多电平变换器直接功率控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种多电平变换器直接功率控制方法及装置，包括：通过反馈线性化技术，将多电平变换器多输入多输出的非线性状态函数模型转化为线性系统；对于变换后的线性系统，采用比例谐振控制器对环流进行控制；对于变换后的线性系统，采用传统的线性PI控制器对有功功率和无功功率进行控制；分析变换后线性系统的零动态特性，证明线性系统的稳定性。本发明专利技术利用反馈线性化技术将多输入多输出非线性MMC控制系统的状态函数模型转化为线性解耦系统模型，将线性控制器应用于变换后的线性系统模型中，从而降低控制器设计的难度。从而降低控制器设计的难度。从而降低控制器设计的难度。

【技术实现步骤摘要】
多电平变换器直接功率控制方法及装置


[0001]本专利技术涉及多电平变换器及其应用于微电网系统
，尤其涉及一种基于反馈线性化的多电平变换器直接功率控制方法及装置。

技术介绍

[0002]近年来，模块化多电平转换器(Modular Mul
‑
tilevel Converter,MMC)凭借其简单模块化的结构、灵活的可扩展性、低开关损耗和良好的谐波性能等优点，引起了国内外研究学者的广泛关注。在过去的十年中，MMC已被应用于各种应用场合中，包括高压直流(High Voltage Direct Cur
‑
rent,HVDC)输电，电机驱动，多电平储能系统，电力电子变压器等。随着分布式电源的普及，为适应不断增长的发电量和电力需求，中压大功率微电网将成为可再生能源消纳和灵活供配电的主要载体之一。MMC作为高效灵活的中高压变换器，在中压微电网中受到广泛的关注。
[0003]并网功率变换器的控制方式可分为两类，电流控制方式和直接功率控制。对于电流控制方式，通常采用级联式分层控制结构。其主要包括两个比例积分(Proportional Integral,PI)控制器，分别用于控制d
‑
q旋转坐标系中的电流矢量。然而，传统的级联式分层控制结构不仅需要额外坐标变换环节，而且还需要对其进行解耦，分别控制有功和无功分量。此外，对于并网变换器的应用，通常需将功率输出参考值转换为电流参考值，对变换器的输出电流进行控制。该过程在控制系统中引入了额外的开环控制环节，且其控制精度依赖于电网电压的测量精度。为解决上述问题，有文献提出了基于瞬时有功功率和无功功率测量反馈值的直接功率控制方法(Direct Power Control,DPC)。与传统的电流控制方法相比，直接功率控制方法直接控制变换器对有功功率和无功功率指令进行跟踪，且控制复杂性相对较低。此外，当变换器需要对电力电子负载中的谐波进行补偿时，直接功率控制方式不需要检测谐波电流的幅度和相角，进一步减轻了控制器的计算负担。
[0004]专利技术人在实现本专利技术的过程中，发现现有技术中至少存在以下缺点和不足：
[0005]1、现有的传统级联形式的线性控制结构不仅需要额外坐标变换环节，而且还需要对其进行解耦，导致控制器设计复杂；
[0006]2、现有技术对并网变换器控制时，需将功率输出参考值转换为电流参考值，引入了额外的开环控制环节，且其控制精度依赖于电网电压的测量精度；
[0007]3、MMC的功率控制过程本质为多输入多输出的非线性系统，在采用传统线性控制器对其进行控制时，控制器性能受到限制。

