一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电网电压不平衡条件下MMC‑SAPF的无源控制方法。包括：1)采用正负序分离的dq电流检测法，可根据APF的容量，灵活的选择所需补偿的电流分量；2)根据MMC‑SAPF在电网电压不平衡条件下的EL数学模型验证其严格无源性；3)采用阻尼注入优化的能量存储函数，设计能将被控量收敛至期望值的正、负序完全解耦的新的无源控制器；4)采用适用于电网电压不平衡条件下的APF环流抑制、平均电容电压控制、电容电压均衡控制策略，提高MMC‑SAPF的整体性动态性能。本发明专利技术提供的方法，适用于理想、电网电压不平衡条件下基于MMC的三线制SAPF。与现有技术相比，本发明专利技术具有动态响应快、补偿方式灵活、适用于多种电网电压不平衡状态等优点。

A passive control method based on MMC-SAPF under unbalanced grid voltage

The invention relates to a passive control method based on MMC SAPF under unbalanced voltage condition of power grid. These include: 1) the DQ current detection method with positive and negative sequence separation can flexibly select the compensated current component according to the capacity of APF; 2) verify its strict passivity according to the EL mathematical model of MMC SAPF under unbalanced grid voltage; 3) design a new energy storage function optimized by damping injection, which can completely decouple the positive and negative sequence of the controlled variables to the desired value. Source controller; 4) To improve the overall dynamic performance of MMC SAPF, APF loop suppression, average capacitor voltage control and capacitor voltage balancing control strategies are adopted under unbalanced grid voltage conditions. The method provided by the invention is suitable for three-wire SAPF based on MMC under ideal and unbalanced grid voltage conditions. Compared with the prior art, the invention has the advantages of fast dynamic response, flexible compensation mode, and suitable for various unbalanced voltage states of power grid.

