一种基于动态调节基准值的MMC均压方法

一种基于动态调节基准值的mmc均压方法
技术领域
1.本技术涉及柔性交流输配电及电力电子技术领域，具体公开了一种基于动态调节基准值的mmc均压方法。


背景技术：

2.模块化多电平换流器mmc是电压源型换流器，其核心部件是桥臂中串联起来的子模块(sub-module)。为保证输出的交流电压谐波较少，一般需要投入较多子模块来逼近交变电压的输出。现在投运的mmc直流输电工程中，使用的子模块都是半桥子模块(half bridge submodule)，但由于半桥子模块没有直流清障功能，其余两种mmc子模块(全桥子模块和钳位双子模块)也是研究的重点；
3.现代工业电网中，电机的启动、大负荷的启停、负荷的非线性等各种干扰导致工业电网电压畸变、不平衡电压的上升和下降、电压闪变、负载电流不平衡等，引起工业电网电能质量明显下降。而随着大量新技术的广泛应用，各种检测控制设备等敏感负荷所占的比重越来越大，相应地对电网电能质量的要求越来越高。那么，为了给用户提供纯净的电源，电能质量综合补偿装置的研究非常重要。统一电能质量调节器upqc(unified powerquality conditioner)不仅可以补偿电网电压暂升/暂降、电压谐波问题，还可以抑制谐波和无功电流流向电网，能够对工业电网电能质量实现综合补偿，用户提供稳定、可靠的绿色电源。
4.但是，目前的upqc拓扑结构由于受到单个功率器件耐压能力的限制只能应用到低压场合，而无法满足中压大功率场合的要求。模块化多电平换流器(modular multilevelconverter,mmc)作为一种新型的级联型拓扑在中高压、大功率upqc中日益受到广泛关注。mmc通过子模块的级联实现多电平输出，所有子模块的电容均处于悬浮状态，无需多个独立的直流电压源，从而省去了复杂的移相变压器，而且它具备公共直流母线，因此易于构成统一电能质量调节器。
5.传统模块化多电平换流器统一电能质量控制器(mmc-upqc)采用固定变比的串联变压器，这使得系统负荷低于额定值时，upqc串联侧的实际输出最大功率小于其额定功率，利用率较低。
6.正如上文所言，mmc因其具有输出电压谐波含量低，便于模块化设计，开关频率低等特点，已经成为高压直流输电的主流拓扑。通常，mmc需串联大量子模块，采用最近电平逼近调制，但子模块电容电压不均衡问题凸显，由此会导致相间环流加剧，桥臂损耗增加。
7.通过电压采集模块采集每一个子模块的电压，并对子模块电容电压进行排序，按照电流方向选择电压最大或者最小的n个子模块投入运行，这种模式(均压方法)需要对子模块电压进行多次比较，对控制器计算能力要求高，鉴于此，发明人提出一种基于动态调节基准值的mmc均压方法。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决了传统的mmc均压方法需要对子模块电压进行多次比较，对控制器计算能力要求高的问题。
9.为了达到上述目的，本发明的基础方案提供一种基于动态调节基准值的mmc均压方法，
10.本基础方案的原理及效果在于：
11.1.与现有技术相比，本发明因为使用了动态的基准值比较方法，相比于传统的排序方法具有更低的时间复杂度，对计算资源要求少，对硬件水平要求低，同时具有较低的开关损耗。
12.2.与现有技术相比，提高了低频输电系统的可靠性，降低低频输电系统中设备的运行和维修成本，减少了器件的开关频率，进而降低开关损耗。
13.3.与现有技术相比，响应速度快，相比与目前已有的控制策略，在电压平衡控制引入的微分控制可以快速的使子模块的电容电压跟随参考值；
14.控制精度高，已有的控制策略大多没有考虑到或者忽略了二倍频分量带来的影响，上述控制在保证电容电压稳定的同时，有效的抑制了二倍频的环流。
15.4.与现有技术相比，本方法适用于mmc需串联大量子模块的模式，这种传统模式采用电平逼近调制，平逼近调制会导致子模块电容电压不均衡问题凸显，由此会导致相间环流加剧，桥臂损耗增加，本方法采取的动态调节基准值的方法，使得相间环流加剧现象明显下降，桥臂损耗下降。
16.进一步，在步骤s1中获取到子模块的电压后，创建子模块电容电压序列uc，并设置电容电压比较偏差δuc_sort。
17.进一步，采集方法是基于子模块电容电压参考值、mmc中各子模块电容电压实测值和mmc中各子模块所在桥臂的电流，采用pid控制得到mmc中各子模块的电压。
18.进一步，将投切模块分为mmc上桥臂和mmc下桥臂，mmc上桥臂在每个时刻投入模块数目的计算可以表示为：mmc下桥臂在每个时刻投入的模块数目计算公式为：其中，round(x)表示取整函数，n为mmc中每个桥臂包含的子模块总数。
19.进一步，在步骤s3中，当桥臂电流为正时，子模块为充电状态，当桥臂电流为负时，子模块为放电状态。
20.进一步，在步骤s4中，当桥臂电流为正时，对电容电压序列uc中的元素依次与基准值作比较，基准值为uc_ref。
21.进一步，在步骤s4中，当桥臂电流为零时，电容电压序列保持不变，投入前n(t)个子模块。
22.进一步，在步骤s4中，当桥臂电流为负时，对电容电压序列uc中的元素依次与基准值作反向比较。
23.进一步，将小于uc_ref的元素依次放入预定的v1序列，将大于uc_ref的元素依次放入预定的v2序列，以v1序列作为待投入组排序在前，v2序列作为待切除组排序在后。
24.进一步，将小于uc_ref的元素依次放入预定的v1序列，将大于uc_ref的元素依次放入预定的v2序列，v2序列作为待投入组排序在前，v1序列作为待切除组排序在后。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1示出了本技术实施例提出的一种基于动态调节基准值的mmc均压方法的流程图。
具体实施方式
27.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
