一种基于MMC分布式控制结构的具有滤波功能的子模块电容电压轮循回传方法与流程

本发明涉及高压直流输电领域，尤其是针对mmc分布式控制结构。

背景技术：

目前，在中高压应用领域(例如高压直流输电、中压电机驱动)，模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，mmc)因其灵活性、可扩展性、高可靠性等众多特点已成为最有前景的拓扑之一。由于控制器的控制能力限制，采用单个控制器的mmc集中式控制结构只能负担子模块(sub-module，sm)个数较少的mmc的控制任务，对于含有大量子模块的mmc系统，却无能为力。集中式控制结构大大地限制了mmc的灵活性和扩展性。

为了解决集中式控制结构的缺点，使之能够维持mmc系统灵活性和扩展性的分布式控制结构近年来逐渐受到国内外研究者的重视。一般的分布式控制结构可以概括为“一主多从”式控制结构，由三部分构成：中央控制器、通信网络、多个地方控制器。其中，中央控制器执行输出电流控制、环流控制、相平均电容电压控制；地方控制器执行子模块电容电压的均衡控制，中央控制器和地方控制器之间的数据传输依靠通信网络实现。由于中央控制器中相平均电容电压控制的执行需要获知一相所有子模块的电容电压，而电容电压的采集在地方控制器完成，进而需要地方控制器实时向中央控制器回传所有的子模块电容电压，尤其当子模块个数很大时，这将造成巨大的通信负担。所以减小mmc分布式控制系统中的通信负担问题是一项非常有意义的工作。此外，为了避免相平均电容电压中的交流纹波对其他控制目标的干扰，通常在相平均电容电压控制环中添加一个低通滤波环节来滤除交流纹波，但低通滤波环节增大了相平均电容电压控制环的延时，致使控制环的稳定裕度降低。

技术实现要素：

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是：设计一种新的电容电压回传方法解决mmc分布式控制系统中通信负担大的问题，并利用所提子模块电容电压轮循回传方法的滤波功能，代替相平均电容电压控制环的低通滤波环节，以减小因低通滤波环节而引入的控制延时。

mmc分布式控制结构仍采用现有的技术结构。如附图1所示，包括三部分：中央控制器，通信网络和2n个位于每个子模块(sm)的地方控制器(地方控制器1～n位于上桥臂，地方控制器n+1～2n位于下桥臂)。其中，中央控制器执行桥臂电流iu和il的采样、输出电流控制、环流控制和相平均电容电压控制；各个地方控制器执行本地子模块电容电压的采样、均衡控制、以及pwm信号的产生；中央控制器和地方控制器之间的协同控制以及信息交换依靠通信网络来实现。

为实现发明目的，本发明采用如下的技术手段进行控制子模块电容电压的回传：

一种基于mmc分布式控制结构的具有滤波功能的子模块电容电压轮循回传方法，在由中央控制器、通信网络和2n个位于子模块的地方控制器构成的mmc分布式控制结构中，2n个地方控制器向中央控制器回传所采集的本地子模块电容电压信息以实现相平均电容电压控制，子模块电容电压信息的回传以如下轮循回传的方法予以实现：在每个回传时刻仅一个地方控制器向中央控制器回传所采集的本地子模块电容电压信息；位于上桥臂的编号1～n的n个地方控制器和位于下桥臂的编号n+1～2n的n个地方控制器依次等间隔地交替回传所采集的本地子模块电容电压信息；2n个时间间隔周期完成后进入新的周期循环……；以特定的回传时刻t1～t2n为例：从回传时刻t1到t2n，地方控制器依次回传本地子模块电容电压信息的顺序为：地方控制器1→地方控制器n+1→地方控制器2→地方控制器n+2→……→地方控制器n→地方控制器2n；将回传时刻之间的间隔记为tt，所述回传间隔tt由下式确定：

