一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法技术

本发明专利技术涉及一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，包括以下步骤：S1：根据MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建MMC交流侧、直流侧的数学模型；S2：根据坐标变换理论，将MMC交流侧的数学模型变换成dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型；S3：根据转换后的dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型建立电网电压不平衡条件下的MMC的EL模型；S4：对不平衡电网电压下的MMC进行无源性判断，若MMC为严格无源，则对其采用无源控制；S5：根据步骤S3获取的EL模型，对需无源控制的MMC设计正负序无源控制器；与现有技术相比，本发明专利技术具有功率无波动、稳定速度快、控制效果好等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法
本专利技术涉及MMC变流器控制
，尤其是涉及一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法。
技术介绍
相对于交流输电，直流输电存在着诸多优点，例如，采用直流输电可快速准确地控制传输功率，从而提升系统的稳定性；采用直流输电时也不必考虑相连的交流系统的频率和相位问题。随着近几年来大型风电场等可再生能源发电的迅速发展，直流输电的优点被广泛挖掘，并开始越来越多地应用于现代输电。直流输电的技术随着电力电子器件的发展越来越先进，从两电平换流器到三电平换流器再到如今的模块化多电平换流器，模块化多电平变流器实现了较大的电平数的数目，并且可提供一个公共的直流侧，十分适用于柔性直流输电工程。但当电网电压发生不平衡时，对于外部，交流侧的电流和功率会发生波动，直流侧电压也会出现波动，严重影响着系统的稳定性和电能质量；对于内部，桥臂会出现含有大量谐波分量的环流，子模块的电容电压也会发生波动，增大了换流器的损耗的同时也影响了输出特性。因此，对电网电压不平衡下的MMC的控制十分必要。
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功率无波动、控制效果好的不平衡电网电压下MMC无源控制方法。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，包括以下步骤：S1：MMC交流侧、直流侧的数学模型建立：根据MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建MMC交流侧、直流侧的数学模型；S2：两相旋转坐标转换：根据坐标变换理论，将MMC交流侧的数学模型变换成dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型；S3：MMC的EL模型建立：根据转换后的dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型建立电网电压不平衡条件下的MMC的EL模型；S4：无源性判断：对不平衡电网电压下的MMC进行无源性判断，若MMC为严格无源，则对其采用无源控制；S5：MMC正负序无源控制器设计：根据步骤S3获取的EL模型，对需无源控制的MMC设计正负序无源控制器；S6：电容电压控制：利用获取的正负序无源控制器对MMC进行电容电压控制。优选地，步骤S1中，MMC交流侧、直流侧的数学模型的表达式为：式中：usa、usb、usc分别为交流侧的a、b、c三相输出电压；va、vb、vc分别为换流器侧的a、b、c三相交流电压；L0、R0分别为交流侧的电抗、电阻；isa、isb、isc分别为交流侧的三相电流；ujP、ujn分别为j相上、下臂的电压；icirj为j相间环流；Lj为j相桥臂的电感。优选地，步骤S2中，dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型的表达式为：在dq两相旋转坐标系下的电压电流可以分解为：式中：分别为usj在dq坐标系的正、负序分量；分别为isj在dq坐标系下的分量。优选地，步骤S3中，电网电压不平衡条件下的MMC的EL模型的表达式为：其中，式中：M为正定的对角阵；J+、J-分别为正、负序系统的反对称矩阵；R为对称正定矩阵；x+、x-分别为正、负系统的状态变量；u为系统的输入；分别为正、负序系统中的状态变量。优选地，步骤S4中，不平衡电网电压下的MMC无源性判断的具体内容为：考虑m输入m输出系统：式中：x，x∈Rn为中间变量；u∈Rm为输入；y∈Rm为输出；f为关于(x,u)局部利普希茨连续函数；对于上述系统，若存在连续可为半正定的能量存储函数H(x)及正定函数Q(x)，对于使得耗散不等式为：或由上式可得：令y＝x+，Q(x)＝x+TRx+，y＝x-，Q(x)＝x-TRx-，若上式满足耗散不等式，则说明不平衡电网电压下的MMC系统为严格无源。优选地，步骤S5具体包括以下步骤：51)对严格无源的MMC系统确定电网电压不平衡条件下的期望稳定平衡点，获取正负序系统EL模型；52)注入阻尼，加速正负序系统EL模型的能量耗散；53)根据耗散后的正负序系统EL模型设计正负序无源控制器。优选地，步骤51)的具体内容为：确定期望稳定平衡点为：式中：分别为正负序系统中的状态变量的参考值；令正负序系统的状态变量的误差分别为：则正负序系统EL模型可写成：取正负序系统的误差函数分别为：优选地，步骤52)中，注入阻尼后的正负序系统EL模型的表达式为：其中，阻尼耗散项为：式中：为正、负序系统注入的阻尼正定矩阵，它们分别为：其中，分别为正、负序系统的控制变量。优选地，步骤53)中，正负序无源控制器的表达式为：式中：分别为正负序系统中的状态变量的参考值；分别为正、负序系统的控制变量；分别为正负序无源控制器控制变量。本专利技术提出的无源控制方法，对不平衡电网电压下的MMC建立了数学模型，并设计了MMC正负序无源控制器，在设计过程中注入阻尼，加速了系统能量的耗散，使系统的稳定速度快；本专利技术的无源控制方法可使MMC交流侧电流无负序电流，功率无二次波动，针对MMC外部问题具有很好的控制作用，相比常规的PI控制，控制效果更佳，且环流控制与无源控制之间的协调性较好。附图说明图1为MMC拓扑结构图；图2为MMC的子模块组成示意图；图3(a)为本专利技术平均电容电压控制框图；图3(b)为本专利技术电容电压附加平衡控制框图；图4为本专利技术控制下的MMC总体结构框图；图5(a)为本专利技术实施例的目标1下无源控制下的MMC交流侧电流波形图；图5(b)为本专利技术实施例的目标1下无源控制下的MMC交流侧有功功率和无功功率波形图；图5(c)为本专利技术实施例的目标1下无源控制下的MMC直流侧电流波形图；图5(d)为本专利技术实施例的目标1下无源控制下的MMC环流交流量波形图；图6(a)为本专利技术实施例的目标1下PI控制的交流侧电流波形图；图6(b)为本专利技术实施例的目标1下PI控制的交流侧有功功率和无功功率波形图；图6(c)为本专利技术实施例的目标1下PI控制的直流侧电流波形图；图6(d)为本专利技术实施例的目标1下PI控制的环流交流量波形图；图7(a)为本专利技术实施例的目标2下无源控制的交流侧电流波形图；图7(b)为本专利技术实施例的目标2下无源控制的交流侧有功功率和无功功率波形图；图7(c)为本专利技术实施例的目标2下无源控制的直流侧电流波形图；图7(d)为本专利技术实施例的目标2下无源控制的环流交流量波形图；图8(a)为本专利技术实施例的目标2下PI控制的交流侧电流波形图；图8(b)为本专利技术实施例的目标2下PI控制的交流侧有功功率和无功功率波形图；图8(c)为本专利技术实施例的目标2下PI控制的直流侧电流波形图；图8(d)为本专利技术实施例的目标2下PI控制的环流交流量波形图；图9(a)为本专利技术实施例的目标3下无源控制的交流侧电流波形图；图9(b)为本专利技术实施例的目标3下无源控制的交流侧有功功率和无功功率波形图；图9(c)为本专利技术实施例的目标3下无源控制的直流侧电流波形图；图9(d)为本专利技术实施例的目标3下无源控制的环流交流量波形图；图10(a)为本专利技术实施例的目标3下PI控制的交流侧电流波形图；图10(b)为本专利技术实施例的目标3下PI控制的交流侧有功功率和无功功率波形图；图10(c)为本专利技术实施例的目标3下PI控制的直流侧电流波形图；图10(d)为本专利技术实施例的目标3下PI控制的环流交流量波形图；图11(a)为本专利技术实施例的目标1下的环流波形图；图11(b)为本专利技术实施例的目标1下的正序波形图；图11(c)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：MMC交流侧、直流侧的数学模型建立：根据MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建MMC交流侧、直流侧的数学模型；S2：两相旋转坐标转换：根据坐标变换理论，将MMC交流侧的数学模型变换成dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型；S3：MMC的EL模型建立：根据转换后的dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型建立电网电压不平衡条件下的MMC的EL模型；S4：无源性判断：对不平衡电网电压下的MMC进行无源性判断，若MMC为严格无源，则对其采用无源控制；S5：MMC正负序无源控制器设计：根据步骤S3获取的EL模型，对需无源控制的MMC设计正负序无源控制器；S6：电容电压控制：利用获取的正负序无源控制器对MMC进行电容电压控制。

