一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器及抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种适用于单相模块化多电平变流器的基于虚拟环流分量的环流抑制器及抑制方法。单相MMC由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块与一个桥臂电感串联组成，其中每个半桥子模块由两个串联的开关器件并联一个子模块电容构成，单相MMC的直流侧由一个直流电源提供恒定的直流电压，交流侧经网侧电感接入单相电网。由于本发明专利技术仅需测量一相桥臂电流，减少了测量器件的数量，整体控制环节仅需一对比例积分控制器，较其他环流控制器更容易实现，故该简化的环流抑制器比起现有的其他分相环流抑制器，极大减少了系统成本和整体控制的复杂性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器及抑制方法
本专利技术涉及模块化多电平变流器
，特别是涉及一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器。
技术介绍
由于风电、太阳能和海洋能等新型可再生能源技术的迅速发展以及世界对清洁能源的需求比重不断增大，解决因能源分布不均引起的远距离传输问题，提高电网的传输效率、稳定性和可靠性等问题已经成为电气行业研究的重点。与交流输电技术相比，采用电压源型变流器的高压直流输电(VSC-HVDC)技术除能实现电能大规模和远距离输送的需求以外，还具有输电效率高、节省输电走廊、调节快速可靠等优势，因此在电网中得到了大规模应用。传统的VSC-HVDC系统往往采用功率开关器件直接串联的两电平或三电平变换器，但其存在换流器容量受限、损耗较大及对功率器件开关的一致性和动态均压特性要求高等缺点，给系统的动态特性和谐波特性造成了负面影响。近年来模块化多电平变换器(MMC)拓扑被提出，由于其本身包含功率单元的级联结构，非常容易实现模块化设计扩展，能够大大提高系统的电压等级和装机容量等优点，随着其相关控制技术的发展，基于MMC的HVDC系统已经得到工程应用，并逐渐成为未来HVDC工程的发展趋势。然而MMC存在环流问题，环流叠加在上下桥臂的电流内，带来了增大功率器件额定容量、提高成本、增加系统损耗以及甚至会损坏装置等后果。因此MMC的环流抑制已成为学术界的研究热点之一。国内外学者对MMC的环流抑制问题做了大量研究。目前最常用的环流抑制法是基于二倍频负序旋转坐标系的环流抑制控制器，其通过dq旋转坐标系，针对三相环流按负序在三相间来回流动的特点，将二倍频环流分离成两个直流量，再经过比例积分控制环节，实现了环流的减小，但这种方法仅适用于三相系统，不适用于单相系统。另一种通用环流抑制策略通过实时检测桥臂电流，计算得到环流分量并进行抑制，通过抑制环流中低频交流分量降低了直流侧输入功率中的低频脉动，该策略适用于任意相数的MMC系统。但在工程实际应用中，由于测量时不可避免地存在误差，这种通用环流抑制器的效果容易受到影响。此外又有学者分别提出了基于比例-积分-谐振控制(Proportional-Integral-ResonantControl)、准比例-谐振控制(Proportional-ResonantControl)、重复控制(RepetitiveControl)以及模型预测控制(PredictiveControl)等多种环流抑制策略，虽然以上策略可实现分相控制，但由于这些控制策略的数学模型、控制过程与参数调节较为复杂，不容易实现，且三相MMC系统因其固有结构特性与单相MMC系统的差异，其相关的控制方式也不能简单移植到单相系统中。因此，针对MMC的单相环流抑制策略进行单独研究具有重要的实际意义。
技术实现思路
专利技术目的：为解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器及其专用抑制方法。技术方案：为了解决单相MMC并网系统的环流问题，首先比较了单相与三相MMC的拓扑结构的差异，通过研究其固有的环流分布特点，给出了单相MMC的环流模型，使用一阶高通滤波器得到环流中的交流分量，然后通过四分之一周期延时构造虚拟环流分量中的环流分量，将虚拟环流分量与实际分量通过两相静止/两相旋转坐标变换转化成直流分量，最后使用PI控制环节降低环流量。一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器，单相MMC由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块与一个桥臂电感串联组成，其中每个半桥子模块由两个串联的开关器件并联一个子模块电容构成，单相MMC的直流侧由一个直流电源提供恒定的直流电压，交流侧经网侧电感接入单相电网。