基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，对系统方程依据不同时间尺度，对快慢子系统分别进行分析，并应用线性矩阵以及非线性矩阵进行变量类型转换，推导出系统符合奇异摄动系统表达式的的方程组，在摄动参数充分小的前提下，对系统进行降阶处理，并得出简化方程并针对其设计模块化多电平变流器控制器，简化了控制方程，减小控制器设计的难度和复杂程度，大大的促进大规模电力系统的迅速发展。

Modeling control method of modular multilevel converter based on singular perturbation

【技术实现步骤摘要】
基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法
本专利技术涉及电力系统变流器
，具体涉及一种基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法。
技术介绍
随着大规模电力系统的发展以及国家对新能源电力系统需求的不断提高，模块化多电平变流器拓扑被广泛应用。进而要求对于复杂系统的控制方法以及反馈控制的稳定得尤为重要。对于一般非线性系统，经典控制方法是基于系统平均方程设计经典电流环电压环控制器，但对于像模块化多电平变流器的非线性多时间尺度的复杂系统，其全阶模型往往变量较多，针对其动态方程的稳定性和各种动态特性研究计算量较大，往往难以定量分析，更加大了控制器设计的难度和复杂程度，更存在实际电力系统中实施的困难。因此，如何能够简化多电平模块化变换器的控制系统，便于实际实施，减小控制器设计的难度和复杂程度，是当前急需解决的问题，促进大规模电力系统的迅速发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有的大规模电力系统建模方法以及控制器设计复杂的缺点。本专利技术是基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，对系统方程依据不同时间尺度，对快慢子系统分别进行分析，并应用线性矩阵以及非线性矩阵进行变量类型转换，推导出系统符合奇异摄动系统表达式的的方程组，在摄动参数充分小的前提下，对系统进行降阶处理，并得出简化方程并针对其设计模块化多电平变流器控制器，简化了控制方程，减小控制器设计的难度和复杂程度，大大的促进大规模电力系统的迅速发展。为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，包括以下步骤，步骤(A)，构建单相模块化多电平变流器使用的开关函数所表示的时域非线性状态平均模型；步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行线性和非线性矩阵计算，分别得到能量慢变子系统和电流快变子系统的方程；步骤(C)，将能量慢变子系统和电流快变子系统的方程，改写成非线性奇异摄动系统的表达式，进行新的能量变量定义；步骤(D)，根据拓扑对称性列出三相模块化多电平变流器的系统方程，并将变量转换到静止坐标系αβ坐标中，简化该系统方程的表达式；步骤(E)，根据非线性奇异摄动系统的不同时间尺度特性，将电流快变子系统的稳态解带入能量慢变子系统；步骤(F)，将新的能量慢变子系统的系统状态变量进行傅里叶展开，并进一步优化单位时间尺度，对新时间尺度下的能量慢变子系统微分方程，求取周期为2π的变量状态平均；步骤(G)，将负载等效为三相阻抗性负载，并对其电压电流方程也进行αβ坐标系转换，并结合步骤(F)求取的周期为2π的变量状态平均，完成模块化多电平变流器的控制器的慢变系统和快变系统控制器的构建。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(A)，构建单相模块化多电平变流器使用的开关函数所表示的时域非线性状态平均模型，具体过程为：单相模块化多电平变流器拓扑上、下桥臂子模块数量定义为1，半导体开关元器件工作特性由理想开关离散函数表示，上、下桥臂子模块用理想开关和电容串联电路表示，其中，子上、下桥臂子模块电压由电容C表示，单桥臂的等效电感用L表示。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行线性矩阵计算，将系统时域变量转换成变量的和与变量差的形式，该线性矩阵T如下式所示，前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行非线性矩阵计算，并将电流和电压微分方程相加，得出能量形式的系统微分方程组，该非线性矩阵满足条件VMZM＝ZMVM，其中，其中，VM为上下桥臂电压的平均值，VL为上下桥臂电压之差，ZM为上下桥臂电流平均值，ZL为上下桥臂电流之差。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(C)，将能量慢变子系统和电流快变子系统的方程，改写成非线性奇异摄动系统的表达式，其中，引入新的能量变量eLI＝CvMvL，该非线性奇异摄动系统的表达式，由eM和eL的能量微分方程，电流微分方程和负载方程组成。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(D)，根据拓扑对称性列出三相模块化多电平变流器的系统方程，并将变量转换到静止坐标系αβ坐标中，简化该系统方程的表达式，该坐标变换矩阵为，该坐标变换矩阵能够将三相模块化多电平变流器的系统方程转化到静止坐标系αβ坐标内。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(E)，根据非线性奇异摄动系统的不同时间尺度特性，将电流快变子系统的稳态解带入能量慢变子系统，其中，电路桥臂的等效电感L和互感M可视为系统摄动参数ε0，L+M＝ε0，0<ε0＜＜1，从而求解出流快变子系统的稳态解。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(F)，将新的能量慢变子系统的系统状态变量进行傅里叶展开，并进一步优化单位时间尺度，对新时间尺度下的能量慢变子系统微分方程，求取周期为2π的变量状态平均，具体过程为：(F1)，将新的能量慢变子系统的系统状态变量写成复数形式，借助傅里叶序列，可对系统控制变量进行展开，并带入降阶系统；(F2)，对负载电压和电流可用欧拉公式改写，将其实部和虚部表达式分别带入降阶系统；(F3)，将时间尺度进行如下优化其中，ωω为系统周期变量的基波角频率，使得降阶系统的频率和周期归一化；(F4)，完成对新时间尺度下的能量慢变子系统微分方程进行周期为2π的积分计算，其中，T为2π，τ为积分的任意时间点，fi为T对应的频率。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(G)，将负载等效为三相阻抗性负载，并对其电压电流方程也进行αβ坐标系转换，具体为将负载特性用对称三相串联阻抗电路来仿真，相电压分别为电感电压和等效电阻压降之和，相电流用三角函数表达式描述，并带入相电压方程，同样如步骤(D)的方式，将电压方程转换到αβ坐标系中。前述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，步骤(G)，完成模块化多电平变流器的控制器的慢变系统和快变系统控制器的构建，可与用仿真软件MATLABSimulink搭建MMC平均状态数学模型用于对比实验。本专利技术的有益效果是：本专利技术的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，对系统方程依据不同时间尺度，对快慢子系统分别进行分析，并应用线性矩阵以及非线性矩阵进行变量类型转换，推导出系统符合奇异摄动系统表达式的的方程组，在摄动参数充分小的前提下，对系统进行降阶处理，并得出简化方程并针对其设计模块化多电平变流器控制器，简化了控制方程，减小控制器设计的难度和复杂程度，大大的促进大规模电力系统的迅速发展。附图说明图1是本专利技术的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，其特征在于：包括以下步骤，/n步骤(A)，构建单相模块化多电平变流器使用的开关函数所表示的时域非线性状态平均模型；/n步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行线性和非线性矩阵计算，分别得到能量慢变子系统和电流快变子系统的方程；/n步骤(C)，将能量慢变子系统和电流快变子系统的方程，改写成非线性奇异摄动系统的表达式，进行新的能量变量定义；/n步骤(D)，根据拓扑对称性列出三相模块化多电平变流器的系统方程，并将变量转换到静止坐标系αβ坐标中，简化该系统方程的表达式；/n步骤(E)，根据非线性奇异摄动系统的不同时间尺度特性，将电流快变子系统的稳态解带入能量慢变子系统；/n步骤(F)，将新的能量慢变子系统的系统状态变量进行傅里叶展开，并进一步优化单位时间尺度，对新时间尺度下的能量慢变子系统微分方程，求取周期为2π的变量状态平均；/n步骤(G)，将负载等效为三相阻抗性负载，并对其电压电流方程也进行αβ坐标系转换，并结合步骤(F)求取的周期为2π的变量状态平均，完成模块化多电平变流器的控制器的慢变系统和快变系统控制器的构建。/n...