【技术特征摘要】
1.一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：MMC交流侧、直流侧的数学模型建立：根据MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建MMC交流侧、直流侧的数学模型；S2：两相旋转坐标转换：根据坐标变换理论，将MMC交流侧的数学模型变换成dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型；S3：MMC的EL模型建立：根据转换后的dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型建立电网电压不平衡条件下的MMC的EL模型；S4：无源性判断：对不平衡电网电压下的MMC进行无源性判断，若MMC为严格无源，则对其采用无源控制；S5：MMC正负序无源控制器设计：根据步骤S3获取的EL模型，对需无源控制的MMC设计正负序无源控制器；S6：电容电压控制：利用获取的正负序无源控制器对MMC进行电容电压控制。2.根据权利要求1所述的一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，其特征在于，所述的步骤S1中，MMC交流侧、直流侧的数学模型的表达式为：式中：usa、usb、usc分别为交流侧的a、b、c三相输出电压；va、vb、vc分别为换流器侧的a、b、c三相交流电压；L0、R0分别为交流侧的电抗、电阻；isa、isb、isc分别为交流侧的三相电流；ujP、ujn分别为j相上、下臂的电压；icirj为j相间环流；Lj为j相桥臂的电感。3.根据权利要求2所述的一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，其特征在于，所述的步骤S2中，dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型的表达式为：在dq两相旋转坐标系下的电压电流可以分解为：式中：分别为usj在dq坐标系的正、负序分量；分别为isj在dq坐标系下的分量。4.根据权利要求3所述的一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，其特征在于，所述的步骤S3中，电网电压不平衡条件下的MMC的EL模型的表达式为：其中，式中：M为正定的对角阵；J+、J-分别为正、负序系统的反对称矩阵；R为对称正定矩阵；x+、x-分别为正、负系统的状态变量；u为系统的输入；分别为正、负序系统中的状态变量。5.根据权利要求1所述的一种不平衡电网电压下MMC无源控制方法，其特征在于，所述的步骤S4中，不平衡电网电压下的MMC无源性判断的具体内容为：考虑m输入m输出系统：式中：x，x∈Rn为中间变量；u∈Rm为输入；y∈Rm为输出；f为关于(x,u)局部利普希茨连续函数；对于上述系统，若存在连续可为半正定的能量存储函数H(x)及正定函数Q(x)，对于使得耗散不等式为：

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