CN113497450A - 一种电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，为了提高MMC‑STATCOM的不对称运行能力并克服传统控制策略存在的各种缺点，本项目对无差拍控制和重复控制两种控制方式进行了深入的分析，提出电流控制精度的改进策略，首先需要对数字控制系统的延时以及死区时间进行补偿，在此基础上通过对传统MMC桥臂电流的控制策略进行改进，将无差拍控制和重复控制相结合。前者动态性能好，暂态反应快，后者稳态性能好，两种方法相结合可提高系统在不同工况下的控制精度，同时实现交流侧电流控制和相间环流控制。电流控制精度的改进策略首先通过离散数学建模方法建立MMC上桥臂电流的离散数学模型，基于理想无差拍控制的理想条件，建立实际电流无差地跟踪其指令电流模型，引入无差拍系数将闭环极点从单位圆上推移到圆内，提高控制系统稳定性，综合重复控制对电网电压不对称的情况的电流控制策略进行研究。
Description
技术领域
本发明属于一种如电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，特别是基于无差拍-重复控制的电流跟踪改进控制。
背景技术
近年来，随着电力电子装置在高压大容量电力系统中应用的快速发展，电网中的无功功率所带来的危害也日益增大。一方面，由于电气化铁路、轧钢机、电弧炉、造纸厂和数控机床等大型非线性负载的增设，给电网带来了严重的谐波污染并降低了系统的功率因数，造成了电网电压不同程度的闪变和波动，极大地降低了电网的供电质量，威胁到电网中其他用电设备的安全和稳定运行。另一方面，随着高精尖科学技术领域的发展，精密仪器的制造、生产和使用过程对电能质量的变化越来越敏感，对电能质量的要求越来越严格。因此，电能质量问题引起了学者们的高度重视，如何有效地治理电网中的谐波和补偿系统的无功功率，抑制电网中的电压波动和闪变成为了保证电网安全、稳定和经济运行的主要问题。
在电力系统的实际运行过程中，时常会出现各种不对称的运行工况，如不对称的短路故障，导致电网三相电压的不对称。此外，由于非线性负载的作用，还有可能导致电网电压中含有一定量的谐波成分。电网电压含有谐波和不对称的情况会引起MMC-STATCOM故障侧三相电流不平衡，导致过流使MMC-STATCOM退出运行，或引起有功、无功功率的脉动，影响MMC-STATCOM的正常运行。交流侧控制策略是MMC-STATCOM控制的关键，其控制性能好坏直接决定了MMC-STATCOM的运行性能及交流侧的电能质量。然而，常见的不对称控制策略，如dq-PI和αβ-PR控制，存在电压和电流正负序分解、控制结构复杂、需要根据不同的控制目标进行指令电流计算等缺点。在此基础上通过对传统MMC桥臂电流的控制策略进行改进，将无差拍控制和重复控制相结合。前者动态性能好，暂态反应快，后者稳态性能好，两种方法相结合可提高系统在不同工况下的控制精度，同时实现交流侧电流控制和相间环流控制。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种MMC桥臂电流控制策略，特别是基于无差拍-重复控制的电流跟踪改进控制，包括如下步骤：
1)首先需要对数字控制系统的延时以及死区时间进行补偿，在此基础上通过对传统MMC桥臂电流的控制策略进行改进，将无差拍控制和重复控制相结合。前者动态性能好，暂态反应快，后者稳态性能好，两种方法相结合可提高系统在不同工况下的控制精度，同时实现交流侧电流控制和相间环流控制。
2)电流控制精度的改进策略首先通过离散数学建模方法建立MMC上桥臂电流的离散数学模型，基于理想无差拍控制的理想条件，建立实际电流无差地跟踪其指令电流模型，引入无差拍系数将闭环极点从单位圆上推移到圆内，提高控制系统稳定性，综合重复控制对电网电压不对称的情况的电流控制策略进行研究。
由于MMC的运行效率较高，桥臂损耗很小，因此，忽略桥臂电阻，首先将MMC模型进行离散化处理，然后获取MMC上桥臂电流的离散数学模型。引入无差拍系数会提高系统稳定性，但降低了控制精度。无差拍控制依赖于数学建模的精确性，模型参数的偏移、采样误差、电力电子开关的死区效应等因素都会影响其控制性能。而单一的重复控制器动态性能差。为此，本项目将重复控制嵌入到无差拍控制系统中，用于改善无差拍控制的稳态性能，提高其抗扰动能力。可实现对桥臂电流的快速准确跟踪，有效降低了交流侧电流和环流THD含量。
