CN114094860B - 基于高次谐波注入的mmc子模块电容电压纹波抑制验证方法 - Google Patents

基于高次谐波注入的mmc子模块电容电压纹波抑制验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法，通过获取MMC的运行工况数据及系统特性参数，并根据MMC的运行工况数据和系统特性参数建立引入相环流后的上/下桥臂电流模型，其中，设注入零序高次谐波电压为uz，a相相环流为ipca；建立注入零序高次谐波电压后上/下桥臂电压模型；根据所述的上/下桥臂电压和电流模型，建立上/下桥臂的瞬时输入功率模型；取高次谐波为三倍频零序电压，建立注入三次谐波电压uz的模型；根据所述的上/下桥臂电流模型，计算得到在三相缓冲电感上的电压模型；根据所述的三次谐波电压模型和三相缓冲电感电压模型，得到改进的基于谐波注入上/下桥臂的参考电压模型，以实现简单控制策略实施，强可行性的方法。

Description

基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法
技术领域
本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及一种基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法。
背景技术
柔性直流输电技术作为新一代直流输电技术，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该技术具有适合构成多端直流系统、占地面积小、无换相失败和无功补偿问题等优点。换流器是柔性直流技术的核心器件，模块化多电平换流器(MMC)因其具有模块化结构、可扩展性和谐波含量少等特点，已成为柔性直流输电系统的首选换流器拓扑，得到了广泛的应用。
而作为模块化多电平换流器(MMC)的储能元件，子模块电容的电压波动决定了开关器件的选择与其安全运行区间。同时，电容器也是MMC子模块中最大的设备，其体积和重量占子模块的50％以上，成本约占1/3，子模块电容电压波动水平直接受电容值大小影响。目前主要有两种方法来降低MMC子模块电容电压纹波，一是增大电容容量，二是研究控制策略。第一种方案会造成设备体积和成本大大增加，而第二种方法能够在不改变MMC子模块系统参数的情况下有效降低电容电压波动，因而能够在相同的条件降低MMC的体积和成本，具有较高的工程应用价值。
发明内容
本发明公开了基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法，以抑制MMC子模块电容电压纹波，从而降低MMC的成本和体积，并验证该控制策略方法的有效性。
为实现上述效果，本发明提出了基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法，包括：
S1.连接MMC子模块电容电压纹波抑制电路，获取MMC的运行工况数据及系统特性参数，并根据MMC的运行工况数据和系统特性参数建立引入相环流后的上/下桥臂电流模型，并向模型中注入电压且输送电流，其中，注入零序高次谐波电压为uz，a相相环流为ipca；
S2.建立注入零序高次谐波电压后上/下桥臂电压模型；
S3.根据所述的上/下桥臂电压和电流模型，建立上/下桥臂的瞬时输入功率模型；
S4.取高次谐波为三倍频零序电压，建立注入三次谐波电压uz的模型；
S5.根据所述的ipcx模型，计算得到在三相缓冲电感上的电压模型；
S6.根据所述的三次谐波电压模型和三相缓冲电感电压模型，得到改进的基于谐波注入上/下桥臂的参考电压模型，以获得工作中电压纹波幅值。
进一步的，所述步骤S1中上/下桥臂电流模型表达式如下：
i'Pa＝ioa/2+iza+ipca
i'Na＝ioa/2-iza-ipca
其中，iza为直流相间环流，ioa为a相电流，i'Pa为引入相间环流后的a相上桥臂电流，i'Na为引入相间环流后的a相下桥臂电流。
进一步的，所述步骤S2中上/下桥臂电压模型表达式如下：
u'Pa＝Udc/2-uoa-uz
u'Na＝Udc/2+uoa+uz
其中，Udc为直流母线电压，uoa为a相电压，u'Pa为引入零序电压后的a相上桥臂电压，u'Na为引入零序电压后的a相下桥臂电压。
进一步的，所述步骤S3中上/下桥臂瞬时输入功率模型表达式如下：
p'Pa＝u'Pa·i'Pa＝p1-p2-p3
p'Na＝-u'Na·i'Na＝-p1+p2-p3
其中，p'Pa为在引入新的自由度后a相上桥臂输入功率，p'Na为引入新的自由度后a相下桥臂输入功率，且p1、p2和p3的表达式如下：
p1＝Udcioa(1-m2sin2(ωt))/4-uzipca
p2＝Umioauzsin(ωt)/Udc+Umipcasin(ωt)
p3＝(ioauz-Udcipca)/2
其中，Um为相电压幅值，m为调制比。p1中存在低频分量，p2和p3都受到uz和ipca的调制。如果uz和ipca具有较高的频率，则p2和p3具有高频率的频率。
为了消除p1中的低频成分，ipca可以表示如下：
其中Uz和ω分别是uz的振幅和频率。
进一步的，所述步骤S4中uz模型表达式如下：
进一步的，所述步骤S5中三相缓冲电感的电压模型表达式如下：
其中下标符号x表示相位a、b、c。
进一步的，所述步骤S6中上/下桥臂参考电压模型表达式如下：
uPx,ref＝Udc/2-uox-uz-upcx
uNx,ref＝Udc/2+uox+uz-upcx
其中，uPx,ref为该相上桥臂参考电压，uNx,ref为该相下桥臂参考电压，uox为该相桥臂输出交流电压，upcx为该相桥臂电感l上的电压。
本发明能够实现如下有益效果：
1、本发明提供的基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法，控制策略实施简单，可行性强，对抑制MMC子模块电容电压纹波有效，能够大大降低MMC模块的成本和体积。
2、本发明提出的基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证装置，成本较低，整体结构简单，实现了对MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法有效性的验证。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为三相MMC拓扑结构图。
图2为三次谐波注入前子模块电容电压仿真图。
图3为三次谐波注入后子模块电容电压仿真图。
图4为试验样机结构示意图。
图5a、5b为三次谐波注入前后子模块电容电压实验对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
为了验证控制策略抑制电容电压纹波的有效性，搭建如图1拓扑所示的模块化多电平换流器的电气回路，分别选择CPS-SPWM作为基础的调制策略和平均控制与平衡控制策略用以实现对子模块电容电压的控制。设置仿真参数如下：桥臂子模块个数n为4，负载电阻RL为50Ω，负载电抗LL为15mH，基频频率为50Hz，直流母线电压Udc为8KV，各个子模块电容电压额定值保持在2KV，三角波载波频率fc为1000Hz，子模块电容容值为1.88μF。
图2和图3分别是三次谐波注入前后MMC子模块电容电压仿真波形，由结果可知，在相同条件下，注入三次谐波后的子模块电容电压纹波从46V降低到31V，验证了控制策略的有效性。
本发明设计的基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证装置的操作方法如下：
MMC预充电实验回路如图4所示。MMC上/下桥臂电感引出中点与负载相连，系统通过预充电继电器QS2，QS3进行启动并通过预充电电阻RC进行预充电。当MMC系统启动时，先闭合主电路继电器QS，启动程序使子模块中的IGBT全部导通，对子模块电容进行预充电。此时预充电继电器QS2，QS3处于常开状态，系统对子模块电容进行预充电，此时预充电电阻RC实现对启动电流的限制。经过10s后程序进入正常运行模式，此时闭合QS2，QS3实现对预充电电阻的切除。
当系统子模块电容预充电后，MMC子模块将自身的电容电压模拟量信号通过电压采集电路传输至片外A/D转换芯片上并上传至主控DSP中；同时，电流采集电路采集系统中上、下桥臂的电流信号的大小与方向，通过A/D转换芯片传输至DSP中。DSP接收A/D采样的数据后通过算法调制得到各个子模块IGBT调制波，并通过地址总线与数据总线接口与FPGA进行通信，分配产生各个子模块投切信号，最终通过电平转换芯片抬升电压实现IGBT模块的投切。
三次谐波注入前后MMC子模块电容电压实验对比波形结果如图5a、图5b所示，由实验结果可知，三次谐波注入前，子模块电容电压波动保持在46.6V至50.8V之间，电压纹波大小为4.2V；而三次谐波注入后，其波动范围保持48.7V至50.1V之间，电压纹波幅值1.4V，验证了高频谐波注入控制策略有效减小了电容电压的纹波大小。
综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过以上实例予以具体阐述，但不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (1)

