一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，本发明专利技术提供的模块化换流器MMC无传感控制策略、子模块电容电压平衡控制策略，通过测量获得换流器上、下桥臂电流，进而获得网侧交流电流，并可由网侧交流电流推导获得网侧交流电压，这样不需要使用电压传感器测量网侧交流电压，实现无电压传感器模块化换流器MMC控制，减少了传感器的使用，降低了系统电压测量成本。

A sensorless control method for modular converter based on carrier phase shifting technique

The invention discloses a modular carrier phase shift technique based on converter sensorless control method, the invention provides a modular converter MMC sensorless control strategy, sub module capacitor voltage balance control strategy for inverter upper and lower bridge arm current through the measurement, and then get the network side AC current and can obtain network side AC voltage AC current is derived by the network side, it does not require the use of voltage sensor network side AC voltage, the converter voltage sensorless MMC control module, reduce the use of the sensors, reduce the cost of system voltage measurement.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，属于柔性直流输电领域。
技术介绍
高压直流输电相较于交流输电系统而言，具有线路传输容量大、造价低、损耗小、不易老化、稳定性较高等优势并且直流输电输送的有功及两端换流站消耗的无功均可用手动或自动方式进行快速控制，有利于电网的经济运行和现代化管理。电压源型换流器(VoltageSourceConverter，VSC)作为柔性直流输电系统中最为核心的部件，有2电平、3电平、多电平等不同的拓扑结构。目前实际工程中广泛采用的VSC多为2电平拓扑结构，然而VSC存在一些由于其自身结构所带来的不利因素，例如绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)串联会带来静态、动态均压和电磁干扰，过高的开关频率带来的开关器件寿命缩短和过高的开关损耗等问题。为了解决VSC自身结构带来的问题，西门子公司提出一种适用于高压直流输电(High-VoltageDirectCurrent，HVDC)和柔性交流输电系统(FlexibleAlternativeCurrentTransmission，FACTS)的新型VSC拓扑结构—模块化多电平换流器(MMC)。与传统VSC相比，MMC避免了开关器件直接串联带来的影响；降低了器件的开关频率，延长了开关器件的寿命；由于采用模块化拓扑结构，因此容易扩展到不同电压等级；模块化的结构也使得其具有很强的灵活性，能够满足不同等级的工程需求。目前换流器的控制策略主要分为定向矢量控制和直接转矩控制两大类，前者基于转子磁场定向控制，后者基于定子磁场定向控制。矢量控制方法包括：零d轴电流控制，最大转矩电流控制，单位功率因数控制和弱磁控制等。MMC常采用电压定向矢量控制策略，需要使用电压传感器测量网侧交流的电压信号。传感器的使用不仅增加了MMC系统的成本，而且可能增加电压信号的测量误差。因此，研究无传感器控制策略对柔性直流输电发展具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制策略，该策略不需要电压传感器就能实现输出电流和功率的控制，本专利技术减少电压传感器的使用，减少MMC的系统成本和因传感器带来的故障概率。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，所述无传感器控制方法包括：子模块电容电压平衡控制策略、换流器无传感器控制策略和PWM调制策略；其中：子模块电容电压平衡控制策略包括能量均分控制和电压均衡控制，其中，能量均分控制是利用上、下桥臂子模块电容电压平均值跟踪电容电压参考值，从而使能量均匀的分配到子模块中；电压均衡控制是减少上、下桥臂子模块电容电压平均电压之间的差异，从而使子模块电容平均电压相等；换流器无传感器控制策略是：首先，利用子模块电容电压平衡控制器测量所得换流器上、下桥臂的电流，获得网侧交流电流；其次，根据基尔霍夫电路定律，利用网侧交流电流，采用反馈控制器获得网侧交流电压；再次，给定一个似电导增益参数g，获得电流参考值；最后，通过电流内环PI控制，获得换流器输出参考电压的dq轴分量；PWM调制策略是能量均分控制和电压均衡控制输出的参考电压调节量与电流内环PI控制器输出的参考电压的累加作为载波移相调制策略的调制波，调制波分别与移相后的三角载波相比较生成n组PWM信号，分别驱动桥臂上各子模块的器件，从而实现模块化换流器的控制；其中，n为组成桥臂的子模块数。作为本专利技术的进一步优化方案，网侧交流电流igrid＝ia1-ia2，其中，ia1、ia2分别为换流器上、下桥臂的电流。作为本专利技术的进一步优化方案，网侧交流电压的dq轴分量的计算公式为：ugriddq=(K1+K2s+1K3s)igriddq=K1K3s+K2K3s2+1K3sigriddq.]]>式中，为网侧交流电流的dq轴分量，K1，K2，K3为常参数，s为拉普拉斯算子。作为本专利技术的进一步优化方案，电流参考值iref的计算公式为：iref=-gugriddq.]]>作为本专利技术的进一步优化方案，换流器输出参考电压的dq轴分量为：ummcd=ugridd+(irefd-igridd)(Kp1+Kis)-ωLgigridq=-Kp1K3s+1+KpK3K3s+gigridd-ωLgigridq]]>ummcq=ugridq+(irefq-igridq)(Kp1+Kis)-ωLgigridd=-Kp1K3s+1+KiK3K3s+gigridq-ωLgigridd]]>式中，分别为输出参考电压ummc的d、q轴分量，分别为网侧交流电压的d、q轴分量，分别为电流参考值的d、q轴分量，分别为网侧交流电流的d、q轴分量，ω为交流系统电压角频率，Kp1和Ki为控制参数，Lg为连接变压器和换相电抗器的等效电感。作为本专利技术的进一步优化方案，设计参数α、β和γ，令Kp1K3＝α，K3＝β，1+KiK3＝γ，使α＞-Lgg，以及γ＞0，以保证换流器的稳定。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术减少了电压传感器的使用，减少MMC的系统成本和因传感器带来的故障概率；本专利技术电压估计精度高，动态性能好，具有较好的实用前景和经济效益。附图说明图1是输电系统示意图。图2是MMC2结构及其子模块示意图，其中，(a)是MMC2的结构示意图，(b)是MMC2的子模块示意图。图3是电压反馈控制结构框图。图4是系统的根轨迹图，其中(a)是g＝0.044s时系统根轨迹图，(b)是g＝-0.044s时系统的根轨迹图。图5是2s参数g变化时d、q轴电流波形。图6是2s参数g变化时MMC2输出三相电流波形。图7是2s参数g变化时MMC2输出三相电压波形。图8是2s参数g变化时电网发出的有功功率波形。具体实施方式下面结合附图以及具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步的详细说明：如图1所示的输电系统，由于MMC1和MMC2具有相同的结构，系统稳定运行时，具有对称性，因此，本专利技术的实施例中选取MMC2作为分析对象。依据MMC2结构，如图2所示，dq坐标系下MMC2数学模型为：ummcd=ugridd+Lgdigridddt+Rgigridd-ωLgigridqummcq=ugridq+Lgdigridqdt+Rgigridq+ωLgigridd---(1)]]>式中，为MMC2交流侧电压的d轴分量；为MMC2交流侧电压的q轴分量；Rg、Lg分别为连接变压器和换相电抗器的等效电阻、电感；为换流器交流侧电流的d轴分量；为换流器交流侧电流的q轴分量；为换流器交流侧电压的d轴分量；为换流器交流侧电压的q轴分量。基于电网电压定向矢量控制策略需要通过电流和电压传感器来获得网侧交流的电流igrid和电压ugrid。本专利技术提出的基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，首先，通过子模块电容电压平衡控制器测量换流器上、下桥臂的电流差，获得网侧交流电流；其次，根据基尔霍夫电路定律，利用测量的网侧交流电流，采用前馈控制获得电网电压；然后，给定一个似电导增益g，获得电流参考值；最后，通过电流内环PI控制，获得网侧交流dq轴参考电压，具体可以分为以下4个步骤：步骤1：获取网侧交本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，其特征在于，所述无传感器控制方法包括：子模块电容电压平衡控制策略、换流器无传感器控制策略和PWM调制策略；其中：子模块电容电压平衡控制策略包括能量均分控制和电压均衡控制，其中，能量均分控制是利用上、下桥臂子模块电容电压平均值跟踪电容电压参考值，从而使能量均匀的分配到子模块中；电压均衡控制是减少上、下桥臂子模块电容电压平均电压之间的差异，从而使子模块电容平均电压相等；换流器无传感器控制策略是：首先，利用子模块电容电压平衡控制器测量所得换流器上、下桥臂的电流，获得网侧交流电流；其次，根据基尔霍夫电路定律，利用网侧交流电流，采用反馈控制器获得网侧交流电压；再次，给定一个似电导增益参数g，获得电流参考值；最后，通过电流内环PI控制，获得换流器输出参考电压的dq轴分量；PWM调制策略是能量均分控制和电压均衡控制输出的参考电压调节量与电流内环PI控制器输出的参考电压的累加作为载波移相调制策略的调制波，调制波分别与移相后的三角载波相比较生成n组PWM信号，分别驱动桥臂上各子模块的器件，从而实现模块化换流器的控制；其中，n为组成桥臂的子模块数。

