TWI530082B - 可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法 - Google Patents

可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法 Download PDF

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Description

可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法
本發明係有關於一種可允許電感值變化之三相模組化多階換流器  電流控制方法，尤指涉及一種電子電路控制方法，特別係指適用於模組化多階換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構之分切合整（Division-Summation, D-Σ）控制方法者。
作為新興高壓多階換流器結構，模組化多階換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）可共用直流側電壓、模組化設計、開關頻率與開關應力低、及低諧波失真等優點，而在高壓直流供電、虛功補償、電機驅動、及風機低電壓穿越等應用領域中都有更深入之研究。其中，MMC之電流控制方法更為熱門研究課題。
傳統之MMC電流控制方法中，一般係將兩多階換流器之直接電流 控制方法移植到MMC中，即通過對MMC在abc三相之數學模型進行abc轉dq向量轉換，從而得到d軸與q軸所對應之電流控制方法（Zhao Yan; Hu Xue-hao; Tang Guang-fu; He Zhi-yuan, "A study on MMC model and its current control strategies," Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), 2010 2nd IEEE International Symposium on, vol., no., pp.259,264, 16-18 June 2010.）。在實際工程應用中，當MMC各臂電感流過之電流產生變化時，而電感之感值也會隨電流發生明顯變化。在這種情況下進行abc-dq轉換並未考慮電感值變化，因此當採用d-q軸轉換時直接電流控制方法將會造成電流控制上之誤差。
為解決電感值大範圍變化影響電流控制準確性之問題，文獻1（Wu   T F, Chang C H, Lin L C, et al. A D-Σ Digital Control for Three-Phase Inverter to Achieve Active and Reactive Power Injection[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2014, 31(8): 3879-3890.）、文獻2（Wu T F, Chang C H, Lin L C, et al. Two-Phase Modulated Digital Control for Three-Phase Bidirectional Inverter With Wide Inductance Variation[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2013, 28(4): 1598-1607.）、以及文獻3（Wu T F, Sun K H, Kuo C L, et al. Predictive current controlled 5-kW single-phase bidirectional inverter with wide inductance variation for dc-microgrid applications[J]. Power Electronics, IEEE Transactions on, 2010, 25(12): 3076-3084.）係針對單相、三相換流器（兩階換流器）提出了分切合整（Division-Summation, D-Σ）控制方法，此方法在考慮電感值隨電流變化之特性下，建立了兩階換流器之數學模型並通過分切、合整之方式得到了每臂開關所對應之責任週期比，且可以得到良好之控制效果。但相對於兩階換流器，MMC架構更為複雜，其數學模型與兩階換流器存在許多差異，若直接將兩階換流器之D-Σ控制方法使用至MMC中，則需要採用繁瑣之多階空間相量調變方法，這將大大增加處理器之存儲量與運算量。