28.实施例如图1所示：
29.一种基于动态调节基准值的mmc均压方法，包括以下步骤：
30.s1：采集子模块的电压；
31.s2：计算s1中的子模块的电容电压平均值及投切模块数目；
32.s3：计算比较基准值；
33.s4：比较得到投切模块；
34.s5：向mmc控制器发送控制信号。
35.关于s1：采集方法是基于子模块电容电压参考值、mmc中各子模块电容电压实测值和mmc中各子模块所在桥臂的电流，采用pid控制得到mmc中各子模块的电压，pid控制是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元p、积分单元i和微分单元d组成，pid控制的基础是比例控制，积分控制可消除稳态误差，通过上述方法获取到子模块电压后，创建子模块电容电压序列uc，并设置电容电压比较偏差值δuc_sort；
36.在获取子模块电压时，需要设置一个能量平衡控制，能量平衡控制采用双闭环的控制策略，既电压外环采用pi控制，用于使每相子模块的平均电压跟踪子模块电容电压参考值，电压外环的输出为每相平均电流参考值，其作为电流内环的一个输入信号，同样采用pi控制，使每相平均电流实测值跟踪每相平均电流参考值，将电流内环的输出作为每相子模块的能量平衡调节量。
37.就需要回到s2，计算出计算s1中的子模块的电容电压平均值及投切模块数目，
38.对于投切模块：将投切模块分为mmc上桥臂和mmc下桥臂，mmc上桥臂在每个时刻投入模块数目的计算可以表示为：mmc下桥臂在每个时刻投入的模块数目计算公式为：其中，round(x)表示取整函数，n为mmc中每个桥臂包含的子模块总数，而子模块总数通过s1已经获取。
39.在步骤s3中，当桥臂电流为正时，子模块为充电状态，设置电容电压的比较基准值
为：u
c_ref
＝u
c_avg
+k
·
δu
c_sort
，k为电容电压允许偏差调节系数：系统公式为：
40.当桥臂电流为负时，子模块为放电状态，设置电容电压比较基准值为：u
c_ref
＝u
c_avg-k
·
δu
c_sort
，其中，k为电容电压允许偏差调节系数：系统公式为：
41.上述方法用来计算出每个时刻电压的比较基准值；
42.接着，需要对投入模块进行比较，然后得到我们需要的比较投切模块；
43.(1)当桥臂电流为正时，对电容电压序列uc中的元素依次与基准值作比较，将小于uc_ref的元素依次放入v1序列，将大于uc_ref的元素依次放入v2序列，为了避免分组不精确可能造成的电容电压发散，采用随机置乱算法分别对v1，v2序列中元素位置随机置乱，以v1序列作为待投入组排序在前，v2序列作为待切除组排序在后，合并两序列组成新的电容电压序列unew，将排序在前的n(t)个子模块投入运行。
44.(2)当桥臂电流为零时，电容电压序列保持不变，投入前n(t)个子模块。
45.(3)当桥臂电流为负时，对电容电压序列uc中的元素依次与基准值作比较，将小于uc_ref的元素依次放入v1序列，将大于uc_ref的元素依次放入v2序列，然后采用随机置乱算法分别对v1，v2序列中元素位置随机置乱，v2序列作为待投入组排序在前，v1序列作为待切除组排序在后，合并两序列组成新的电容电压序列unew，将排序在前的n(t)个子模块投入运行；
46.最后，向mmc发送控制信号，将第四步骤计算得到的确定的投切子模块导通控制信号发送至mmc控制。
47.对于mmc中各子模块的环流抑制调节量的获取过程：
48.步骤如下：
49.将mmc中各相支路的平均电流实测值输入低频滤波器中，得到低频滤波器输出的mmc中各相支路的平均电流实测值对应的直流分量；
50.将mmc中各相支路的平均电流参考值输入低频滤波器中，得到低频滤波器输出的mmc中各相支路的平均电流参考值对应的直流分量；
51.计算mmc中各相支路的平均电流实测值与mmc中各相支路的平均电流实测值对应的直流分量的差值，并将该差值作为mmc中各相支路的二倍频分量实测值；
52.将mmc中各相支路的二倍频分量实测值与mmc中各相支路的二倍频分量参考值的差值输入pr控制器中，得到mmc中各相支路的平均环流抑制调节量；
53.将mmc中各相支路的平均环流抑制调节量作为mmc中各相支路内子模块的环流抑制调节量；
54.电压平衡角度实现的是使每相子模块的电容电压跟踪子模块电容电压参考值，保证子模块间电压的平衡，换流抑制角度实现的是对二倍频的控制，从而达到抑制环流的作用。
55.关于步骤s5中的mmc控制器：mmc控制器包括预设模块和控制模块和获取模块。
56.获取模块，用于基于子模块电容电压参考值、mmc中各子模块电容电压实测值和
mmc中各子模块所在桥臂的电流，采用pid控制得到mmc中各子模块的电压平衡调节量。
57.预设模块：用于将mmc中各子模块的初始参考电压、电压平衡调节量、能量平衡调节量和环流抑制调节量之和作为mmc中各子模块的参考电压；控制模块，用于利用mmc中各子模块的控制脉冲控制mmc中各子模块的投入或切除。
58.本发明使用了动态的基准值比较方法，相比于传统的排序方法具有更低的时间复杂度，对计算资源要求少，对硬件水平要求低，同时具有较低的开关损耗。
59.本方法解决了传统的mmc均压方法需要对子模块电压进行多次比较，对控制器计算能力要求高的问题。
60.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
61.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
62.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
63.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
64.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。