1.基于高次谐波注入的MMC子模块电容电压纹波抑制验证方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，连接MMC子模块电容电压纹波抑制电路，获取MMC的运行工况数据及系统特性参数，并根据MMC的运行工况数据和系统特性参数建立引入相环流后的上/下桥臂电流模型，并向模型中注入电压且输送电流，其中，注入零序高次谐波电压为uz，a相相环流为ipca；
上/下桥臂电流模型表达式如下：
i′Pa＝ioa/2+iza+ipca
i′Na＝ioa/2-iza-ipca
其中，iza为直流相间环流，ioa为a相电流；i’Pa为引入相间环流后的a相上桥臂电流，i’Na为引入相间环流后的a相下桥臂电流；
步骤2，建立注入零序高次谐波电压后上/下桥臂电压模型；
上/下桥臂电压模型表达式如下：
u′Pa＝Udc/2-uoa-uz
u'Na＝Udc/2+uoa+uz
其中，Udc为直流母线电压，uoa为a相电压,u’Pa为引入零序电压后的a相上桥臂电压，u’Na为引入零序电压后的a相下桥臂电压；
步骤3，根据所述的上/下桥臂电压模型和电流模型，建立上/下桥臂的瞬时输入功率模型；
上/下桥臂瞬时输入功率模型表达式如下：
p′Pa＝u′Pa·i′Pa＝p1-p2-p3
p′Na＝-u′Na·i′Na＝-p1+p2-p3
其中，p’Pa为在引入新的自由度后a相上桥臂输入功率，p’Na为引入新的自由度后a相下桥臂输入功率,其中，p1、p2和p3的表达式如下：
p1＝Udcioa(1-m2sin2(ωt))/4-uzipca
p2＝Umioauzsin(ωt)/Udc+Umipcasin(ωt)
p3＝(ioauz-Udcipca)/2
其中，Um为相电压幅值，m为调制比,p1中存在低频分量，p2和p3都受到uz和ipca的调制，如果uz和ipca具有高频率，则p2和p3具有高频率的频率；
为了消除p1中的低频成分，ipca表示如下：
其中Uz和ω’是uz的振幅和频率；
步骤4，取高次谐波为三倍频零序电压，建立注入三次谐波电压uz的模型；
uz模型表达式如下：
步骤5，根据所述的上/下桥臂电流模型，计算得到在三相缓冲电感上的电压模型；
三相缓冲电感的电压模型表达式如下：
其中下标符号x表示相位a、b、c；
步骤6，根据所述的三次谐波电压模型和三相缓冲电感电压模型，得到改进的基于谐波注入上/下桥臂的参考电压模型，以获得工作中电压纹波幅值；
上/下桥臂参考电压模型表达式如下：
uPx,ref＝Udc/2-uox-uz-upcx
uNx,ref＝Udc／2+uox+uz-upcx
uPx,ref为该相上桥臂参考电压，uNx,ref为该相下桥臂参考电压，uox为该相桥臂输出交流电压，upcx为该相桥臂电感l上的电压。
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