tt＝1/ft，ft为实现相平均电容电压滤波的回传频率。

本发明提出的子模块电容电压轮循回传方法如图2所示，将两个连续回传时刻之间的间隔记为tt，相平均电容电压uc_av在每个回传时刻依据回传的子模块电容电压进行自身更新，更新后的相平均电容电压保持直至下一个回传时刻到来。以t2n～t2n+2时刻相平均电容电压值的变化为例来具体解释，在回传时刻t2n相平均电容电压为uc_av(t2n)＝[uc1(t1)+uc2(t2)+…+uc2n-1(t2n-1)+uc2n(t2n)]/2n，该值保持直至下一个回传时刻t2n+1，在回传时刻t2n+1地方控制器1回传本地的子模块电容电压值，子模块电容电压uc1由uc1(t1)更新为uc1(t2n+1)，所以在回传时刻t2n+1，相平均电容电压值由uc_av(t2n)更新为uc_av(t2n+1)＝[uc2(t2)+…+uc2n-1(t2n-1)+uc2n(t2n)+uc1(t2n+1)]/2n，该值保持直至下一个回传时刻t2n+2。依据上述过程，第k个回传时刻的相平均电容电压值uc_av(k)表示如下：

考虑上式中uc_av_ripple与回传间隔tt的关系，如果合理地设置所提出的子模块电容电压轮循回传方法的回传频率ft(ft＝1/tt)，可以实现相平均电容电压的滤波。现假设相平均电容电压的交流纹波为0，反推可以实现滤波功能的回传频率ft。所以预设条件如下：

uc_av_ripple≡0

根据交流纹波的表达式，有如下充要条件成立：

基于上式，对实现相平均电容电压滤波功能的回传频率ft求解策略如下：先分别求出能够滤除uc_av_ripple1的回传频率ft_1和滤除uc_av_ripple2的回传频率ft_2，ft_1和ft_2取交集最终得到能够实现相平均电容电压滤波的回传频率ft。

采用本发明具有滤波功能的mmc分布式控制子模块电容电压轮循回传方法，可以有效地解决mmc分布式控制结构中通信负担大的问题，并且所提子模块电容电压轮循回传方法的滤波功能可以取代相平均电容电压控制环中的低通滤波环节，能够减小因低通滤波环节而引入的控制延时。

附图说明

图1为mmc分布式控制结构的技术结构图。

图2为本发明提出的子模块电容电压轮循回传方法的时序图。

图3为回传频率ft求解步骤图。

具体实施方式

在由中央控制器，通信网络和2n个位于每个子模块(sm)的地方控制器构成的mmc分布式控制结构中，本发明提出的子模块电容电压轮循回传方法具体实施如下：在每个回传时刻仅一个地方控制器向中央控制器回传所采集的本地子模块电容电压信息，所有的地方控制器以轮循的方式依次等间隔地回传所采集的本地子模块电容电压信息，并且位于上桥臂的地方控制器1～n和位于下桥臂的地方控制器n+1～2n采用交替回传的方式。以特定的回传时刻t1～t2n为例：从回传时刻t1到t2n，地方控制器依次回传本地子模块电容电压信息的顺序为：地方控制器1→地方控制器n+1→地方控制器2→地方控制器n+2→……→地方控制器n→地方控制器2n。

实现上述子模块电容电压轮循回传方法滤波功能的回传频率ft的获得依据如下：

一般地，一个桥臂内部的子模块电容电压是相同的，且子模块电容电压中主要的交流纹波为基频和二倍频分量，所以上、下桥臂的子模块电容电压可以表示为：

其中：uc1～n表示子模块1～n(位于上桥臂)的电容电压；ucn+1～2n表示子模块n+1～2n(位于下桥臂)的电容电压；uc_dc、uc_1、uc_2分别表示子模块电容电压中的直流分量、基频分量幅值、二倍频分量幅值；ωo表示mmc交流侧的角频率(ωo＝2πfo，fo为交流侧的频率)；θ1和θ2分别表示子模块电容电压中基频分量和二倍频分量的初始角位移。相平均电容电压uc_av是一相2n个子模块电容电压的平均值，表示如下：