重复控制是一种基于内模原理的控制方法，可以等效为积分器与多组谐振调节器并联而成，可以抑制各次谐波，能够在基频及其整数倍的频率处提供高增益，理论上能实现对正弦电流的无静差控制，因此，可以对直流信号和各次谐波信号进行有效控制。通过内置重复控制器，改善无差拍控制的缺陷，消除周期性稳态误差，通过设置低通滤波器及补偿器改善系统的稳定性。其开环传递函数表达式为
式中，Q(z)z-N为周期积分环节，
fs为采样频率，f1为电网基波频率。若内模系数Q(z)＝1，则系统在高频段的稳定性较差。Q(z)可以取小于1的常数，也可以采用一阶零相移低通滤波器，其表达式为：Q(z)＝0.25z+0.5+0.25z-1，相比于小于1的常数，采用一阶零相移低通滤波器在低频段具有更高的增益，在高频段具有更好的稳定性，因此，本文采用一阶零相移低通滤波器。作为Q(z)。zm主要用于补偿反馈控制系统滞后的相位，以提高整个控制系统的稳定性。
传统无差拍控制的数据采样、计算及占空比输出应该同时完成，但在实际工程应用中，由于受数据采样的影响，占空比输出会滞后于实际采样一定拍数，受延时时间Td的影响，会造成电网电流的预测误差，且无差拍控制算法中由于电感参数的波动及在各种干扰的作用下必然存在稳态误差，这种误差为周期性信号，其周期与电网基波周期一致。而重复控制能很好地消除周期性扰动，实现对正弦信号的无差跟踪，理论上将传统无差拍控制与重复控制相结合可获得快速的动态响应及零稳态误差输出。
附图说明
附图1为典型N+1电平三相MMC拓扑结构，由6个桥臂构成，每个桥臂由N个SM模块和一个电感串联而成；
附图2为MMC单相等效电路图；
附图3为基于无差拍-重复控制的电流跟踪改进控制结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本发明的技术方案，提供一种电网不对称情况下的无差拍-重复电流控制策略，如图1所示，包括如下步骤：
1)首先需要对数字控制系统的延时以及死区时间进行补偿，在此基础上通过对传统MMC桥臂电流的控制策略进行改进，将无差拍控制和重复控制相结合。前者动态性能好，暂态反应快，后者稳态性能好，两种方法相结合可提高系统在不同工况下的控制精度，同时实现交流侧电流控制和相间环流控制。
2)电流控制精度的改进策略首先通过离散数学建模方法建立MMC上桥臂电流的离散数学模型，基于理想无差拍控制的理想条件，建立实际电流无差地跟踪其指令电流模型，引入无差拍系数将闭环极点从单位圆上推移到圆内，提高控制系统稳定性，综合重复控制对电网电压不对称的情况的电流控制策略进行研究。
附图1为典型N+1电平三相MMC拓扑结构，由6个桥臂构成，每个桥臂由N个SM模块和一个电感串联而成。
附图2为MMC单相等效电路图设上桥臂电流为Ip，下桥臂电流为In，上桥臂所有导通的SM模块电压之和为Up，下桥臂所有导通的SM模块电压之和为Un，MMC输出电压为Ua，桥臂电感值为L，MMC输出电流为Ia，负载电阻为R，桥臂与直流电源之间的环流为Icir。
根据附图2，MMC单相等效电路的状态方程，公式如下所示：
由基尔霍夫电流定律和上下桥臂的严格对称性，可得：
在第K个控制周期T，对式(1)进行离散化可得：
式中：Up(k)为第K个控制周期上桥臂应导通的所有SM模块电压之和；Un(k)为第K个控制周期下桥臂应导通的所有SM模块电压之和；Ip(k)为第K个控制周期上桥臂电流；In(k)为第K个控制周期下桥臂电流；Ip *(K+1)为第K+1个控制周期开始时刻上桥臂期望输出电流；In *(K+1)为第K+1个控制周期开始时刻下桥臂期望输出电流；Ua(k)为第K个控制周期的负载电压；Udc(K)为第K个控制周期的直流侧电压。
由式(3)可知，在每个控制周期的开始时刻，根据采样的输出电流值和期望输出电流值就可以计算出上下桥臂所有导通的SM模块电压之和，使输出电流能快速跟踪期望电流。因此，将式(3)中的电流Ip *(K+1)和In *(K+1)分别用Ipref、Inref代替，Up(k)和Un(k)分别用Upref、Unref代替就可以实现输出电流对参考电流的跟踪。
式中Upref、Unref分别为控制周期T内MMC上下桥臂SM模块应输出的总电压值，可以通过最近电平逼近法等对SM子模块进行调制获得。
通过内置重复控制器，改善无差拍控制的缺陷，消除周期性稳态误差，通过设置低通滤波器及补偿器改善系统的稳定性。其传递函数表达式为：
