对称电容子模块多电平变流器有源功率解耦控制方法

本发明属于多电平变流器，尤其涉及一种对称电容子模块多电平变流器有源功率解耦控制方法。

背景技术：

1、多电平技术是通过利用低耐压小电流的功率器件组成新型拓扑架构以实现中高压大功率场合应用的技术，并具有输出电平数多、输出电压谐波小、开关频率低和功率开关器件承受电压应力小等优势，在中高压大功率应用领域受到越来越多的关注和研究。常用多电平拓扑结构有：中点钳位型变换器(npc)、级联h桥型变换器(chb)和模块化多电平变换器(mmc)。

2、由于高度模块化设计，电压等级功率容量易于扩展，可冗余控制，输出品质好等优势广泛用于高压柔性直流输电领域和中压配电领域。该变换器每个子模块都有一个直流侧电容，其作用是充当直流源提供mmc运行时的电平，但在实现直交流侧功率交换时子模块电容电压会具有基频和二倍频纹波，当纹波过大时对器件应力、输出特性等带来影响。在工程应用中一般采用容值较大的电容来抑制电压纹波，较大电容会使系统硬件成本和体积大大增加。

3、现有的一种技术方法提出一种基于整流单相变换器的对称半桥结构有源功率解耦技术方案，该技术通过控制功率器件开关将特定频次的纹波转移至储能元件中。滤波解耦电路通过对称半桥两个电容储能，使两电容纹波电压大小相等，方向相反，电压直流分量之和为整流输出电压，同时保证有源功率解耦后对称电容功率纹波与原来相同，以保证变换器稳定运行。但是整流单相变换器系统结构简单，且通过有源功率解耦技术仅能处理电容电压纹波固有二倍频成分，并且该系统运算模型简单，有源解耦控制算法简易，仅采用一个电容电压直接给定的电压环控制方法。由于控制方案单一，系统稳定性较差，当负载突变或有外界干扰时，整流输出直流电压幅值波动较大且经过较长时间才稳定，动态响应慢。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种对称电容子模块多电平变流器有源功率解耦控制方法解决了模块化多电平变流器直交流侧功率交换时传统的mmc子模块电容电压会具有基频和二倍频纹波的问题。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种对称电容子模块多电平变流器有源功率解耦控制方法，包括以下步骤：

3、s1、构建多电平变流器的对称电容解耦子模块拓扑；

4、s2、根据对称电容解耦子模块拓扑，建立电感电流模型和电容电压模型；

5、s3、根据电感电流模型和电容电压模型，进行电压电流双闭环控制，完成多电平变流器有源功率解耦控制。

6、本发明的有益效果为：通过电感电流模型和电容电压模型控制对称电容解耦子模块电压为直流量，解决了模块化多电平变流器直交流侧功率交换时传统的mmc子模块电容电压会具有基频和二倍频纹波的问题。

7、进一步地，所述步骤s1中对称电容解耦子模块拓扑包括开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、电感lf、电容c1和电容c2；所述开关管s1的一端与开关管s2的一端连接，并外接电流；开关管s1的另一端分别与开关管s3的一端和电容c1的一端连接；开关管s2的另一端分别与开关管s4的一端和电容c2的一端连接；开关管s3的另一端分别与开关管s4的另一端和电感lf的一端连接；电感lf的另一端分别与电容c1的另一端和电容c2的另一端连接。

8、上述进一步方案的有益效果为：两个参数不同的电容互相配合进行充放电，大容值电容起主要储能作用，小容值电容起次要储能作用，解决了传统的mmc子模块电容电压会具有基频和二倍频纹波的问题；电感不做储能，仅作为两电容进行能量交换的媒介。

9、进一步地，所述步骤s2具体为：

10、s201、获取电容c1的理想电压和电容c2的理想电压：

11、

12、

13、其中，uc1为电容c1的理想电压；uc2为电容c2的理想电压；uc1为电容c1的直流电压；uc2为电容c2的直流电压；为电容c1的交流电压；为电容c2的交流电压；