将两个连续回传时刻之间的间隔记为tt，相平均电容电压uc_av在每个回传时刻依据回传的子模块电容电压进行自身更新，更新后的相平均电容电压保持直至下一个回传时刻到来。以t2n～t2n+2时刻相平均电容电压值的变化为例来具体解释，在回传时刻t2n相平均电容电压为uc_av(t2n)＝[uc1(t1)+uc2(t2)+…+uc2n-1(t2n-1)+uc2n(t2n)]/2n，该值保持直至下一个回传时刻t2n+1，在回传时刻t2n+1地方控制器1回传本地的子模块电容电压值，子模块电容电压uc1由uc1(t1)更新为uc1(t2n+1)，所以在回传时刻t2n+1相平均电容电压值由uc_av(t2n)更新为uc_av(t2n+1)＝[uc2(t2)+…+uc2n-1(t2n-1)+uc2n(t2n)+uc1(t2n+1)]/2n，该值保持直至下一个回传时刻t2n+2。依据上述过程，第k个回传时刻的相平均电容电压值uc_av(k)表示如下：

根据上式，相平均电容电压中的交流纹波uc_av_ripple与回传间隔tt有关。uc_av_ripple的表达式重写如下：

考虑式(1)中uc_av_ripple与回传间隔tt的关系，如果合理地设置所提子模块电容电压轮循回传方法的回传频率ft(ft＝1/tt)，可以实现相平均电容电压的滤波。现假设相平均电容电压的交流纹波为0，反推可以实现相平均电容电压滤波的回传频率ft，求解步骤如图3所示。详细的求解过程如下：

预设条件为：

uc_av_ripple≡0(3)

根据式(2)，有如下充要条件成立：

根据式(4)，对实现相平均电容电压滤波的回传频率ft求解策略如下：先分别求出能够滤除uc_av_ripple1的回传频率ft_1和滤除uc_av_ripple2的回传频率ft_2，ft_1和ft_2取交集最终得到能够实现相平均电容电压滤波的回传频率ft。

1.滤除uc_av_ripple1所对应的回传频率ft_1：

根据三角函数运算法则，可得如下关系：

对上式右边的条件进行化简：

进一步可得：

上式表示的含义相当于对一个频率为2fo的正弦信号进行连续等间隔的n次采样(采样频率也即回传频率表示为ft_1)，n次采样的数据求和所得结果恒为0，也即所得的结果中没有出现该正弦分量，达到对该正弦信号的滤波。

首先，根据香农采样定理，n次采样的数据必须保证能够复现正弦信号，所以必须满足：

ft_1≥2*2fo＝4fo

其次，对上述表达式进行求解，最终求解出滤除uc_av_ripple1所对应的回传频率ft_1：

其中：[x]表示不超过x的最大整数。

2.滤除uc_av_ripple2所对应的回传频率ft_2

根据三角函数运算法则，可得如下关系：

上式表示的含义相当于对一个频率为2fo的正弦信号进行连续等间隔的2n次采样(采样频率也即回传频率表示为ft_2)，2n次采样的数据求和所得结果恒为0，也即所得的结果中没有出现该正弦分量，达到对该正弦信号的滤波。

首先，根据香农采样定理，2n次采样的数据必须保证能够复现该正弦信号，所以必须满足：

ft_2≥2*2fo＝4fo

其次对表达式进行求解，最终可以求出滤除uc_av_ripple2所对应的回传频率ft_2：

3.实现相平均电容电压滤波的回传频率ft

对滤除uc_av_ripple1的回传频率ft_1和滤除uc_av_ripple2的回传频率ft_2取交集，实现相平均电容电压滤波的回传频率ft为：

这样，本发明中提出的减小通信负担的电容电压轮循回传方法采用(*)式所设计的回传频率可以实现对相平均电容电压的滤波。