CN110061644B - 一种针对隔离型mmc桥臂不平衡电流的抑制策略 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略，包括以下步骤：对于任一桥臂，采集桥臂电压，对采集交流输出电流和直流上下桥臂电流，根据隔离型MMC电路的数学模型分别得到桥臂输出电压和桥臂电流；给桥臂各子模块和驱动信号分配初始值；通过做差比较上下桥臂电流工频交流分量关系和电压的直流分量关系，得出该相包含的不平衡电流和电压大小；对子模块当前工作状态进行分析，并利用桥臂输出电压对各子模块的电压预测值进行修正，得到子模块下一时刻的驱动控制信号。本发明的优点是：解决了隔离型模块化***的直流侧包含交流分量问题，降低了功率损耗，在控制***稳定的前提下，实现了装置能量的高效利用和节约了生产制造成本。

Description

一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略
技术领域
本发明涉及一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略。
背景技术
随着电力电子开关器件电压等级和功率等级的大幅提升，应用于大功率场合的高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)受到了工业界和学术界的广泛关注，在国内外发展迅猛。与常规的多电平电压源型变换器相比，隔离型模块化多电平变换器(Isolated Modular Multilevel Converter，I-MMC)具有高度模块化、容易扩展和输出波形谐波含量少的优点，结构上代替了多绕组变压器，减小了装置的体积，节省了成本，同时模块化的***结构也为***的冗余设计带来了便利，多模块串并联的设计方案避免了开关器件的直接串并联，解决了功率器件等级与高压电网***等级间的矛盾，极大地推动了柔性直流输电技术的发展。但是大量的子模块串并联结构也带来了多电压电流传感器的问题，在高压***中，同时满足传感器的电压和精度等级，设计难度极大。一种可以通过一次转换同时实现高压直流端直流输出和高压交流端交流输出的隔离型MMC拓扑结构迎需而出。这种新型拓扑结构相比于传统MMC具有高压侧没有隔离电容、无需辅助多回路控制等优点，但是由于该拓扑子模块中间含有高频变压器，而高频变压器的漏感会导致二次侧电压丢失，进而导致在给各个子模块输出电压中的电压有效值会有不同，进而导致高压直流侧的电压不再是单纯的包含直流分量，而是同时包含了少量的不对称交流分量，这个交流分量会对直流端的负载造成一系列的恶劣影响，还对稳压电容的选取要求进一步扩大，即降低了电能的质量，还降低了经济性。因此解决该问题是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略，解决了隔离型模块化***的直流侧包含交流分量问题，降低了功率损耗，在控制***稳定的前提下，实现了装置能量的高效利用和节约了生产制造成本。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略，包括以下步骤：
1)对于隔离型MMC任一桥臂，采集桥臂电压，对隔离型MMC采集交流输出电流和直流上下桥臂电流，根据隔离型MMC的数学模型分别得到桥臂电压和桥臂电流；
2)给桥臂各子模块和驱动信号分配初始值；
3)通过做差比较上下桥臂电流交流分量关系，得出包含的不平衡电流大小；通过做差比较上下桥臂电压的直流分量关系，得出包含的不平衡直流电压大小；
4)根据各子模块当前时刻的端口值，对子模块当前工作状态进行分析，并利用桥臂电压对各子模块的电压预测值进行修正，得到子模块下一时刻的驱动控制信号。
优选的，所述步骤1包括如下步骤：下面的等式示出了每个子模块的udcL、uui或uli以及每个桥臂的usu或usl之间的关系，如等式所示：
Figure GDA0002585463540000031
udcL为隔离型MMC低压直流端口电压，uui和uli分别为隔离型MMC上下桥臂中的的子模块电压，usu和usl分别为隔离型MMC上下桥臂的总电压，上桥臂中所有模块电压uui之和为usu，下桥臂中所有模块电压uli之和为usl，dui，dli(i＝1,…,n)分别是上下桥臂子模块的等效调制比，kui和kli(i＝1,…,n)分别是上下桥臂子模块的变压器比，假设du＝dui,dl＝dli,k＝kui＝kli(i＝1,…,n)；
上下桥臂电压满足以下条件：
Figure GDA0002585463540000032
VdcH为隔离型MMC高压直流端口电压；vac为隔离型MMC高压交流端口电压；du和dl需要满足以下条件：
Figure GDA0002585463540000033
其中直流调制指数D设置为0.5，交流调制指数da的最大幅度为0.5，以确保du和dl的总值0和1之间以满足子模块的运行条件；
基于上式得出：
Figure GDA0002585463540000034
同时，采集直流母线电流IdcH和交流输出电流iac，得到桥臂的上下桥臂电流满足以下条件：