鑑於現有多階換流器，當電感值隨電流過電感而產生大幅度變化 時，採用傳統之d-q軸轉換控制方法中因無法考慮電感值變化，故存在補償誤差，使得市電電流受到電感值大範圍變化之影響容易產生振盪，進而導致嚴重失真。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。
本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提 供一種適用於模組化多階換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構之分切合整（Division-Summation, D-Σ）控制方法之可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法。
本發明之次要目的係在於，提供一種包含隨電流變化之電感值， 且藉由在單晶片中建表之方式，來達成對電感值對應電流變化之計算，並利用在中間之運算有考慮到電感之變化量，因此可快速調節迴路增益，改善因電感值大範圍變化所引起之市電電流失真，從而降低總諧波失真，而且本發明不需要進行坐標變換、扇區判斷，可直接根據特徵方程式計算各臂導通模組數，具有流程簡單，計算量小，且易於數位控制方式實現等功效之可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法。
為達以上之目的，本發明係一種三相模組化多階換流器電流控制 方法，執行於一三相模組化多階換流器電流控制裝置內，該三相模組化多階換流器電流控制裝置用以控制一三相模組化多階換流器，且該三相模組化多階換流器具有數個分別位於不同相位之上橋臂電感值及下橋臂電感值，該多相模組化多階換流器之電流控制方法包含下列步驟： （Ａ）該三相模組化多階換流器其三相市電側之三相電流之參考電流係基頻之正弦函^!F2DF#，通過一電壓回授電路及一電流回授電路得到市電側之回授電壓與回授電流後，將分別代表該三相模組化多階換流器之三相市電側在下一控制週期之參考電流與目前控制週期（T）之回授電流相減而得到市電側電流在目前控制週期內之一電感電流變化量，並透過每一上、下橋臂電感值隨電流之變化情況列表存入一單晶片中，以將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值；（Ｂ）利用分切合整數位控制法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數平均值；（Ｃ）依據子模組統一脈寬調變方法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數之變化規律；以及（Ｄ）依據基於排序之子模組電容均壓算法，計算得到目前控制週期內每一子模組中所有開關所對應之責任週期比；其中該三相模組化多階換流器依據每一子模組中所有開關之責任週期比將電力在該直流側與該三相市電側之間轉換。
於本發明上述實施例中，該三相模組化多階換流器電流控制裝置 係包括：一驅動電路用以驅動該三相模組化多階換流器；一電流回授電路，用以接收該三相模組化多階換流器之一三相市電側之電流，並據以產生一回授電流；一電壓回授電路，用以接收該三相模組化多階換流器之三相市電側之電壓，並據以產生一回授電壓，同時接收該三相模組化多階換流器之直流側之電壓；以及一單晶片，其電性連接該驅動電路、該電流回授電路、及該電壓回授電路，係接收該三相市電側之回授電流、該回授電壓以及該直流側之電壓，用以將分別代表該三相模組化多階換流器之三相市電側在下一控制週期之參考電流與目前控制週期（T）之回授電流相減而得到市電側電流在目前控制週期內之一電感電流變化量，並透過每一上、下橋臂電感值隨電流之變化情況列表存入該單晶片中，以將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值，然後利用分切合整數位控制法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數平均值，再依據子模組統一脈寬調變方法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數之變化規律，最後依據基於排序之子模組電容均壓算法，計算得到目前控制週期內每一子模組中所有開關所對應之責任週期比；其中該三相模組化多階換流器依據每一子模組中所有開關之責任週期比將電力在該直流側與該三相市電側之間轉換。
