CN206932005U - 一种mmc的谐波电流抑制控制系统及控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供的一种MMC的谐波电流抑制系统及控制器，涉及电子技术领域，解决现有技术中由于MMC输出电流中存在高频谐波电流，从而导致损害一次设备的问题。该控制器包括：锁相环，与锁相环连接的第一信号输入端以及乘法器，与乘法器连接的限幅器，与限幅器连接的PARK变换器、PARK反变换器，与PARK变换器连接的第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端以及第一加减法器、第二加减法器，与第一加减法器连接第一PI控制器，与第二加减法器连接的第二PI控制器，第一PI控制器、第二PI控制器均与PARK反变换器连接，与PARK反变换器连接的第一信号输出端、第二信号输出端以及第三信号输出端。

Description

一种MMC的谐波电流抑制控制系统及控制器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，尤其涉及一种MMC的谐波电流抑制控制系统及控制器。

背景技术

随着南方电网西电东送规模的不断扩大，云南电网多回大容量直流与交流外送通道并联运行时，若发生云南外送直流极闭锁组合故障，南方电网将面临稳定性破坏和大面积停电风险。为化解上述风险，南方电网建设了鲁西背靠背异步联网工程，实现了云南电网与南网主网的异步联网。异步联网工程可以避免云南外送直流故障后大量功率转移到交流通道而引发的系统功角失稳问题，降低了电网大面积停电风险，增强了大电网的可控性。

云南异步联网工程首次使用基于模块化多电平换流器的高电压大容量柔性直流输电技术。相比于常规直流输电技术，模块化多电平换流器(英文：Modular MultilevelConverter，简称：MMC)具有占地面积小、无需无功补偿、无换相失败、谐波水平低、可独立控制有功功率和无功功率等优点。但是，鲁西背靠背直流馈入的广西电网为弱交流系统，当广西电网的交流线路N-1或N-2故障发生时，广西电网将会成为极弱交流系统，使得在鲁西背靠背柔性直流与该极弱交流系统间会出现高频谐振的风险，从而使得MMC输出电流中存在高频谐波电流，而该高频谐波电流会对电网的一次设备造成损坏。

实用新型内容

本实用新型的实施例提供一种MMC的谐波电流抑制控制系统及控制器，解决现有技术中由于MMC输出电流中存在高频谐波电流，从而导致损害一次设备的问题。

为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

本实用新型实施例的第一方面，提供一种MMC的谐波电流抑制控制器，所述控制器包括：锁相环，与所述锁相环连接的第一信号输入端以及乘法器，与所述乘法器连接的限幅器，与所述限幅器连接的PARK变换器、PARK反变换器，与所述PARK变换器连接的第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端以及第一加减法器、第二加减法器，与所述第一加减法器连接第一PI控制器，与所述第二加减法器连接的第二PI控制器，所述第一PI控制器、第二PI控制器均与所述PARK反变换器连接，与所述PARK反变换器连接的第一信号输出端、第二信号输出端以及第三信号输出端。

本实用新型实施例的第二方面，提供一种MMC的谐波电流抑制控制系统，包括：环流抑制控制器、功率或电压外环控制器、电流内环控制器、谐波检测装置以及第一方面所述的谐波电流抑制控制器，其中：

所述谐波检测装置与所述谐波电流抑制控制器连接，用于将从MMC的输出电流中提取的谐波电流和谐波次数K输入至所述谐波电流抑制控制器；

所述功率或电压外环控制器与所述电流内环控制器连接，用于将输出的基波电流输入至电流内环控制器；

所述谐波电流抑制控制器、所述环流抑制控制器以及所述电流内环控制器均与加法器连接，用于将所述谐波电流抑制控制器输出的第一电压调制量、所述环流抑制控制器输出的第二电压调制量、所述电流内环控制器输出的第三电压调制量输入至所述加法器。

本方案通过在现有技术的基础上增加谐波电流抑制控制器，该谐波电流抑制控制器根据MMC中的谐波电流、谐波次数K以及并网点电压确定第一电压调制量，并将第一电压调制量输入至加法器，加法器根据第一电压调制量、环流抑制控制器输出的第二电压调制量以及电流内环控制器输出的第三电压调制量确定MMC中的子模块的电压输入值，并将该电压输入值输入至MMC中的子模块。由于增加了谐波电流抑制控制器，该谐波电流抑制控制器对MMC输出电流中的高频谐波电流分量进行有效抑制，使得最终加法器所确定的MMC中的子模块的电压输入值触发MMC中的子模块的IGBT时，不会损害一次设备。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种直流输电系统架构图；