【技术实现步骤摘要】
一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法
本专利技术涉及MMC-SAPF控制
，尤其是涉及一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法。
技术介绍
随着大量电力电子设备的接入，配电网中非线性负载增多，造成电网电能质量下降，加之电网中电压跌落、线路参数不平衡、负荷不对称等电网电压不平衡状态下，电网谐波成倍增加，这种电网电压不平衡状态下的电能质量问题亟待解决。传统两电平有源电力滤波器(activepowerfilter,APF)由于耐压水平限制，只能应用于低压配电网。目前，应用于中压配电网的APF的拓扑结构主要有二极管钳位型、飞跨电容型以及H桥级联型，它们都是通过增加变流器电平数来提高APF的耐压水平和补偿精度，但是它们存在开关器件、钳位电容数量太多等缺点，同时，由于H桥级联结构的APF，三相系统之间能量无法流通，不能实现电网不平衡状态下的电容电压均衡，使得在中压配电网中的应用受到限制。模块化多电平变流器(modularmultilevelconverter，MMC)以耐压高、易于装卸维修等优点在高压直流输电、柔性交流输电系统等领域得到广泛应用，主要研究内容集中在环流控制、调制控制、不平衡电网电压下内部特性分析与控制等方面，而将MMC应用于APF的研究屈指可数。按照与电网的连接方式不同，APF可分为并联型、串联型和(串并联)混合型。其中：并联型APF(shuntAPF,SAPF)、串联型APF、混合型APF分别用于补偿电网的电流、电压、电流/电压的谐波，本文将研究目前最广泛采用的SAPF。目前，MMC-SAPF的控制策略主要针对理想条件，大致分为线性和非线性控制两类，MMC-SAPF的动态方程是非线性的，更适合非线性控制策略，而且电力系统在多数情况下处于电网电压不平衡的状态，电网电压不平衡状态下系统的建模和控制与理想状态相差甚远。对电网电压不平衡状态下MMC-SAPF的非线性控制尚处于起步阶段。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法，适用于中压配电网电网电压不平衡条件下MMC-SAPF基于EL(EulerLagrange，EL)模型的无源控制(passivity-basedcontrol,PBC)方法，所解决的是减少/消除各种电网电压不平衡情况下非线性负荷产生的谐波、无功电流的技术问题，例如：负荷不平衡状态、电网电压跌落状态、负荷切换状态等，同时维持SAPF直流电压稳定、子模块电容电压平衡、抑制环流。其中基于注入阻尼式的正、负序无源控制内环，使被控量补偿电流完全解耦，能够改善系统的动静态特性；准PR环流控制将SAPF环流抑制在可接受的范围之内，减少了SAPF损耗；基于PI控制的电压外环和电容电压控制，将外环电压和子模块电容电压稳定在设定值，为SAPF精准补偿电流提供了保证。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法，包括以下步骤：S1：针对三相线路正负序数学模型经过abc-dq变换和正负序补偿电流指令提取后得到dq坐标系下的补偿电流量；S2：将SAPF内直流母线电压与其参考值经过外环控制得到电流指令，并进一步得到新的SAPF输出电流正序d轴分量参考值；S3：建立电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的EL模型；S4：建立电网电压不平衡条件下MMC-SAPF正负序无源控制器；S5：对电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的电容电压和环流进行控制。进一步地，所述步骤S1中的dq坐标系下的补偿电流参考量，其描述公式为：式中，分别为变流器交流侧电压在d、q坐标系下的正、负序分量，分别为电源电压在d、q坐标系下的正、负序分量，分别为SAPF补偿电流在d、q坐标系下的正、负序分量，ω为电源角频率，ω＝2πf，f＝50Hz为电网频率，Rf为换流器的交流侧电阻，L＝Lm/2+Lf，Lm为桥臂电感，Lf为换流器的交流侧电感。进一步地，所述步骤S2包括以下分步骤：S201：获取当只补偿高次谐波时或当补偿高次谐波和基波时的正负序SAPF输出参考电流；S202：将电流指令与正序SAPF输出参考电流相加，得出新的SAPF输出电流正序d轴分量参考值。进一步地，所述当只补偿高次谐波时的正负序SAPF输出参考电流的计算公式为：式中，分别为d轴、q轴正、负序SAPF输出参考电流，分别为d轴、q轴正、负序SAPF负载电流，分别为d轴、q轴正、负序SAPF负载电流中的基频电流。进一步地，所述当补偿高次谐波和基波时的正负序SAPF输出参考电流的计算公式为：进一步地，所述步骤S3中的EL模型，其描述公式为：式中：M为由储能元件构成的正定对角阵，J+、J-为反应系统内部相互互联关系的正、负序反对称矩阵，R为反应系统能量耗散特性的正定矩阵，u+、u-为正、负序系统输入矩阵，x+、x-为正、负序状态向量矩阵，为正、负序状态向量导数矩阵。进一步地，所述步骤S4中的MMC-SAPF正负序无源控制器，其描述公式为：式中，分别为正负序SAPF的d轴、q轴实际输出电流，分别为正负序系统注入的阻尼正定矩阵内的元素。进一步地，所述步骤S5中的电容电压控制采用PI控制，环流控制采用准PR控制。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1)本专利技术从电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的非线性动态补偿角度出发，通过步骤S4，首先验证了MMC-SAPF的严格无源性，然后考虑电网电压不平衡条件下系统中负序分量的出现，采用正负序分离的方法，设计能使被控量完全解耦的内环电流控制器。该控制结构不仅适用于理想状态，还适用于负荷切换、负荷不平衡、电压跌落等电网电压不平衡状态，充分考虑了电力系统的实际运行情况。2)本专利技术电流内环无源控制器采用阻尼注入法对其进行优化，设计了与注入阻尼系数相关的控制规律，提高了系统的动态性能。3)本专利技术MMC-SAPF直流母线电压、子模块平均电容电压、电容电压均衡控制均采用PI控制，使MMC-SAPF在整体电压稳定的前提下，进行精准的谐波电流补偿。4)本专利技术SAPF部分，针对二倍频负序环流加入准PR环流抑制控制，克服了dq解耦环流控制未考虑零序分量以及PI控制不能无静差跟踪交流分量的缺点，与传统比例积分PI控制相比，控制效果更加理想。附图说明图1为MMC-SAPF主电路结构图；图2为电网电压不平衡状态下MMC-SAPF总体控制框图；图3为平均电容电压控制框图；图4为电容电压均衡控制框图；图5为环流控制框图；图6为电网电压平衡状态下直流电压、子模块电容电压、环流仿真波形、负载电流和电源电流仿真图，其中，图6(a)为电压平衡状态下直流电压仿真波形图，图6(b)为电压平衡状态下子模块电压仿真波形图，图6(c)为电压平衡状态下环流仿真波形图，图6(d)为电压平衡状态下负载电流仿真波形图，图6(e)为电压平衡状态下无源控制电源电流仿真波形图，图6(f)为电压平衡状态下PI控制电源电流仿真波形图；图7为负荷切换状态下仿真图，其中，图7(a)为负荷切换状态下直流电压仿真波形图，图7(b)为负荷切换状态下补偿前电源电流仿真波形图，图7(c)为负荷切换状态下无源控制电源电流仿真波形图，图7(d)为负荷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电网电压不平衡条件下MMC‑SAPF的无源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：针对三相线路正负序数学模型经过abc‑dq变换和正负序补偿电流指令提取后得到dq坐标系下的补偿电流量；S2：将SAPF内直流母线电压与其参考值经过外环控制得到电流指令，并进一步得到新的SAPF输出电流正序d轴分量参考值；S3：建立电网电压不平衡条件下MMC‑SAPF的EL模型；S4：建立电网电压不平衡条件下MMC‑SAPF正负序无源控制器；S5：对电网电压不平衡条件下MMC‑SAPF的电容电压和环流进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：针对三相线路正负序数学模型经过abc-dq变换和正负序补偿电流指令提取后得到dq坐标系下的补偿电流量；S2：将SAPF内直流母线电压与其参考值经过外环控制得到电流指令，并进一步得到新的SAPF输出电流正序d轴分量参考值；S3：建立电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的EL模型；S4：建立电网电压不平衡条件下MMC-SAPF正负序无源控制器；S5：对电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的电容电压和环流进行控制。2.根据权利要求1所述的一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法，其特征在于，所述步骤S1中的dq坐标系下的补偿电流参考量，其描述公式为：式中，分别为变流器交流侧电压在d、q坐标系下的正、负序分量，分别为电源电压在d、q坐标系下的正、负序分量，分别为SAPF补偿电流在d、q坐标系下的正、负序分量，ω为电源角频率，ω＝2πf，f＝50Hz为电网频率，Rf为换流器的交流侧电阻，L＝Lm/2+Lf，Lm为桥臂电感，Lf为换流器的交流侧电感。3.根据权利要求1所述的一种基于电网电压不平衡条件下MMC-SAPF的无源控制方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下分步骤：S201：获取当只补偿高次谐波时或当补偿高次谐波和基波时的正负序SAPF输出参考电流；S202：将电流指令与正序SAPF输出参考电流相加，得出新...

【专利技术属性】
技术研发人员：程启明，王玉娇，沈磊，魏霖，程尹曼，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31