請參閱『第１圖～第５圖』所示，係分別為本發明之三相模組化 多階換流器電流控制裝置之系統等效電路及控制方塊圖、本發明三相模組化多階換流器之子模組電路圖、本發明實施例之基於分切合整之三相模組化多階換流器電流控制流程圖、本發明之三相模組化多階換流器電流控制方法在 S 域之控制方塊圖、以及本發明在一控制週期內某一橋臂導通之子模組數之變化規律示意圖。如圖所示：本發明係一種可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法，執行於一三相模組化多階換流器電流控制裝置１內，用以控制三相模組化多階換流器，該三相模組化多階換流器電流控制裝置１包括一三相模組化多階換流器１１、一市電網路１２、一單晶片１３、一電流回授電路１４、一電壓回授電路１５、以及一驅動電路１６所構成。
上述所提之三相模組化多階換流器１１係具有數個分別位於不同 相位之上橋臂電感值及下橋臂電感值。
該市電網路１２與該三相模組化多階換流器１１電性連接，用以 接收該三相模組化多階換流器１１轉換輸出之電流。
該單晶片１３與該驅動電路１６、該電流回授電路１４、及該電 壓回授電路１５電性連接。
該電流回授電路１４與該市電網路１２、及該單晶片１３電性連 接，用以接收市電網路１２輸出之電流，並據以產生一回授電流。
該電壓回授電路１５與該三相模組化多階換流器１１、該市電網 路１２、及該單晶片１３電性連接，用以接收該市電網路１２輸出之電壓，並據以產生一回授電壓，同時接收該三相模組化多階換流器１１之直流側之電壓。
該驅動電路１６與該三相模組化多階換流器１１、及該單晶片 １３電性連接，用以驅動該三相模組化多階換流器１１。
當運用時，本發明所提多相模組化多階換流器之電流控制方法包 含有： 步驟S10，該三相模組化多階換流器１１之一三相市電側之三相電流（i a、i b、i c），根據公式一，可計算得參考電流（i aref、i bref、i cref），為基頻之正弦函^!F2DF#。通過適當之電壓回授電路１５及電流回授電路１４得到市電側之回授電壓（u ab、u bc、u ca）與回授電流（i a、i b、i c）後，根據公式二，將分別代表該三相模組化多階換流器１１之三相市電側在下一控制週期之參考電流與目前控制週期（T）之回授電流相減而得到市電側電流在目前控制週期內之一電感電流變化量（Δi a、Δi b、Δi c）。其中，當電感值隨電流過電感而產生大幅度變化時，為實現電流之精準控制，係考量電感值之變化，通過離線測量，可以將每一上、下橋臂電感值（L ap、L bp、Lcp、L an、L bn、L cn）隨電流之變化情況列表存入該單晶片１３中，根據公式三，將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值（L a、L b、L c）。 公式一 其中i a(k)、i b(k)、i c(k)為a、b、c相併網參考電流在目前控制週期內之取樣值，其幅值為I M。 公式二 其中i aref(k+1)、i bref(k+1)、i cref(k+1)為a、b、c相併網參考電流在下一控制週期內之採樣值；以及i a、i b、i c為a、b、c相併網電流在目前控制週期內之回授值；Δi a、Δi b、Δi c為a、b、c相併網電流需追蹤之偏差值。 公式三 其中L a、L b、L c分別為a、b、c相等效電感；L ap、L bp、L cp分別為a、b、c相上橋臂電感；以及L an、L bn、L cn分別為a、b、c相下橋臂電感。 步驟S11，根據公式四，利用分切合整數位控制法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數平均值。 對於三相上橋臂 對於三相下橋臂 公式四 其中N ap、N bp、N cp各為a、b、c相上橋臂導通子模組數；N an、N bn、N cn各為a、b、c相下橋臂導通子模組數； N為橋臂子模組總數； u ab、u bc各為ab、bc相間市電線電壓，且u ab= u ao–u bo，u bc=u bo–u co，而u ao、u bo各為a、b相電網電壓在目前控制週期內之回授值； U c為子模組電容額定電壓；以及T為控制週期時間長度。 步驟S12，根據公式五，依據子模組統一脈寬調變方法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數之變化規律，如第５圖所示。 對於三相上橋臂 對於三相下橋臂 公式五 其中floor(x)函數為向下取整數，即取不大於參數x之最大整數。 步驟S13，最後，依據基於排序之子模組電容均壓算法，計算 得到目前控制週期內每一子模組中所有開關所對應之責任週期比，俾以實現三相模組化多階換流器之控制；其中該三相模組化多階換流器依據每一子模組中所有開關之責任週期比將電力在該直流側與該三相市電側之間轉換。如是，藉由上述揭露之流程構成一全新之可允許電感值變化之三相模組化多階換流器電流控制方法。