图2为本实用新型实施例提供的现有技术中的一种MMC控制结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种MMC的谐波电流抑制控制方法的方法流程图；

图4为本实用新型实施例提供的一种MMC的谐波电流抑制控制器；

图5为本实用新型实施例基于图4提供的谐波电流抑制控制器结构示意图；

图6为本实用新型实施例提供的一种MMC的谐波电流抑制控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了便于清楚描述本实用新型实施例的技术方案，在本实用新型的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能或作用基本相同的相同项或相似项进行区分，本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定。

如图1所示，为本实用新型实施例提供的一种直流输电系统的结构示意图，该系统包括直流系统部分和交流系统部分，其中：直流系统部分由模块化多电平换流器(英文：Modular Multilevel Converter，简称：MMC)结构组成。具体的，参照图1，SM(英文：Sub-module，中文翻译：子模块)为MMC中的子模块，N为上、下桥臂子模块的个数，R为桥臂等效电阻，L_m为桥臂电抗，i_p、i_n为上、下桥臂电流，u_dc为直流母线电压，i_out为MMC输出电流，u_grid为并网点电压，Z_s为交流系统阻抗。MMC高压侧的等效电抗L为桥臂电抗和联接变电抗的和。基于MMC结构的柔性直流输电系统上、下桥臂由N个子模块和桥臂电抗组成，再通过联接变压器与交流系统相连。而图1中的SM的具体结构参照图1箭头所指部分的内容，该SM子模块的构成中，T1和T2为2个绝缘栅双极型晶体管(英文：Insulated Gate Bipolar Transistor，简称：IGBT)，D1和D2为相应的反并联二极管，C为SM子模块的电容器，其电压为u_c。

基于图1所示的直流输电系统架构，现有技术提供了一种MMC控制结构示意图，如图2所示，i_{d_ref}、i_{q_ref}为DQ轴基波电流参考值，u_ref为电流控制生成的电压调制量，u_{cs_ref}为环流抑制控制器生成的电压调制量，u_{pwm_ref}为最终的电压调制量，经过PWM控制生成MMC中的SM子模块中的IGBT的触发信号。具体的，该MMC中的SM子模块的具体内容参照图1中的放大的部分。MMC的控制系统首先通过功率/电压外环控制器生成i_{d_ref}、i_{q_ref}；接着通过电流内环控制器实现对i_{d_ref}、i_{q_ref}的快速无差跟踪；最后，将电流内环控制器生成的u_ref与环流抑制控制器产生的u_{cs_ref}相加得到u_{pwm_ref}，用来触发MMC的IGBT。

然而，由于鲁西背靠背直流馈入的广西电网为弱交流系统，当广西电网的交流线路N-1或N-2故障发生时，广西电网将会成为极弱交流系统，使得在鲁西背靠背柔性直流与该极弱交流系统间会出现高频谐振的风险，从而使得MMC输出电流中存在高频谐波电流，而该高频谐波电流会对电网的一次设备造成损坏，而采用现有技术图2所示的控制结构示意图不能避免高频谐振的风险，最终仍然会使得MMC输出电流中存在高频谐波电流，从而导致出现损害一次设备的问题。

为了解决上述的技术问题，基于图1所示的直流输电系统架构，本实用新型实施例提供一种MMC的谐波电流抑制控制方法，如图3所示，该方法包括：

101、谐波电流抑制控制器根据MMC中的谐波电流、谐波次数K以及并网点电压确定第一电压调制量，并将第一电压调制量输入至加法器。

可选的，在步骤101之前，该方法还包括：

101a、谐波检测装置从MMC的输出电流中提取谐波电流和谐波次数K，并将谐波电流和谐波次数K输入至谐波电流抑制控制器。

基于上述的图1，这里所描述的MMC的输出电流为图1中的i_out，而上述的谐波电流核谐波次数K为从i_out中提取出来的。

示例性的，上述的步骤101具体包含以下内容：

A1、将并网点电压输入至锁相环得到并网点电压基波分量相角，将并网点电压基波分量相角和谐波次数K输入至乘法器，再经过限幅器得到并网点电压K次谐波分量相角。

A2、根据并网点电压K次谐波分量相角以及谐波电流确定第一电压调制量。

示例性的，基于上述的步骤101的内容，上述的步骤A2具体包含以下内容：

a1、将并网点电压K次谐波分量相角以及谐波电流输入至PARK变换器得到MMC输出电流的K次谐波分量的DQ轴测量值；

a2、将MMC输出电流的K次谐波分量的DQ轴测量值输入至加减法器后，经过PI控制器得到DQ轴电压调制量参考值，再经过PARK反变换器后得到第一电压调制量。

示例性的，上述的DQ轴是指DQ轴坐标系下对应的D轴和Q轴，一般将ABC三相坐标系称为静止坐标系，将DQ轴坐标系称为旋转坐标系，将D轴定位在旋转矢量上(例如，转子)，Q轴与D轴垂直。

