模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法。本发明专利技术所述变流器MMC系统中包含带有光伏电池板的子模块、直流电网和三相交流电网三个端。本控制方法包括子模块输出功率的获取，根据系统功率分配指令分别进行三端功率控制，并且在三相电池板的输出功率指令不相等时，分别根据不平衡情况通过在各相的桥臂中注入桥臂零序环流进行功率跟踪，可以使三相系统能够按预定功率指令稳定运行并且保证三相交流电网输出功率平衡。

Interphase power imbalance control method for modular multilevel converter

The invention discloses a method for controlling interphase power imbalance of a modularized multilevel converter. The converter MMC system of the invention comprises three modules with a photovoltaic panel, a DC grid and a three-phase AC grid. The control method includes obtaining power output module, power distribution system according to the instructions were three end power control, and the output power command in the three-phase panels are not equal, respectively according to the unbalanced bridge arm by injecting zero sequence current of each phase in the bridge arm in power tracking, can make the three-phase system according to the the stable operation of a predetermined power instruction and ensure three-phase AC power output power balance.

【技术实现步骤摘要】
模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法
本专利技术涉及一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法，特别是涉及MMC拓扑结构中子模块为有源模块的相间功率不平衡时的控制方法。
技术介绍
模块化多电平变流器(ModularMultilevelConverter，MMC)最早由德国的R.Marquardt等学者提出。该拓扑的桥臂采用了半桥子模块的级联结构，在避免了大量开关器件直接串联的同时，获得了多电平的输出特性。相对于常用的二极管中性点箝位型(NeutralPointClamped，NPC)多电平换流器和飞跨电容(FlyingCapacitor，FC)型多电平换流器而言，MMC具有以下优点：(1)采用模块化结构，无须增加箝位二极管或飞跨电容器；(2)单个子模块承受的电压相对较低且无须开关器件的直接串联；(3)由于MMC输出电平数较多，因此可以在较低的开关频率下获得低谐波的输出特性，且开关损耗较小；(4)具有模块化、冗余、易扩展的特点，适合高压大功率变流器应用。近年来MMC已广泛应用与高压直流输电，海上风力发电并网等场合，子模块的拓扑结构也具有多样性，有半桥子模块(Half-BridgeSub-Module，HBSM)、全桥子模块(Full-BridgeSub-Module，FBSM)以及双箝位型子模块(Clamp-DoubleSub-Module，CDSM)等等，并且有多种子模块的混合连接。随着MMC应用的快读发展，子模块端近年也由无源发展为有源，子模块端可以接风电、电动汽车、储能模块以及光伏模块等，子模块的有源端与子模块的连接处也有不同的方式，AC/DC，DC/DC，隔离或者非隔离等方式。分布式发电与级联式多电平的结合既可以提高实现各个子模块单元的独立控制，在大型光伏并网发电系统中，光伏阵列的数量数以万计，最大限度地提高光伏阵列的太阳能利用率，让其尽可能工作在最大功率状态，将会大幅度提高光伏系统的发电效率，且多电平逆变器又可以实现多电平电压输出改善并网质量。文献“PowerBalanceControlSchemeofCascadedH-BridgeMultilevelInverterforGrid-ConnectionPhotovoltaicSystems”FushengWang，LeYang，WangMao，YuShinengandXingZhang.[C]2016IEEE8thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference(IPEMC-ECCEAsia):pp1530-1545，22-26May2016HefeiAnHuiChina(“级联H桥多电平光伏并网逆变器的功率不平衡控制策略”，2016年IEEE第8次国际电力电子与拖动控制会议，1530～1545页，2016年5月22-26，中国安徽合肥)与文献“ModularcascadedH-bridgemultilevelPVinverterwithdistributedMPPTforgrid-connectedapplications，”BailuXiao，LijunHang，JunMei，CameronRiley，LeonM.Tolbert，andBurakOzpineci，IEEETrans.Ind.Appl.，vol.51，no.2，MARCH/APRIL2015，pp1722-1731(“具有分布式MPPT功能的模块化级联H桥多电平光伏逆变器并网应用”，《IEEE学报-工业应用期刊》，2015年第51卷第2期1722～1731页)提出了级联H桥逆变器子模块带光伏电池板的分布式发电功率不平衡控制方法，核心思想均为三相交流电压中注入零序分量，保证三相交流电网电流对称输出，达到三相功率不均衡输出的目的，但是该方案控制能力受调制度的限制，且该拓扑结构，仅有子模块电池板侧到三相交流电网侧，没有公共的直流电网侧，不能参与直流电网的控制，与所提出三端控制不同。