如第４圖所示，其傳統方法基於d-q軸轉換對電流進行控制，而本 方法則在透過回授電路獲得電壓、電流之回授值後，直接在abc坐標系下進行控制。
第５圖表示在目前控制週期內，其中一臂（x相k臂，x=a、b、c） 導通之子模組數（N xk）之變化規律。該橋臂投入之子模組數在目前控制週期內變化兩次，在時刻t xk1由N xk0變為N xk0+1，在時刻t xk2則由N xk0+1變為N xk0。
請參閱『第６圖』所示，係本發明模擬市電併聯模式下市電電流 及A相市電電壓波形示意圖。如圖所示：本發明在考慮電感值大範圍變化之條件下，採用PSCAD/EMTDC軟體模擬當電感參數隨電流大範圍變化時（模擬條件如表一所示），三相模組化多階換流器輸出到市電側之市電電流（i a、i b、i c）及A相市電電壓波形，其中電流單位為kA，電壓單位為 100V，時間單位為s。在採用傳統之d-q軸轉換控制方法時，市電電流（i a、i b、i c）受到電感值大範圍變化的影響而嚴重失真，如第５圖（a）所示，總諧波失真為17.2%。而在採用本發明方法之分切合整電流控制機制下，如第５圖（b）所示，市電電流（i a、i b、i c）為良好之弦波，其總諧波失真下降為1.4%，證明本方法可以在電感值大幅度變化時可有效控制市電電流，且改善電網電流諧波。   表一 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="_0004"><TBODY><tr><td> 參量 </td><td> 參數 </td></tr><tr><td> 子模組電容C<sub>0</sub></td><td> 5000 μF </td></tr><tr><td> 橋臂子模組數N </td><td> 8 </td></tr><tr><td> 交流側相電壓幅值U<sub>m</sub></td><td> 3.266 kV </td></tr><tr><td> 直流側電壓U<sub>dc</sub></td><td> 2 kV </td></tr><tr><td> 控制週期T </td><td> 0.0002 <i>s</i></td></tr><tr><td> 電感參數波動範圍 </td><td> 4-10mH </td></tr><tr><td> 採用d-q解耦控制時電流諧波失真 </td><td> 0.172 </td></tr><tr><td> 採用分切合整控制時電流諧波失真 </td><td> 0.014 </td></tr></TBODY></TABLE>
本發明提出一全新之可允許電感值變化之三相模組化多階換流器   電流控制方法，其是適用於模組化多階換流器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構之分切合整（Division-Summation, D-Σ）控制方法。該控制方法採用積分方式代替分切與合整兩個步驟之運算，且獲得在所有區間內通用之分切合整特徵方程式，在控制特徵方程式中考量電感值變化，將換流器控制為電流源，使得換流器電流能夠在電感值變化較大時也可精確追蹤至正弦波參考電流；調變方式與電容電壓平衡方法上分別採用子模組統一脈寬調變方法與排序均壓算法，可通過控制演算法直接求出各橋臂導通模組數之變化規律，不需要進行複雜之扇區判斷與查表運算，可使處理器之運算量與存儲量相對減小許多。
綜上所述，本發明係一種可允許電感值變化之三相模組化多階換 流器電流控制方法，可有效改善習用之種種缺點，本方法包含隨電流變化之電感值，且藉由在單晶片中建表之方式，來達成對電感值對應電流變化之計算，並利用在中間之運算有考慮到電感之變化量，因此可快速調節迴路增益，改善因電感值大範圍變化所引起之市電電流失真，從而降低總諧波失真，而且本發明不需要進行坐標變換、扇區判斷，可直接根據特徵方程式計算各臂導通模組數，具有流程簡單，計算量小，且易於數位控制方式實現之功效，進而使本發明之□生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定 本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
三相模組化多階換流器電流控制裝置
１１‧‧‧三相模組化多階換流器
１２‧‧‧市電網路
１３‧‧‧單晶片
１４‧‧‧電流回授電路
１５‧‧‧電壓回授電路
１６‧‧‧驅動電路
S10～S13‧‧‧步驟