该基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制方法的具体步骤为：步骤1.1，将某一相环流经过一阶高通滤波器，得到实际环流的二倍频分量，一阶高通滤波器传递函数如式(1)所示，其中fh为高通滤波器的截止频率；步骤1.2，将实际环流的二倍频分量通过四分之一周期延时，构造出一个虚拟环流分量：其中，icira2f是实际环流的二倍频分量，icira2fVIR是虚拟环流分量，ω为基频；步骤1.3，将实际环流的二倍频分量与虚拟环流分量同时输入两相静止/两相旋转坐标系，得到两相旋转坐标系下的环流分量：其中，ω为基频，icir2fd为d轴的环流分量，icir2fq为q轴的环流分量；步骤1.4，将两相旋转坐标系下的环流分量经过PI控制环节，得到dq坐标系下的附加控制电压参考值：其中kp、ki分别为比例增益和积分增益，icir2fd_ref和icir2fq_ref为两相旋转坐标系下的环流分量参考值，uZd_ref和uZq_ref为两相旋转坐标系下的附加控制电压参考值，L为桥臂电感，ω为基频；步骤1.5，将两相旋转坐标系下的附加控制电压参考值输入两相旋转/两相静止坐标系，得到实际的附加控制电压参考值uZa_ref和uZaVIR_ref：其中，ω为基频，uZa_ref为a相实际的附加控制电压参考值，uZaVIR_ref为虚拟的附加控制电压参考值。进一步的，单相MMC由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块与一个桥臂电感串联组成，其中每个半桥子模块由两个串联的开关器件并联一个子模块电容构成。进一步的，单相MMC的直流侧由一个直流电源提供恒定的直流电压，交流侧经网侧电感接入单相电网。进一步的，通过测量单相MMC系统中某一相上桥臂电流和下桥臂电流，计算出该相桥臂的环流，根据下式推断得到另一相桥臂的环流：其中Idc为直流侧直流分量，I2f为环流二倍频幅值，ω为基频，为环流初相。由基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制方法构建的单相MMC并网系统的总体控制包含以下步骤：步骤2.1，设定有功功率参考值P_ref和无功功率参考值Q_ref，经过功率外环和电流内环得到内部电动势参考值ej_ref；步骤2.2，将测量得到的某一相上桥臂电流ijp和下桥臂电流ijn输入基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器，得到附加控制电压参考值uZj_ref；步骤2.3，将内部电动势参考值ej_ref和附加控制电压参考值uZj_ref输入调制环节，控制单相MMC各相上下桥臂的桥臂电压，从而输出开关器件所需的脉冲。有益效果：本专利技术不仅可以减小环流，降低桥臂电流的畸变程度，同时改善了直流侧的瞬时功率输出特性，提高了系统的整体稳定性；只需要对两个相桥臂中某一相桥臂电流进行测量，减少了测量模块数量；控制器选用PI控制器，较其他控制方法易于实现。附图说明图1为单相MMC系统拓扑结构。图2为半桥子模块(SM)拓扑图。图3为单相MMC系统环流模型示意图。图4为单相MMC并网系统总体控制框图。图5为基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器控制框图。图6为单相电网电压与电流仿真曲线图。图7为a相与b相环流仿真曲线图。图8为a相与b相环流仿真曲线局部放大图。图9为a相上、下桥臂电流仿真曲线图。图10为a相上桥臂子模块电容电压仿真曲线图。图11为输出线电压仿真曲线图。图12为直流侧瞬时功率仿真曲线图。具体实施方式以下结合附图和实施案例对本专利技术作进一步说明。图1是单相MMC拓扑图，该拓扑含有两个相桥臂，每个相桥臂又分为上桥臂和下桥臂两个桥臂，每个桥臂包含n个子模块SM1～SMn本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器，其特征在于，单相MMC由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块与一个桥臂电感串联组成，其中每个半桥子模块由两个串联的开关器件并联一个子模块电容构成，单相MMC的直流侧由一个直流电源提供恒定的直流电压，交流侧经网侧电感接入单相电网。

【技术特征摘要】
1.一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制器，其特征在于，单相MMC由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块与一个桥臂电感串联组成，其中每个半桥子模块由两个串联的开关器件并联一个子模块电容构成，单相MMC的直流侧由一个直流电源提供恒定的直流电压，交流侧经网侧电感接入单相电网。2.一种基于虚拟环流分量的单相MMC环流抑制方法，其特征在于，单相MMC由两相四个桥臂组成，每个桥臂由若干个半桥子模块与一个桥臂电感串联组成，其中每个半桥子模块由两个串联的开关器件并联一个子模块电容构成，单相MMC的直流侧由一个直流电源提供恒定的直流电压，交流侧经网侧电感接入单相电网；所述环流抑制方法包括以下具体步骤：步骤1.1，将某一相环流经过一阶高通滤波器，得到实际环流的二倍频分量，一阶高通滤波器传递函数如式(1)所示；其中fh为高通滤波器的截止频率；步骤1.2，将实际环流的二倍频分量通过四分之一周期延时，构造出一个虚拟环流分量：其中，icira2f是实际环流的二倍频分量，icira2fVIR是虚拟环流分量，ω为基频；步骤1.3，将实际环流的二倍频分量与虚拟环流分量同时输入两相静止/两相旋转坐标系，得到两相旋转坐标系下的环流分量：其中，ω为基频，icir2fd为d轴的环流分量，icir2fq为q轴的环流分量；步骤1.4，将两相旋转坐标系下的环流分量经过PI控制环节，得到dq坐标系下的附加控制电压参考值：

【专利技术属性】
技术研发人员：梅军，丁然，赵剑锋，王创，缪惠宇，马天，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32