102、环流抑制控制器输出第二电压调制量，并将第二电压调制量输入至加法器；同时，电流内环控制器输出第三电压调制量，并将第三电压调制量输入至加法器。

示例性的，上述的环流抑制控制器的输入值为图1中的i_p和i_n，而上述的电流内环控制器输入值为功率或电压外环控制器输出的基波电流i_{d_ref}、i_{q_ref}，而该功率或电压外环控制器的输入值为参考功率与参考电压的比值。

103、加法器根据第一电压调制量、第二电压调制量以及第三电压调制量确定MMC中的子模块的电压输入值，并将电压输入值输入至MMC中的子模块。

示例性的，上述的电压输入值实质上是指电压输入信号，该电压输入信号是由第一电压调至量、第二电压调至量以及第三电压调至量叠加所产生的。

示例性的，上述的步骤103加法器根据第一电压调制量、第二电压调制量以及第三电压调制量确定MMC中的子模块的电压输入值，具体包含以下内容：

103a、求取第一电压调制量、第二电压调制量以及第三电压调制量之和，将求取的和作为MMC中的子模块的电压输入值。

本方案通过在现有技术的基础上增加谐波电流抑制控制器，该谐波电流抑制控制器根据MMC中的谐波电流、谐波次数K以及并网点电压确定第一电压调制量，并将第一电压调制量输入至加法器，加法器根据第一电压调制量、环流抑制控制器输出的第二电压调制量以及电流内环控制器输出的第三电压调制量确定MMC中的子模块的电压输入值，并将该电压输入值输入至MMC中的子模块。由于增加了谐波电流抑制控制器，该谐波电流抑制控制器对MMC输出电流中的高频谐波电流分量进行有效抑制，使得最终加法器所确定的MMC中的子模块的电压输入值触发MMC中的子模块的IGBT时，不会损害一次设备。

本实用新型实施例提供一种MMC的谐波电流抑制控制器，如图4所示，该控制器包括：锁相环41，与锁相环41连接的第一信号输入端A以及乘法器42，与乘法器42连接的限幅器43，与限幅器43连接的PARK变换器(中文：派克变换器)44、PARK反变换器45，与PARK变换器45连接的第二信号输入端B、第三信号输入端C、第四信号输入端D以及第一加减法器46、第二加减法器47，与第一加减法器46连接第一PI控制器48，与第二加减法器47连接的第二PI控制器49，第一PI控制器48、第二PI控制器49均与PARK反变换器45连接，与PARK反变换器45连接的第一信号输出端E、第二信号输出端F以及第三信号输出端G。

基于上述的图4和图1，参照图5所示的谐波电流抑制控制器结构示意图，在图5中，θ_g为并网点电压基波分量相角，θ_gk为并网点电压K次谐波分量相角，i_{ham_D}、i_{ham_Q}为MMC输出电流K次谐波分量的DQ轴测量值，i_{ref_D}、i_{ref_Q}为MMC输出电流K次谐波分量参考值，该i_{ref_D}、i_{ref_Q值}一般为0，G_{PI_D}、G_{PI_Q}为谐波电流抑制控制器中DQ轴PI控制环节。谐波电流抑制控制器通过独立的DQ轴谐波电流环PI控制产生DQ轴电压调制量参考值u_{href_D}、u_{href_Q}。将u_{href_D}、u_{href_Q}转换成ABC三相调制量后，与电流内环控制器和环流抑制控制器产生的电压调制量相加得到最终的电压调制量(即上文中的MMC中的子模块的电压输入值)。谐波电流抑制控制器的结构清晰且响应速度快，同时不需要修改MMC的硬件参数和基本控制结构，因此比较适合工程应用。