第１圖，係本發明之三相模組化多階換流器電流控制裝置之系統 等效電路及控制方塊圖。 第２圖，本發明三相模組化多階換流器之子模組電路圖 第３圖，係本發明實施例之基於分切合整之三相模組化多階換流器電流控制流程圖。 第４圖，係本發明之三相模組化多階換流器電流控制方法在 S 域之控制方塊圖。 第５圖，係本發明在一控制週期內某一橋臂導通之子模組數之變化規律示意圖。 第６圖，係本發明模擬市電併聯模式下市電電流及A相市電電壓波形示意圖。
三相模組化多階換流器電流控制裝置
11‧‧‧三相模組化多階換流器
12‧‧‧市電網路
13‧‧‧單晶片
14‧‧‧電流回授電路
15‧‧‧電壓回授電路
16‧‧‧驅動電路

Claims (4)

  1. 一種三相模組化多階換流器電流控制方法，執行於一三相模組化   多階換流器電流控制裝置內，該三相模組化多階換流器電流控制裝置用以控制一三相模組化多階換流器，且該三相模組化多階換流器具有數個分別位於不同相位之上橋臂電感值及下橋臂電感值，該多相模組化多階換流器之電流控制方法包含下列步驟： （Ａ）該三相模組化多階換流器其三相市電側之三相電流之參考電流係基頻之正弦函^!F2DF#，通過一電壓回授電路及一電流回授電路得到市電側之回授電壓與回授電流後，將分別代表該三相模組化多階換流器之三相市電側在下一控制週期之參考電流與目前控制週期（T）之回授電流相減而得到市電側電流在目前控制週期內之一電感電流變化量，並透過每一上、下橋臂電感值隨電流之變化情況列表存入一單晶片中，以將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值； （Ｂ）利用分切合整數位控制法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數平均值； （Ｃ）依據子模組統一脈寬調變方法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數之變化規律；以及 （Ｄ）依據基於排序之子模組電容均壓算法，計算得到目前控制週期內每一子模組中所有開關所對應之責任週期比，並返回步驟（Ａ）。
  2. 依申請專利範圍第１項所述之三相模組化多階換流器電流控制方   法，其中，該步驟（Ａ）將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值之方式係將每一上、下橋臂電感值代入下列方程式： ， 其中L a、L b、L c分別為a、b、c相等效電感；L ap、L bp、L cp分別為a、b、c相上橋臂電感；以及L an、L bn、L cn分別為a、b、c相下橋臂電感。
  3. 一種三相模組化多階換流器電流控制裝置，係用以控制一三相模 組化多階換流器，且該三相模組化多階換流器具有數個分別位於不同相位之上橋臂電感值及下橋臂電感值，該三相模組化多階換流器電流控制裝置包括： 一驅動電路用以驅動該三相模組化多階換流器； 一電流回授電路，用以接收該三相模組化多階換流器之一三相市電側之電流，並據以產生一回授電流； 一電壓回授電路，用以接收該三相模組化多階換流器之三相市電側之電壓，並據以產生一回授電壓，同時接收該三相模組化多階換流器之直流側之電壓；以及 一單晶片，其電性連接該驅動電路、該電流回授電路、及該電壓回授電路，係接收該三相市電側之回授電流、該回授電壓以及該直流側之電壓，用以將分別代表該三相模組化多階換流器之三相市電側在下一控制週期之參考電流與目前控制週期（T）之回授電流相減而得到市電側電流在目前控制週期內之一電感電流變化量，並透過每一上、下橋臂電感值隨電流之變化情況列表存入該單晶片中，以將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值，然後利用分切合整數位控制法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數平均值，再依據子模組統一脈寬調變方法，計算得到每一上、下橋臂在目前控制週期內導通之子模組數之變化規律，最後依據基於排序之子模組電容均壓算法，計算得到目前控制週期內每一子模組中所有開關所對應之責任週期比；其中該三相模組化多階換流器依據每一子模組中所有開關之責任週期比將電力在該直流側與該三相市電側之間轉換。
  4. 依申請專利範圍第１項所述之三相模組化多階換流器電流控制裝 置，其中，該單晶片將各相電感值經計算後等效至市電側時之電感值之方式係將每一上、下橋臂電感值代入下列方程式： 其中L a、L b、L c分別為a、b、c相等效電感；L ap、L bp、L cp分別為a、b、c相上橋臂電感；以及L an、L bn、L cn分別為a、b、c相下橋臂電感。
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