基于前馈控制的MMC交流侧故障能量均衡控制方法与流程

本发明公开了一种基于前馈控制的mmc交流侧故障能量均衡控制方法，该方法应用于柔性直流输电领域。

背景技术：

基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,mmc)的高压柔性直流输电技术是以电压源换流器为核心的新一代直流输电技术，作为一项新兴技术，其相关的故障保护和控制策略还不成熟。因此研究柔性直流输电系统故障时的保护与穿越能力具有重要意义。

mmc换流器控制系统包括直流侧、交流侧及环流控制，其中最具有挑战的部分是子模块电容电压的平衡控制，目的在于实现换流器内部能量流动的平衡，包含所有桥臂总能量的控制、相间能量平衡控制及上下桥臂能量平衡控制。基于能量的控制方案由于可以闭环控制臂间能量，进而能够选择电压平衡的收敛速度，又平衡是通过作用于内部循环电流来实现的，所以使得交直流输出电流波形不受影响，因此，基于桥臂能量的控制方案越来越受到关注，现有研究主要通过对于各桥臂总能量进行均衡控制，提升子模块电容电压均压效果，并对换流器故障过程各桥臂子模块总能量变化规律进行分析，但大都只适用于稳态运行情况，基于上述分析，本文所提出的基于前馈控制的mmc交流侧故障能量均衡控制方法，改善了模块化多电平变换器在不平衡电网条件下的电容电压平衡，前馈补偿的加入提高了交流电网对不对称故障和突发电压不平衡的抗干扰能力，能有效提高交流侧故障穿越能力。

技术实现要素：

为了提升电网故障下mmc的暂态响应及改善换流器内外部能量平衡性能，有效抑制功率波动，提升mmc交流侧故障穿越能力，本发明提供了一种基于前馈控制的mmc交流侧故障能量均衡控制方法，详细分析了mmc内部能量规律，能够实现各桥臂间的总能量均衡,有效提升桥臂间子模块电容的均压效果及交流侧故障穿越能力。

本发明提供了基于前馈控制的mmc交流侧故障能量均衡控制方法，包括：

本发明的有益效果在于：

深入分析了换流器内部的暂态能量流动规律，对桥臂能量与各电气信号的耦合关系进行了研究，建立了坐标系下的桥臂能量数学模型，在桥臂能量控制环节中前馈分量的设计能够有效抑制桥臂能量的扰动，大大提升了控制器的响应性能，同时得到换流器内部电流信号的离散化状态空间表达式，对电流信号进行独立解耦控制，本文所提控制策略无需设计锁相环节，能够实现对于换流器步骤s1：对mmc换流器内部暂态能量流动规律进行详细分析，求出单相功率表达式，并给出桥臂能量的共模分量和差模分量

步骤s2：分析桥臂能量与各电气信号耦合关系，在坐标系下建立桥臂能量数学模型，在相间能量交换与上下桥臂能量交换控制环节中添加前馈分量，有效抑制了桥臂能量扰动，通过换流器内部电流信号实现桥臂能量的灵活快速控制。

步骤s3：由于上下桥臂能量可能存在差异，可引入基频电流来平衡上、下桥臂的能量，该基频电流在三相桥臂间不对称，存在零序成分，该零序成分会流入直流母线引起直流母线波动，为抑制基频零序电流，增加零序电流抑制环节。

步骤s4：在连续时间域中得到mmc内部电流信号的离散化状态空间表达示，对所得电流信号进行独立解耦控制，通过pir控制器实现对于交流侧直流侧电流信号的无静差跟踪控制，并通过pr控制器滤除环流与直流侧电流中的2倍频分量。

各电流分量信号参考的无静差跟踪，减小稳态误差，提高mmc交流侧故障穿越能力，提升暂态响应速度。

附图说明

图1为mmc结构示意图

图2为本文所提能量均衡控制控制策略框图

图3为基于前馈控制的mmc交流侧故障能量均衡控制策略设计流程图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1所示为mmc结构示意图，由三相组成每相有上下两个桥臂，每个桥臂有n个子模块同时串联一个电抗器l0,换流器上下桥臂端口电压为换流器上下桥臂电流为代表交流测电压和电流，vdc、vl^dc为高压直流侧电压及上下极电压，其中，k＝a，b，c。

