CN104393780B - 全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种全桥MMC子模块电压控制方法,包括步骤:A.预设全桥MMC直流电压给定值和无功功率给定值;B.测量直流电压udc和各相交流电压ua和电流ia,从所述ua中获取电压幅值us和相位;对ia和相位进行派克变换得到idg和iqg;C.设置权重系数aij,将Σaij(udci‑udcj)值与相加后减去udc,然后经过外环比例积分环节后的输出减去idg,其差值经内环比例积分环节后与us/n相加,得到udgi,其中udci和udcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压;D.测量的无功功率,与无功功率之差经过外环比例积分环节后的输出减去iqg,其差值经内环比例积分环节,得到uqgi;E.对udgi和uqgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量uagi,并依此控制该子模块的四个开关。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备领域,特别涉及一种电力电子设备中各功率开关器件的控制技术。
背景技术
随着电力电子技术的迅速发展,单个功率开关器件的耐压和功率等级都得到了大幅提高,各种大功率开关器件的应用也日益广泛。但在许多高压大功率应用领域,传统的两电平、三电平电压源型变换器拓扑已无法满足更高电压和功率等级的要求。在功率开关器件没有本质突破的前提下,多电平变换器无疑是解决高压大功率变换的最好选择。为了在提升电力电子装置容量的同时改善其性能,人们对大功率多电平变换器的电路拓扑和控制技术进行了研究。
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC),由于具有公共的直流母线,MMC可实现在逆变或整流工况下运行,应用领域很广。MMC子模块拓扑结构有多种,其中最常见的为全桥单元和全桥单元并联直流电容结构。当子模块拓扑结构为全桥单元并联直流电容结构时,每个子模块输出为0和正电平。全桥MMC每相由上、下2个桥臂构成,每桥臂含n个子模块,即每相由n个子模块构成,MMC输出相电压为4n-1个电平,且可以实现四象限运行。每个桥臂的子模块可以进行独立的有选择的控制,从而每个桥臂可以等效为一个可控电压源,通过调节每个桥臂电压的变化率,就可以在输出端得到所需正弦电压,波形较好,子模块数量越多,输出电压波形越好,但成本也增加。
由于全桥MMC中每相的每个桥臂子模块众多,而各子模块开关动作可能不一致,导致子模块直流电容电压不均衡,这样致使全桥MMC输出电压波形畸变量增大,影响全桥MMC输出电压波形的质量,偏差严重的话将损坏子模块。
此外,电网发生不对称故障时,更加引起直流电容电压畸变,影响整个装置的安全运行水平。
发明内容
鉴于此,本发明的目的在于避免全桥MMC中各子模块开关动作不一致时引发的全桥MMC输出电压波形畸变量增大的问题,提高全桥MMC输出电压波形的质量。
为了实现此目的,本发明采取的技术方案为如下。
一种全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,包括以下步骤:A.预设直流电压给定值和无功功率给定值B.测量直流电压udc和每相交流电压ua和电流ia,从所述ua中获取电压幅值us和相位;对ia和相位进行派克变换得到idg和iqg;C.设置权重系数aij,将Σaij(udci-udcj)值与相加后减去udc,然后经过外环比例积分环节后的输出减去idg,其差值经内环比例积分环节后与us/n相加得到udgi,其中udci和udcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压;D.测量的无功功率,与与无功功率之差经过外环比例积分环节后的输出减去iqg,其差值经内环比例积分环节,得到uqgi;E.对udgi和uqgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量uagi,以控制量uagi控制所述子模块四个开关,所述四个开关组成两个桥臂,各桥臂的两个开关互相反锁,2组桥臂之间的信号相反。
其中,所述权重系数aij=(udci-udcj)/Σ(udci-udcj)。
或者以各子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标:
Σminaij(udci-udcj)2,
约束条件为:
ua+ub+uc=0,
确定最优值对应的aij为权重系数。
其中,所述内环比例积分环节的参数为:1<比例系数<10,0.1<积分系数<1。所述外环比例积分环节的参数为:0.2<比例系数<1,0.01<积分系数<0.1。
另一方面,当电网发生不对称故障时,进一步包括:
对每相的交流电压进行αβ坐标变换,得到对应的αβ分量,通过比例积分反馈控制及双重积分的反馈控制,得到第一组分量;同时将该分量与系数q相乘,得到第二组分量;由这2组分量计算出αβ的正负序分量,对子模块进行正负序分量分别控制;
其中q表达式如下:
q=Q0+Qc2cos(2ωt)+Qs2sin(2ωt)
Q0为电网的基波无功分量,Qc2、Qs2为无功的二次分量,ω为角频率。
通过采用本发明的全桥MMC子模块电压控制方法,能够使得各子模块开关动作一致,由此提高了全桥MMC输出电压波形的质量。同时,全桥MMC子模块直流电容电压的平衡,延长了子模块的使用寿命。因此,不仅提高了整体全桥MMC装置的性能,而且提高了整体全桥MMC装置的安全运行水平。
另一方面,通过采用本发明的全桥MMC子模块电压控制方法,能够在电网发生不对称故障时,避免引起直流电容电压的畸变,进而提高整个装置的安全运行水平。
附图说明
图1是本发明实施方式全桥MMC装置的电路示意图。
图2是本发明实施方式全桥MMC子模块电压控制的示意图。
图3是本发明另一实施方式全桥MMC子模块电压控制的示意图。
图4是本发明实施方式的全桥MMC装置的输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明作详细说明。
以下公开详细的示范实施例。然而,此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。
然而,应该理解,本发明不局限于公开的具体示范实施例,而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中,相同的附图标记表示相同的元件。
同时应该理解,如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解,当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时,它可以直接连接或耦接到其他部件或单元,或者也可以存在中间部件或单元。此外,用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如,“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。
如图1所示,本发明所述的全桥MMC由3相组成,每相包含上下2个桥臂,每个桥臂由n个子模块和一个控制器组成,每个子模块由4个全控开关器件及反并联二极管构成的H桥组成;所述子模块的直流母线正极与对应的子模块直流电容的正极相连,所述子模块的直流母线负极与对应的子模块直流电容的负极相连,所述子模块的输出端两两相串连,MMC上桥臂的最上层子模块的上面一端与MMC直流母线相连,MMC上桥臂的最下层子模块的下面一端与滤波电感相连,滤波电感的另一端与MMC该相交流输出端相连;所述子模块的控制端与控制器对应的信号控制端相连,所述MMC的交流输出端与所述的控制器对应的交流电压信号输入端相连。
因此,本发明的全桥MMC子模块电压控制方法包括以下步骤:
A.预设直流电压给定值和无功功率给定值所述给定值根据***要求确定;
B.测量直流电压udc和每相交流电压ua和电流ia,从所述ua中获取电压幅值us和相位;对ia和相位进行派克变换得到idg和iqg;
C.设置权重系数aij,所述权重系数0<aij<1,将Σaij(udci-udcj)值与相加后减去udc,然后经过外环比例积分环节后的输出减去idg,其差值经内环比例积分环节后与us/n相加得到udgi,其中udci和udcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压;
D.测量的无功功率,与之差经过外环比例积分环节后的输出与iqg做比较,其差值经内环比例积分环节,得到uqgi;
E.对udgi和uqgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量uagi,并依此控制该子模块的四个开关。具体而言,全桥子模块由4个开关Ti1、Ti2、Ti3、Ti4分成2组桥臂组成,每组桥臂包含上下2个开关,即Ti1、Ti3组成一组桥臂,Ti2、Ti4组成一组桥臂;同组的2个开关的控制信号互相反锁,即Ti1、Ti3互锁,Ti2、Ti4互锁,上桥臂开关开通时下桥臂开关闭锁,下桥臂开关开通时上桥臂开关闭锁;2组桥臂之间的信号互相相反,即Ti1和Ti4信号相同,Ti3和Ti2信号相同;因此,1个子模块控制量uagi可以控制全桥4开关,Ti1和Ti4导通时,子模块输出正电平,Ti3和Ti2导通时,输出负电平。
通过对各子模块直流电容电压差进行动态感知,有效抑制了子模块直流电容电压的动态差异。因此使得各子模块开关动作一致,由此提高了全桥MMC输出电压波形的质量。
作为本发明的一个实施例,确定权重系数为aij=(udci-udcj)/Σ(udci-udcj),这样能够具体化各个子模块的差异,因此进一步提高了输出电压波形的质量。
作为本发明的另一个实施例,确定权重系数的方法为:
以各子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标:
Σminaij(udci-udcj)2,
约束条件为:
ua+ub+uc=0,
确定最优值对应的aij为权重系数。
确定最优值的方法可以是常用的各种优化方法,本领域内技术人员一般都能熟知目标确定后的优化途径。
该实施方式中,采取子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标,能够使开关器件运行在最佳状态。
作为本发明的一个实施方式,所述内环比例积分环节的参数为:1<比例系数<10,0.1<积分系数<1;而所述外环比例积分环节的参数为:0.2<比例系数<1,0.01<积分系数<0.1。
另外,为了在电网发生不对称故障时,避免引起直流电容电压的畸变,进而提高整个装置的安全运行水平,本发明的另一实施方式中,当电网发生不对称故障时,进一步包括:
对每相的交流电压进行αβ坐标变换,得到对应的αβ分量,通过比例积分反馈控制及双重积分的反馈控制,得到第一组分量;同时将该分量与系数q相乘,得到第二组分量;由这2组分量计算出αβ的正负序分量,对子模块进行正负序分量分别控制;
其中q表达式如下:
q=Q0+Qc2cos(2ωt)+Qs2sin(2ωt)
P0、Q0为分别为电网的基波有功、无功分量,Qc2、Qs2为无功的二次分量。具体表示为:
其中和分别为电压的d、q轴分量的正负序分量。
通过采用本发明的全桥MMC子模块电压控制方法,能够使得各子模块开关动作一致,由此提高了全桥MMC输出电压波形的质量。本发明全桥MMC装置输出的电压波形如图4所示,从图4中可以看出,电压波形平缓、畸变小、电能质量高。
需要说明的是,上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案,不能将其理解为对本发明保护范围的限制,在未脱离本发明构思前提下,对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,包括以下步骤:
A.预设模块化多电平变换器输入直流电压给定值和无功功率给定值
B.测量模块化多电平变换器输入直流电压udc、子模块直流电压和每相交流电压和交流电流,从所述每相交流电压中获取电压幅值us和相位;对交流电流和相位进行派克变换得到idg和iqg;
C.设置权重系数aij,将∑aij(udci-udcj)值与相加后减去udc,然后经过外环比例积分环节后的输出减去idg,其差值经内环比例积分环节后与us/n相加得到udgi,其中udci和udcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压;
D.测量无功功率,与无功功率之差经过外环比例积分环节后的输出减iqg,其差值经内环比例积分环节,得到uqgi;
E.对udgi和uqgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量uagi,以控制量uagi控制所述子模块四个开关,所述四个开关组成两个桥臂,各桥臂的两个开关互相反锁,2组桥臂之间的信号相反。
2.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,其特征在于,所述权重系数aij=(udci-udcj)/∑(udci-udcj)。
3.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,其特征在于,以各子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标:
∑minaij(udci-udcj)2,
约束条件为:
ua+ub+uc=0,
确定最优值对应的aij为权重系数。
4.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,其特征在于,所述内环比例积分环节的参数为:1<比例系数<10,0.1<积分系数<1。
5.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,其特征在于,所述外环比例积分环节的参数为:0.2<比例系数<1,0.01<积分系数<0.1。
6.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法,其特征在于,当电网发生不对称故障时,进一步包括:
对每相的交流电压进行αβ坐标变换,得到对应的αβ分量,通过比例积分反馈控制及双重积分的反馈控制,得到第一组分量;同时将该分量与系数q相乘,得到第二组分量;由这2组分量计算出αβ的正负序分量,对子模块进行正负序分量分别控制;
其中q表达式如下:
q=Q0+Qc2cos(2ωt)+Qs2sin(2ωt),
Q0为电网的基波无功分量,Qc2、Qs2为无功的二次分量,ω为角频率。
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