【技术特征摘要】
1.基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，其特征在于：包括以下步骤，
步骤(A)，构建单相模块化多电平变流器使用的开关函数所表示的时域非线性状态平均模型；
步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行线性和非线性矩阵计算，分别得到能量慢变子系统和电流快变子系统的方程；
步骤(C)，将能量慢变子系统和电流快变子系统的方程，改写成非线性奇异摄动系统的表达式，进行新的能量变量定义；
步骤(D)，根据拓扑对称性列出三相模块化多电平变流器的系统方程，并将变量转换到静止坐标系αβ坐标中，简化该系统方程的表达式；
步骤(E)，根据非线性奇异摄动系统的不同时间尺度特性，将电流快变子系统的稳态解带入能量慢变子系统；
步骤(F)，将新的能量慢变子系统的系统状态变量进行傅里叶展开，并进一步优化单位时间尺度，对新时间尺度下的能量慢变子系统微分方程，求取周期为2π的变量状态平均；
步骤(G)，将负载等效为三相阻抗性负载，并对其电压电流方程也进行αβ坐标系转换，并结合步骤(F)求取的周期为2π的变量状态平均，完成模块化多电平变流器的控制器的慢变系统和快变系统控制器的构建。


2.根据权利要求1所述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，其特征在于：步骤(A)，构建单相模块化多电平变流器使用的开关函数所表示的时域非线性状态平均模型，具体过程为：单相模块化多电平变流器拓扑上、下桥臂子模块数量定义为1，半导体开关元器件工作特性由理想开关离散函数表示，上、下桥臂子模块用理想开关和电容串联电路表示，其中，子上、下桥臂子模块电压由电容C表示，单桥臂的等效电感用L表示。


3.根据权利要求1所述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，其特征在于：步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行线性矩阵计算，将系统时域变量转换成变量的和与变量差的形式，该线性矩阵T如下式所示，





4.根据权利要求1所述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，其特征在于：步骤(B)，根据MMC电路的对称性，对时域非线性状态平均模型系统方程进行非线性矩阵计算，并将电流和电压微分方程相加，得出能量形式的系统微分方程组，该非线性矩阵满足条件VMZM＝ZMVM，其中，






其中，VM为上下桥臂电压的平均值，VL为上下桥臂电压之差，ZM为上下桥臂电流平均值，ZL为上下桥臂电流之差。


5.根据权利要求1所述的基于奇异摄动的模块化多电平变流器的建模控制方法，其特征在于：步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾晨杰，
申请(专利权)人：安可达技术苏州有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32