由基尔霍夫电压定律得：

上式中：l0为桥臂电感，分别是k(k＝a,b,c)相上下桥臂电压，是k相上下桥臂电流，udc是直流侧电压，由(1)、(2)可得上下桥臂电流与电压之间的物理关系，桥臂电流表达式如下：

式中，是直流母线电流分量，是k相交流环流分量，同时定义有：

vsum、vdif分别为上下桥臂电压的共模分量和差模分量。

如图2所示为本文所提能量均衡控制控制策略框图，对换流器内部暂态能量流动规律进行分析可知，上下桥臂功率可以表示为：

忽略mmc换流器内部损耗可得：

为桥臂能量对时间的导数，在电网不平衡状态下，桥臂能量受到各种电压电流信号的干扰，其中包含有正序、负序、零序和直流分量，在实际系统中，交流侧变压器采用y-δ接线，将阻断零序电流的流通，因而不考虑零序分量。

基于以上分析，根据三相电压和电流信号可以求得mmc每一相的功率，以a相为例：

上式中，分别将电压、电流信号展开为正序、负序、和直流分量，w为基频，v、θ(i、θ)分别表示为相应幅值和相角，由此可得pa＝vaia，展开如式(18)所示，可知前五项为直流功率项，它们的平均值非0，在式(7)、(8)中若不对这些功率项进行补偿，则桥臂能量的平均值将会上升或者下降到可接受的范围之外，这些直流功率项受电压或电流负序分量影响较大，因而，为了实现对于mmc的精准控制，在电流控制器的设计及桥臂能量的平衡过程中都必须考虑这些负序分量。式(11)中后8项为交流功率项，将在桥臂能量中引入基频及二倍频纹波，但不会对桥臂能量平均值造成影响。

为了实现换流器内部相间能量平衡及上下桥臂间能量平衡，研究换流器内部能量流动机理，定义各相桥臂能量的共模分量为差模分量为由式(7)、(8)可得，桥臂能量共模分量及差模分量abc坐标下表达式如下：

其中代表每一项中单个元素相乘，当电网处于不平衡状态时，共模电压vdif与交流侧电流分量ig中都包含正序和负序分量，即控制器可以在vdif中添加负序分量，用来调节负序电流

为了实现桥臂总能量及各相能量的平衡控制，将式(12)转换到坐标系下按式(11)所示展开可得：

由式(13)可知，与桥臂存储的总能量成比例关系，可通过直流侧功率或交流侧正序有功功率实现对于桥臂总能量动态平衡控制，另一方面，通过对桥臂电流环流直流分量进行控制，能够实现相间能量流动的平衡，mmc换流器中电流或电压的改变都会对桥臂能量esum产生扰动，通过定义辅助控制输入量和桥臂能量中所有的直流功率项都以前馈方式进行补偿，随后，设计了基于pi控制的反馈控制回路，用于实现对于mmc相间能量平衡的控制。

由此，可以求得桥臂电流环流直流分量的参考值：

为了得到上述直流电流参考值，将注入交流侧电网负序电流设置为0，辅助控制输入量由能量反馈控制回路测量得到，前馈相的引入能够实现对于能量扰动的快速抑制。

同理，为了实现上下桥臂间能量的平衡控制，将式(13)转换到坐标系下按式(11)所示展开可得：

由上式可知，能量edif可通过桥臂电流环流的正负序分量进行控制，同样的，定义辅助输入控制量分别对桥臂能量中的直流功率项进行动态补偿，其中，由反馈控制回路得到将无功功率设置为0，即：

为了实现上下桥臂能量平衡，由式(18)—(20)可得到其交流环流正负序参考值如下：

图3为基于前馈控制的mmc交流侧故障能量均衡控制策略设计流程图，对换流器内部能量流动的规律进行分析，并得到相应的电流参考，通过对电流信号灵活快速控制，使得故障情况下mmc换流器内部能量平衡，同时在得到电流信号的离散化状态表达式后，结合pir控制器实现对于交流侧和直流侧电流参考的无误差跟踪，结合pr控制器对环流和直流侧电流中2倍频分量进行滤除，极大程度上抑制波动，实现在交流侧故障下，保证换流器内部能量的平衡，有效抑制扰动，实现故障穿越。