载前后循环电流测量值与观测值波形图。图6至图12的波形图，表明本发明提出的MMC子模块电容电压观测方法具有较强的鲁棒性且动态性能优良，在加入图5控制方案及突加负载前后都能够准确观测子模块电容电压，可以起到代替电压传感器的作用，降低了MMC换流器的系统复杂度，减少了MMC的投资成本，具有较强的工程应用价值。
本发明还提供一种模块化多电平换流器子模块观测装置，包括相间总投入子模块电压观测器单元、上桥臂子模块电压观测器单元和下桥臂子模块电压观测器单元，其中：
所述相间总投入子模块电压观测器单元，用于建立相间循环电流模型，根据扩展状态观测器和相间循环电流模型，建立相间总投入子模块电压观测器；建立相间总投入子模块电压观测器下的相间循环电流观测器；通过分别设置在换流器上桥臂和下桥臂的电流传感器测得的电流，计算换流器相间循环电流，在相间循环电流观测器的观测值为相间循环电流的实际值时，得到相间循环电流的变化率；根据相间循环电流的变化率和相间循环电流模型，得到相间总投入子模块电压的观测值；
所述上桥臂子模块电压观测器单元，用于通过电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，建立上桥臂子模块电压观测器；
所述下桥臂子模块电压观测器单元，用于利用相间总投入子模块电压的观测值和上桥臂电压的测量值之间的差值，修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂子模块电压观测器。

Claims (10)

1.一种模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，包括：
建立相间循环电流模型，根据扩展状态观测器和相间循环电流模型，建立相间总投入子模块电压观测器；
建立相间总投入子模块电压观测器下的相间循环电流观测器；
通过分别设置在换流器上桥臂和下桥臂的电流传感器测得的电流，计算换流器相间循环电流，在相间循环电流观测器的观测值为相间循环电流的实际值时，得到相间循环电流的变化率；
根据相间循环电流的变化率和相间循环电流模型，得到相间总投入子模块电压的观测值；
通过电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，建立上桥臂子模块电压观测器；
利用相间总投入子模块电压的观测值和上桥臂电压的测量值之间的差值，修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂子模块电压观测器。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述相间循环电流模型为：
Figure FDA0003633933520000011
其中，Udc表示直流侧电压，icm表示相间循环电流，Rs表示桥臂电阻，Ls表示桥臂电感，Nusm表示子模块电压。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述相间总投入子模块电压观测器为：
Figure FDA0003633933520000012
其中，Z1表示相间循环电流的观测值，Z2表示Z1的变化率，Z3表示Z2的变化率，Z1(t)和Z1(t+1)分别表示当前观测周期和下一个观测周期下的Z1的观测值，Z2(t)和Z2(t+1)分别表示当前观测周期和下一个观测周期下的Z2的观测值，Z3(t)和Z3(t+1)分别表示当前观测周期和下一个观测周期下的Z3的观测值，Ts表示观测周期，e表示跟踪误差，δ表示滤波因子，β表示反馈增益，fe和fe1表示最优控制函数根据误差输出的补偿值，最优控制函数fal为：
Figure FDA0003633933520000021
其中，α表示非线性因子，sgn表示符号函数。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述相间循环电流观测器为：
Figure FDA0003633933520000022
Z1(t+1)＝Z1(t)+Ts(Z2(t)-β1e)。
5.根据权利要求4所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述相间循环电流为：
Figure FDA0003633933520000023
其中，iu表示上桥臂电流传感器测得的电流，il表示下桥臂电流传感器测得的电流；
所述相间循环电流的变化率为：
Figure FDA0003633933520000024
6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述相间总投入子模块电压的观测值为：
Figure FDA0003633933520000025
其中，
Figure FDA0003633933520000026
表示相间总投入子模块电压的观测值。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述上桥臂子模块电压观测器为：
Figure FDA0003633933520000031
其中，gi表示第i个子模块的投切状态，Z1i表示第i个子模块的观测电压，Z2i表示Z1i的变化率，Usensor表示电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，C表示子模块电容值。
8.根据权利要求7所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，所述下桥臂子模块电压观测器为：
Figure FDA0003633933520000032
9.根据权利要求8所述的模块化多电平换流器子模块观测方法，其特征在于，还包括：建立子模块电压模型：
Figure FDA0003633933520000033
其中，Usm(i)(t)表示子模块电压，i(t)表示子模块所在桥臂的桥臂电流。
10.一种模块化多电平换流器子模块观测装置，其特征在于，包括相间总投入子模块电压观测器单元、上桥臂子模块电压观测器单元和下桥臂子模块电压观测器单元，其中：
所述相间总投入子模块电压观测器单元，用于建立相间循环电流模型，根据扩展状态观测器和相间循环电流模型，建立相间总投入子模块电压观测器；建立相间总投入子模块电压观测器下的相间循环电流观测器；通过分别设置在换流器上桥臂和下桥臂的电流传感器测得的电流，计算换流器相间循环电流，在相间循环电流观测器的观测值为相间循环电流的实际值时，得到相间循环电流的变化率；根据相间循环电流的变化率和相间循环电流模型，得到相间总投入子模块电压的观测值；
所述上桥臂子模块电压观测器单元，用于通过电压传感器测得的上桥臂电压的测量值，建立上桥臂子模块电压观测器；
所述下桥臂子模块电压观测器单元，用于利用相间总投入子模块电压的观测值和上桥臂电压的测量值之间的差值，修正下桥臂子模块电压观测器的观测值，建立下桥臂子模块电压观测器。
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