【技术特征摘要】
1.一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，其特征在于，所述无传感器控制方法包括：子模块电容电压平衡控制策略、换流器无传感器控制策略和PWM调制策略；其中：子模块电容电压平衡控制策略包括能量均分控制和电压均衡控制，其中，能量均分控制是利用上、下桥臂子模块电容电压平均值跟踪电容电压参考值，从而使能量均匀的分配到子模块中；电压均衡控制是减少上、下桥臂子模块电容电压平均电压之间的差异，从而使子模块电容平均电压相等；换流器无传感器控制策略是：首先，利用子模块电容电压平衡控制器测量所得换流器上、下桥臂的电流，获得网侧交流电流；其次，根据基尔霍夫电路定律，利用网侧交流电流，采用反馈控制器获得网侧交流电压；再次，给定一个似电导增益参数g，获得电流参考值；最后，通过电流内环PI控制，获得换流器输出参考电压的dq轴分量；PWM调制策略是能量均分控制和电压均衡控制输出的参考电压调节量与电流内环PI控制器输出的参考电压的累加作为载波移相调制策略的调制波，调制波分别与移相后的三角载波相比较生成n组PWM信号，分别驱动桥臂上各子模块的器件，从而实现模块化换流器的控制；其中，n为组成桥臂的子模块数。2.根据权利要求1所述的一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，其特征在于，网侧交流电流igrid＝ia1-ia2，其中，ia1、ia2分别为换流器上、下桥臂的电流。3.根据权利要求2所述的一种基于载波移相技术的模块化换流器无传感控制方法，其特征在于，网侧交流电压的dq轴分量的计算公...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙黎霞，曹红，朱鹏飞，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32