14、s202、根据电容c1的理想电压和电容c2的理想电压，利用状态空间平均方程，得到电感lf两端电压：

15、

16、其中，为电感lf两端电压；d2为开关管s3的占空比；d'2为开关管s4的占空比；il为电感lf的电流；d为微分符号；t为时刻；

17、s203、根据电容c1的理想电压和电容c2的理想电压，得到电容c1的电流和电容c2的电流：

18、

19、

20、

21、其中，ic1为电容c1的电流；ic2为电容c2的电流；cc1为电容c1的电容；cc2为电容c2的电容；为电容c2的交流电流；为电容c2的交流电流；

22、s204、根据电感lf两端电压、电容c1的电流和电容c2的电流，利用基尔霍夫电流定律，得到电感lf、电容c1和电容c2的电流关系：

23、

24、其中，r(i)为电流关系；

25、s205、根据电感lf、电容c1和电容c2的电流关系，得到电感电流和电容c1电压的关系以及电感-电容方程组：

26、

27、

28、其中，r(il)为电感电流和电容c1电压的关系；p为电感-电容方程组；

29、s206、对电感电流和电容c1电压的关系进行拉普拉斯变换，得到占空比交流分量-电感电流传递函数，完成电感电流模型的构建：

30、

31、其中，为占空比交流分量-电感电流传递函数，为电感电流模型的目标函数；s为频域因子；il(s)为频域电感电流；为开关管s3的频域交流占空比；lf为电感lf的电感；usm为对称电容解耦子模块电压；

32、s207、对电感-电容方程组进行拉普拉斯变换，分别得到交流分量传递函数组，完成电容电压模型的构建：

33、

34、其中，p'为交流分量传递函数组；为电感电流-电容c1电压交流分量传递函数；为电感电流-电容c2电压交流分量传递函数；为电容c1电压的频域交流分量；为电容c2电压的频域交流分量。

35、上述进一步方案的有益效果为：简化对称电容解耦子模块拓扑，建立线性模型，为后续多电平变流器有源功率解耦控制方案提供理论依据和运算模型。

36、进一步地，所述步骤s3具体为：

37、s301、获取传统单相多电平变流器的开关管控制方案数据；

38、s302、控制开关管s1和开关管s2依照开关管控制方案数据进行运作，得到电压电流双闭环控制初始模型；

39、s303、获取对称电容解耦子模块电压反馈值，并基于电压电流双闭环控制初始模型进行电压外环运算，得到电感电流参考值；

40、s304、获取电感电流反馈值，并根据电感电流反馈值和电感电流参考值，基于电压电流双闭环控制初始模型进行电流内环运算，得到开关管s3交流调制数据信号和开关管s4交流调制数据信号；

41、s305、获取传统单相多电平变流器原有参数，并根据传统单相多电平变流器原有参数分别计算开关管s3直流调制数据信号和开关管s4直流调制数据信号；

42、s306、根据开关管s3直流调制数据信号和开关管s3交流调制数据信号，得到开关管s3调制数据信号；

43、s307、根据开关管s4直流调制数据信号和开关管s4交流调制数据信号，得到开关管s4调制数据信号；

44、s308、根据开关管s3调制数据信号和开关管s4调制数据信号，通过调制技术依次经过电感电流模型和电容电压模型，控制对称电容解耦子模块电压为直流量，完成多电平变流器有源功率解耦控制。

45、上述进一步方案的有益效果为：电压和电流双闭环控制方案，控制系统稳定，反应迅速，动态跟踪性能突出，并且进行交流直流解耦有源功率控制：

46、进一步地，所述步骤s303具体为：

47、s3031、根据电压电流双闭环控制初始模型和电容电压模型，得到对称电容解耦子模块电压反馈值；

48、s3032、获取对称电容解耦子模块电压参考值，并将对称电容解耦子模块电压参考值和对称电容解耦子模块电压反馈值作差，得到电压差；

49、s3033、根据电压差，采样准谐振控制技术，得到电容c2交流电压参考值；

50、s3034、将电容c2交流电压参考值进行微分控制和比例运算，得到电感电流参考值。

51、上述进一步方案的有益效果为：电压外环运算可以从对称电容解耦子模块电压反馈值中通过系列技术控制手段最终得到理想的电感电流参考值，为电流内环运算做准备。

52、进一步地，所述步骤s304具体为：

53、s3041、根据电压电流双闭环控制初始模型和电感电流模型，获取电感电流反馈值；

54、s3042、将电感电流反馈值和电感电流参考值作差，得到电流差值；

55、s3043、对电流差值进行采样比例运算，得到第一数据；

56、s3044、将第一数据和电容c2交流电压参考值线性叠加，并采用比例归一化，得到开关管s3交流调制数据信号和开关管s4交流调制数据信号。

57、上述进一步方案的有益效果为：电流内环运算从电感电流的参考值和反馈值的差值通过控制手段得到开关管s3、s4交流的调制信号，直流调制信号可根据系统固有参数进行计算直接给定，最终实现交直流解耦，简化控制过程。