Figure GDA0002585463540000035
其中Isu为隔离型MMC上桥臂电流，Isl为隔离型MMC下桥臂电流，IdcH包含电流交流分量Ix。
优选的，步骤3)包括以下步骤：
1)通过桥臂电流Isu和Isl，得出桥臂实际不平衡电流，实际不平衡电流包括电流交流分量和电流直流分量；
2)对桥臂不平衡电流进行闭环控制，得到附加不平衡电流调制电压,进而得到对应du和dl的调整值。从而实现对直流侧的电流交流分量抑制。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明针对解决隔离型MMC在交流电压不平衡电压下的直流侧包含的不平衡带来的交流分量，抑制了直流端交流分量波动。
2、本发明基于瞬时功率理论分析，提出并设计了一种基于直接抑制不平衡电流的不平衡控制器。
3、本发明所设计的隔离型MMC控制器原理并不复杂，适用于平衡和不平衡电压下的情况，极大提高了***稳定性。
附图说明
图1为本发明中的单相基于高频链的隔离型模块化级联变换器结构示意图；
图2为本发明的单级式隔离型模块的输出波形图；
图3为本发明中隔离型模块化级联变换器完整控制框图；
图4为本发明中无平衡控制的仿真波形；
图5为本发明中采用平衡控制的仿真波形。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
一种抑制隔离型模块化级联变换器的桥臂间不平衡电流的抑制策略，通过检测各桥臂电压、电流，根据隔离型模块化多电平变换器单相桥臂的数学模型推导出桥臂电压和桥臂电流，对各桥臂电压进行平衡控制，进而抑制了桥臂间的不平衡电流分量起到了平衡模块电压和桥臂不平衡电流控制的双重效果。
本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：
1)通过调节占空比控制对上桥臂电压、下桥臂电压的值使上桥臂电压、下桥臂电压趋向于目标参考值；
2)通过隔离型MMC不平衡电流控制器将不平衡电流的交流分量进行控制；
3)通过做差比较上下桥臂电流交流分量关系，得出包含的不平衡电流大小；通过做差比较上下桥臂电压的直流分量关系，得出包含的不平衡直流电压大小。
Figure GDA0002585463540000051
udcL为隔离型MMC低压直流端口电压，uui和uli分别为隔离型MMC上下桥臂中的的子模块电压，usu和usl分别为隔离型MMC上下桥臂的总电压，上桥臂中所有模块电压uui之和为usu，下桥臂中所有模块电压uli之和为usl，dui，dli(i＝1,…,n)是各个模块的等效调制比，kui和kli(i＝1,…,n)是各模块的变压器比，一般可假设du＝dui,dl＝dli,k＝kui＝kli(i＝1,…,n)。
上下桥臂电压满足以下条件：
Figure GDA0002585463540000061
VdcH为隔离型MMC高压直流端口电压；vac为隔离型MMC高压交流端口电压；
du和dl需要满足以下条件
Figure GDA0002585463540000062
其中直流调制指数D设置为0.5，交流调制指数da的最大幅度为0.5，以确保du和dl的总值在0和1之间以满足子模块的运行条件，其中上ω为交流分量的基准电角频率、t为时间，θ为交流分量对应的相位；
基于上式可以得出：
Figure GDA0002585463540000063
同时，采集直流母线电流IdcH和交流输出电流Iac，得到每个桥臂的上下桥臂电流满足以下条件：
Figure GDA0002585463540000064
其中Isu为隔离型MMC上桥臂电流，Isl为隔离型MMC下桥臂电流，IdcH包含电流交流分量Ix。
步骤3)包括以下步骤：
1)通过桥臂电流Isu和Isl，得出桥臂实际不平衡电流，实际不平衡电流包括电流交流分量和电流直流分量；
2)对桥臂不平衡电流进行闭环控制，得到附加不平衡电流调制电压,进而得到对应du和dl的调整值。从而实现对直流侧的电流交流分量抑制。
步骤4：据各子模块当前时刻的端口值，对子模块当前工作状态进行分析，并利用桥臂电压对各子模块的电压预测值进行修正，得到子模块下一时刻的驱动控制信号，进而实现对直流侧的不平衡电流抑制。
图1、图2为本不平衡电流抑制策略的对象单级式高频隔离型模块化多电平变换器，在高压侧的子模块终端由受控电压源vui或vli(i＝1,…,n)表示，建立的混合AC和DC调制比如下式所示：
Figure GDA0002585463540000071
子模块的高压侧端的瞬时输出功率由两部分组成：PHVACu(l)i和PHVDCu(l)i。
在传统的MMC中均为零，这意味着，子模块直流侧的功率到HV交流侧完全等于HV交流侧的功率到子模块交流侧。在单相支路中子模块在的总功率波动被转移到公共直流侧，并由公共电容器缓冲，这与由子模块的各个电容器所缓冲的MMC不同。桥臂电压和桥臂电流的表达式如下：
Figure GDA0002585463540000072
Figure GDA0002585463540000073