其中，PI控制环节中的G_{PI_D}、G_{PI_Q}的传递函数：

式中，k_p、k_i分别为PI控制器的比例系数和积分系数，s为拉普拉斯算子。

本实用新型实施例提供的谐波电流抑制控制器的结构清晰且响应速度快，同时不需要修改MMC的硬件参数和基本控制结构，因此比较适合工程应用。同时，上述的谐波电流抑制控制器能够对MMC输出电流中的高频谐波电流分量进行有效抑制，使得最终加法器所确定的MMC中的子模块的电压输入值触发MMC中的子模块的IGBT时，不会损害一次设备。

本实用新型实施例提供一种MMC的谐波电流抑制控制系统，如图6所示，该系统包括：环流抑制控制器、功率或电压外环控制器、电流内环控制器、谐波检测装置以及上文所述的谐波电流抑制控制器，其中：

谐波检测装置与谐波电流抑制控制器连接，用于将从MMC的输出电流中提取的谐波电流和谐波次数K输入至谐波电流抑制控制器；

功率或电压外环控制器与电流内环控制器连接，用于将输出的基波电流输入至电流内环控制器；

谐波电流抑制控制器、环流抑制控制器以及电流内环控制器均与加法器连接、用于将谐波电流抑制控制器输出的第一电压调制量，环流抑制控制器输出的第二电压调制量、电流内环控制器输出的第三电压调制量输入至加法器。

上述的图6中，u_{ham_ref}为谐波电流抑制控制器生成的电压调制量。谐波监测装置是换流站内的装置，负责监测MMC输出电流的谐波分量。当谐波监测装置监测到MMC输出电流i_out的某一特定频率的谐波分量大于某一定值时，则将次谐波电流i_ham和谐波次数K传输给谐波电流抑制控制器，谐波电流抑制控制器对MMC输出电流中的谐波分量进行抑制，达到抑制谐波电流的效果。其中：次谐波电流i_ham和谐波次数K是从MMC输出电流i_out中提取的。

本方案通过在图2中现有的MMC控制架构的基础上，增加谐波电流抑制控制器。谐波电流抑制控制器采用谐波电流DQ轴的PI控制对MMC输出电流中的谐波分量进行抑制。首先，由换流站内的谐波监测装置对MMC输出电流进行监测，若发现某个特定次数的高次谐波电流超过规范要求，则将此谐波电流分量传给谐波电流抑制控制；接着，谐波电流抑制控制对特定次数的谐波电流进行DQ轴分解，得到谐波电流的DQ轴分量；然后，通过独立的DQ轴PI控制将谐波电流的DQ轴分量控制为0；最后，通过反变换将DQ轴调制量转换成ABC三相调制量，得到的谐波电流环ABC三相电压调制量与电流内环和环流抑制控制环得到的调制量相加，得到MMC模块最终的调制信号。

与现有技术相比，本实用新型提出的新的MMC的控制架构，通过增加谐波电流抑制控制器对MMC输出电流中的谐波电流分量进行有效抑制；谐波电流环采用DQ轴独立的PI控制对谐波电流的DQ轴分量进行有效抑制。避免了一次设备受损问题的发生。

通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种MMC的谐波电流抑制控制器，其特征在于，所述控制器包括：锁相环，与所述锁相环连接的第一信号输入端以及乘法器，与所述乘法器连接的限幅器，与所述限幅器连接的PARK变换器、PARK反变换器，与所述PARK变换器连接的第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端以及第一加减法器、第二加减法器，与所述第一加减法器连接第一PI控制器，与所述第二加减法器连接的第二PI控制器，所述第一PI控制器、第二PI控制器均与所述PARK反变换器连接，与所述PARK反变换器连接的第一信号输出端、第二信号输出端以及第三信号输出端。

2.一种MMC的谐波电流抑制控制系统，其特征在于，包括：环流抑制控制器、功率或电压外环控制器、电流内环控制器、谐波检测装置以及权利要求1所述的谐波电流抑制控制器，其中：

所述谐波检测装置与所述谐波电流抑制控制器连接，用于将从MMC的输出电流中提取的谐波电流和谐波次数K输入至所述谐波电流抑制控制器；

所述功率或电压外环控制器与所述电流内环控制器连接，用于将输出的基波电流输入至电流内环控制器；

所述谐波电流抑制控制器、所述环流抑制控制器以及所述电流内环控制器均与加法器连接，用于将所述谐波电流抑制控制器输出的第一电压调制量、所述环流抑制控制器输出的第二电压调制量、所述电流内环控制器输出的第三电压调制量输入至所述加法器。