式中，Q(z)z-N为周期积分环节，
fs为采样频率，f1为电网基波频率。kπ为重复控制器的增益，zm为补偿环节，主要用于补偿反馈控制系统滞后的相位，以提高整个控制系统的稳定性。
若内模系数Q(z)＝1，则系统在高频段的稳定性较差。Q(z)可以取小于1的常数，也可以采用一阶零相移低通滤波器，其表达式为：
Q(z)＝0.25z+0.5+0.25z-1 (6)
相比于小于1的常数，采用一阶零相移低通滤波器在低频段具有更高的增益，在高频段具有更好的稳定性，因此，本文采用一阶零相移低通滤波器作为Q(z)。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，其特征在于：
1)首先需要对数字控制系统的延时以及死区时间进行补偿，在此基础上通过对传统MMC桥臂电流的控制策略进行改进，将无差拍控制和重复控制相结合。前者动态性能好，暂态反应快，后者稳态性能好，两种方法相结合可提高系统在不同工况下的控制精度，同时实现交流侧电流控制和相间环流控制。
2)电流控制精度的改进策略首先通过离散数学建模方法建立MMC上桥臂电流的离散数学模型，基于理想无差拍控制的理想条件，建立实际电流无差地跟踪其指令电流模型，引入无差拍系数将闭环极点从单位圆上推移到圆内，提高控制系统稳定性，综合重复控制对电网电压不对称的情况的电流控制策略进行研究。
2.如权利1要求所述的电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，其特征在于：
无差拍-重复控制是一种基于离散数学模型的数字控制方法，具有结构简单、响应速度快、易于数字化实现等优点。由于上、下桥臂可采用相同的桥臂电流控制器，因此实际设计时可以只对上桥臂电流的控制进行控制器的设计。
3.如权利1要求所述的电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，其特征在于：
由于MMC的运行效率较高，桥臂损耗很小，因此，忽略桥臂电阻，首先将MMC模型进行离散化处理，然后获取MMC上桥臂电流的离散数学模型。引入无差拍系数会提高系统稳定性，但降低了控制精度。无差拍控制依赖于数学建模的精确性，模型参数的偏移、采样误差、电力电子开关的死区效应等因素都会影响其控制性能。而单一的重复控制器动态性能差。为此，本项目将重复控制嵌入到无差拍控制系统中，用于改善无差拍控制的稳态性能，提高其抗扰动能力。可实现对桥臂电流的快速准确跟踪，有效降低了交流侧电流和环流THD含量。
4.如权利1要求所述的电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，其特征在于：
重复控制是一种基于内模原理的控制方法，可以等效为积分器与多组谐振调节器并联而成，可以抑制各次谐波，能够在基频及其整数倍的频率处提供高增益，理论上能实现对正弦电流的无静差控制，因此，可以对直流信号和各次谐波信号进行有效控制。通过内置重复控制器，改善无差拍控制的缺陷，消除周期性稳态误差，通过设置低通滤波器及补偿器改善系统的稳定性。其开环传递函数表达式为:
式中，Q(z)z-N为周期积分环节，
fs为采样频率，f1为电网基波频率。若内模系数Q(z)＝1，则系统在高频段的稳定性较差。Q(z)可以取小于1的常数，也可以采用一阶零相移低通滤波器，其表达式为：Q(z)＝0.25z+0.5+0.25z-1，相比于小于1的常数，采用一阶零相移低通滤波器在低频段具有更高的增益，在高频段具有更好的稳定性，因此，本文采用一阶零相移低通滤波器。作为Q(z)。zm主要用于补偿反馈控制系统滞后的相位，以提高整个控制系统的稳定性。
5.如权利1要求所述的电网电压不对称情况下的电流控制精度改进策略，其特征在于：
传统无差拍控制的数据采样、计算及占空比输出应该同时完成，但在实际工程应用中，由于受数据采样的影响，占空比输出会滞后于实际采样一定拍数，受延时时间Td的影响，会造成电网电流的预测误差，且无差拍控制算法中由于电感参数的波动及在各种干扰的作用下必然存在稳态误差，这种误差为周期性信号，其周期与电网基波周期一致。而重复控制能很好地消除周期性扰动，实现对正弦信号的无差跟踪，理论上将传统无差拍控制与重复控制相结合可获得快速的动态响应及零稳态误差输出。
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