不平衡电流的交流分量，即桥臂不平衡电流，需要被抑制为零，对不平衡电流分量直接控制；所设计的控制器如下：
不同子模块之间的高频隔离变压器的参数误差会引起稳定性问题，例如臂之间的电压不平衡和循环电流。然而，与传统的MMC结构相比，所有子模块的次级侧电压都基于相同的VdcL，目前的制造工艺可以保证子模块在同一臂中的电压误差在合理的范围内，不需要子模块电压平衡控制。虽然两个臂之间的电压误差会导致臂电压不平衡，但是臂电压的平衡可以通过附加的辅助控制来实现，比传统的MMC结构更简单。
如图3所示，整个控制策略包括两部分：平衡控制策略和混合调制策略。将桥臂电流ial和iau的AC分量作为PR控制器的输入量。上桥臂的交流调制比dau等于交流调制dac减去PR控制器dma的输出，而下桥臂的交流调制比dal等于dac加上dma。当变量超过0时，dau减小，否则dau增加，dal的变化正好相反。Vdcu和Vdcl的直流分量之间的差值是PI控制器的输入项。当Vdcu的直流分量大于Vdcl时，PI控制Dmd的输出值为正，否则Dmd为负。DDU等于D减去Dmd，DDL等于D加Dmd。上臂和下臂的混合调制变量是du和dl。
为了验证辅助电压平衡控制的有效性，建立了该结构的仿真模型。在上臂中，一个子模块的变压器匝数比与其他的不同。图4和图5分别显示了无辅助平衡控制和有辅助平衡控制的结果。显然，如图4所示，上臂和下臂之间存在不平衡的电压和循环电流，同时VdcH是波动的。图5示出了在平衡控制下的不平衡结构时的波形。辅助控制策略可以有效地平衡臂电压，减少不平衡电流。VDCH的波动明显减小。
结果表明，本文提出的控制方法克服了该缺点，不平衡电流控制抑制效果显著，同时有效地抑制了***有功功率的波动。
以上所述仅为本发明的具体实施例，但本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (2)

1.一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略，其特征在于：包括以下步骤：
1)对于隔离型MMC任一桥臂，采集桥臂电压，对隔离型MMC采集交流输出电流和直流上下桥臂电流，根据隔离型MMC的数学模型分别得到桥臂电压和桥臂电流，具体包括如下步骤：下面的等式示出了每个子模块的udcL、uui或uli以及每个桥臂的usu或usl之间的关系，如等式所示：
Figure FDA0002585463530000011
udcL为隔离型MMC低压直流端口电压，uui和uli分别为隔离型MMC上下桥臂中的子模块电压，usu和usl分别为隔离型MMC上下桥臂的总电压，上桥臂中所有模块电压uui之和为usu，下桥臂中所有模块电压uli之和为usl，dui，dli(i＝1,…,n)分别是上下桥臂子模块的等效调制比，kui和kli(i＝1,…,n)分别是上下桥臂子模块的变压器比，假设du＝dui,dl＝dli,k＝kui＝kli(i＝1,…,n)；
上下桥臂电压满足以下条件：
Figure FDA0002585463530000012
VdcH为隔离型MMC高压直流端口电压；vac为隔离型MMC高压交流端口电压；
du和dl需要满足以下条件：
Figure FDA0002585463530000021
其中直流调制指数D设置为0.5，交流调制指数da的最大幅度为0.5，以确保du和dl的总值在0和1之间以满足子模块的运行条件，其中上ω为交流分量的基准电角频率、t为时间，θ为交流分量对应的相位；
基于上式得出：
Figure FDA0002585463530000022
同时，采集直流母线电流IdcH和交流输出电流iac，得到桥臂的上下桥臂电流满足以下条件：
Figure FDA0002585463530000023
其中Isu为隔离型MMC上桥臂电流，Isl为隔离型MMC下桥臂电流，IdcH包含电流交流分量Ix；
2)给桥臂各子模块和驱动信号分配初始值；
3)通过做差比较上下桥臂电流交流分量关系，得出包含的不平衡电流大小；通过做差比较上下桥臂电压的直流分量关系，得出包含的不平衡直流电压大小；
4)根据各子模块当前时刻的端口值，对子模块当前工作状态进行分析，并利用桥臂电压对各子模块的电压预测值进行修正，得到子模块下一时刻的驱动控制信号。
2.如权利要求1所述的一种针对隔离型MMC桥臂不平衡电流的抑制策略，其特征在于：
步骤3)包括以下步骤：
1)通过桥臂电流Isu和Isl，得出桥臂实际不平衡电流，实际不平衡电流包括电流交流分量和电流直流分量；
2)对桥臂不平衡电流进行闭环控制，得到附加不平衡电流调制电压,进而得到对应du和dl的调整值，从而实现对直流侧的电流交流分量抑制。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104811067A (zh) * 2015-04-30 2015-07-29 山东大学 基于pr控制器的mmc-hvdc环流抑制方法
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