文献“Multi-objectivePowerManagementStrategyforMMC-BasedEVFleetIntegratedintoSmartGrid”，MeiqinMao，TinghuanTao，YongDing，LiuchenChang，NikosHatziargyriou，[C]2016IEEE8thInternationalPowerElectronicsandMotionControlConference(IPEMC-ECCEAsia):pp2863-2869，22-26May2016HefeiAnHuiChina(“MMC-基于电动汽车组群集成并入微电网的多目标功率管理策略”，2016年IEEE第8次国际电力电子与拖动控制会议，2863-2869页，2016年5月22-26，中国安徽合肥)中采用MMC拓扑，桥臂子模块采用储能电池与全桥模块以及电动汽车与半桥模块的混合级联，但是文中仅介绍了同一桥臂多个子模块的充放电调制的策略，未涉及三相间功率不平衡控制。由以上现有技术可见，首先，现有文献未考虑直流电网功率的控制，其次，考虑子模块所连电池板三相功率不平衡问题时,解决方案需要通过向交流电网中注入零序电压的方式使交流电网输出功率不平衡，进而实现三相功率不平衡输出，但其控制能力将受调制度等条件的限制。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为克服上述各种技术方案的局限性，针对基于MMC的变频器在与直流电网、三相交流电网连接的结构，且子模块直接并联光伏电池板不需DC/DC，提供了一种根据指令分配子模块功率、三相交流电网功率和直流电网功率，且在三相电池板输出功率指令不平衡时通过在每相桥臂中分别注入相应的桥臂零序环流，以实现三相电池板不平衡功率输出的方案，该方案无需向交流电网中注入额外的零序电压，且可以保证三相交流侧电网的功率平衡，方法简单，易于工程实现，并且可以配合其他类型功率不平衡控制策略使用。为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供了一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法，本专利技术所述的模块化多电平变流器包括ABC三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由N个带有光伏电池的子模块和一个电感L组成，将桥臂的第i个子模块记为SMi，i＝1，2，3···N，其中，N＞1，即所述的模块化多电平变流器每相含有2N个子模块；模块化多电平变流器系统含有连接直流电网的公共直流母线；每个子模块由一个半桥子模块、一个支撑电容CSM和一组光伏电池并联组成；每个子模块的输出电压为0V或光伏电池的电压；所述的半桥子模块结构由两个绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2和两个续流二极管D1、D2组成，绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2串联，VT1的发射极与VT2的集电极相接，续流二极管D1、D2分别反并联在各自相对应的绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2两端；绝缘栅双极型晶闸管VT1的集电极与支撑电容CSM和光伏电池的正极相接，绝缘栅双极型晶闸管VT2的发射极与支撑电容CSM和光伏电池的负极相接；本控制方法包括电压和电流的采集，包括以下步骤：步骤1，信号采集，包括：三相交流电网的相电压uga,ugb,ugc；三相6个桥臂电流，包括A相上桥臂电流ipa本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法，本专利技术所述的模块化多电平变流器包括ABC三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由N个带有光伏电池的子模块和一个电感L组成，将桥臂的第i个子模块记为SMi，i＝1，2，3···N，其中，N＞1，即所述的模块化多电平变流器每相含有2N个子模块；模块化多电平变流器系统含有连接直流电网的公共直流母线；每个子模块由一个半桥子模块、一个支撑电容C

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法，本发明所述的模块化多电平变流器包括ABC三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由N个带有光伏电池的子模块和一个电感L组成，将桥臂的第i个子模块记为SMi，i＝1，2，3···N，其中，N＞1，即所述的模块化多电平变流器每相含有2N个子模块；模块化多电平变流器系统含有连接直流电网的公共直流母线；每个子模块由一个半桥子模块、一个支撑电容CSM和一组光伏电池并联组成；每个子模块的输出电压为0V或光伏电池的电压；所述的半桥子模块结构由两个绝缘栅双极型晶闸管VT1、VT2和两个续流二极管D1、D2组成，绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2串联，VT1的发射极与VT2的集电极相接，续流二极管D1、D2分别反并联在各自相对应的绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2两端；绝缘栅双极型晶闸管VT1的集电极与支撑电容CSM和光伏电池的正极相接，绝缘栅双极型晶闸管VT2的发射极与支撑电容CSM和光伏电池的负极相接；本控制方法包括电压和电流的采集，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，信号采集，包括：三相交流电网的相电压uga,ugb,ugc；三相6个桥臂电流，包括A相上桥臂电流ipa，A相下桥臂电流ina，B相上桥臂电流ipb，B相下桥臂电流inb，C相上桥臂电流ipc，C相下桥臂电流inc；直流电网电压Udc即直流母线电压；所有子模块电容电压也就是其所接光伏电池的输出电压，包括A相上桥臂第i个子模块电压usmapi，A相下桥臂第i个子模块电压usmani，B相上桥臂第i个子模块电压usmbpi，B相下桥臂第i个子模块电压usmbni，C相上桥臂第i个子模块电压usmcpi，C相下桥臂第i个子模块电压usmcni；所有子模块中光伏电池的输出电流，包括A相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvapi，A相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvani，B相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvbpi，B相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvbni，C相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvcpi，C相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvcni；流入电网的三相电流iga,igb,igc分别由得到；三相桥臂环流idiffa,,idiffb,,idiffc分别由式得到；步骤2，通过模块化多电平变流器6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令分别求出6个桥臂的平均输出功率指令并通过该6个桥臂的平均输出功率指令，求出ABC三相各自的子模块总平均输出功率指令和三相所有子模块的总平均输出功率值指令具体步骤如下：步骤2.1，求6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令其过程为：将采集到的A相上桥臂第i个子模块电压usmapi与光伏电池的输出电流ipvapi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的A相上桥臂第i个子模块电压usmapi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmapiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmapiL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的A相下桥臂第i个子模块电压usmani与光伏电池的输出电流ipvani送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的A相下桥臂第i个子模块电压usmani经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmaniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmaniL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的B相上桥臂第i个子模块电压usmbpi与光伏电池的输出电流ipvbpi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的B相上桥臂第i个子模块电压usmbpi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmbpiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmbpiL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的B相下桥臂第i个子模块电压usmbni与光伏电池的输出电流ipvbni送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的B相下桥臂第i个子模块电压usmbni经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmbniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmbniL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的C相上桥臂第i个子模块电压usmcpi与光伏电池的输出电流ipvcpi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的C相上桥臂第i个子模块电压usmcpi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmcpiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmcpiL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的C相下桥臂第i个子模块电压usmcni与光伏电池的输出电流ipvcni送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的C相下桥臂第i个子模块电压usmcni经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmcniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmcniL相乘得到子模块平均输出功率指令其计算式分别为：A相上桥臂第i个子模块电压平均值usmapiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：A相下桥臂第i个子模块电压平均值usmaniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：B相上桥臂第i个子模块电压平均值usmbpiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：B相下桥臂第i个子模块电压平均值usmbniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：C相上桥臂第i个子模块电压平均值usmcpiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，刘萍，王付胜，刘芳，刘亮，吕祎林，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34