技术实现思路

[0008]本专利技术提供了一种基于反馈线性化的多电平变换器直接功率控制方法，本专利技术利用反馈线性化技术将多输入多输出非线性MMC控制系统的状态函数模型转化为线性解耦系统模型，将线性控制器应用于变换后的线性系统模型中，从而降低控制器设计的难度，详见下文描述：
[0009]第一方面，一种基于反馈线性化的多电平变换器直接功率控制方法，所述方法包括：
[0010]通过反馈线性化技术，将多电平变换器多输入多输出的非线性状态函数模型转化为线性系统；
[0011]对于变换后的线性系统，采用比例谐振控制器对环流进行控制；
[0012]对于变换后的线性系统，采用传统的线性PI控制器对有功功率和无功功率进行控制；
[0013]分析变换后线性系统的零动态特性，证明线性系统的稳定性。
[0014]其中，所述将多电平变换器多输入多输出的非线性状态函数模型转化为线性系统为：
[0015]γ为变换后新线性系统的输入变量，γ＝[γ1,γ2,
…
,γ
m
]，m为输入变量维度。
[0016][0017]其中，和为有功功率和无功功率控制部分的α和β坐标系下输出电压参考值；为环流控制部分的输出电压参考值；A1……
A5为矩阵A(x)的元素；利用反馈线性化技术，将多输入多输出的非线性MMC系统转化为线性系统。
[0018]其中，所述采用比例谐振控制器对环流进行控制具体为：
[0019][0020]式中：K
p2
和K
r2
分别为PR控制器的比例控制器参数和谐振例控制器参数；ω0和ω
c
分别为电网频率和剪切频率，s为控制传递函数中的变量符号，i
cira
、i
cirb
、i
circ
分别为a、b、c三相的环流，分别为a、b、c三相的环流参考值。
[0021]其中，所述对于变换后的线性系统，采用传统的线性PI控制器对有功功率和无功功率进行控制具体为：输入变量γ1和γ2的控制规则表示为：
[0022][0023][0024]式中：K
p1
和K
i1
分别为PI控制器的比例控制器参数和积分例控制器参数，为有功功率的导数，为无功功率的导数，P
*
为有功功率参考值，Q
*
为无功功率参考值。
[0025]第二方面，一种多电平变换器直接功率控制装置，所述装置包括：
[0026]转换模块，用于通过反馈线性化技术，将多电平变换器多输入多输出的非线性状态函数模型转化为线性系统；
[0027]环流控制模块，用于对于变换后的线性系统，采用比例谐振控制器对环流进行控制；
[0028]有功功率和无功功率控制模块，用于对于变换后的线性系统，采用传统的线性PI控制器对有功功率和无功功率进行控制；
[0029]分析模块，用于分析变换后线性系统的零动态特性，证明线性系统的稳定性。
[0030]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0031]1)通过反馈线性化技术，可将多输入多输出的MMC非线性系统转化为线性系统，有助于利用线性控制实现对线性系统的精确控制；
[0032]2)与传统的模块化多电平变换器所采用的线性解耦直接功率控制方法相比，本专利技术降低了系统控制结构的设计难度，且控制效果更加精确；
[0033]3)本专利技术所提出的控制方法，即使在有功和无功功率阶跃条件下，模块化多电平变换器具有更快，更好的动态响应；
[0034]4)为了验证所提出的基于反馈线性化的直接功率控制方法的有效性，在图5中给出了功率阶跃运行工况下的仿真结果。在仿真过程中，在0.5s之前，有功功率和无功功率设置为0.67MW和
‑
0.67MVar。在0.5s时，有功功率从0.67MW增加到1.34MW。然后，在0.7s的时刻，无功功率从
‑
0.67MVar增加到
‑
1.34MVar。
[0035]为进一步验证所提出基于反馈线性化的直接功率控制方法的有效性和动态响应，通过实验室三相MMC样机进行了实验。采用的三相MMC样机如图6所示。实验参数列于表1中。MMC的交流输出端连接到三相可编程交流电源，M本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多电平变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述方法包括：通过反馈线性化技术，将多电平变换器多输入多输出的非线性状态函数模型转化为线性系统；对于变换后的线性系统，采用比例谐振控制器对环流进行控制；对于变换后的线性系统，采用传统的线性PI控制器对有功功率和无功功率进行控制；分析变换后线性系统的零动态特性，证明线性系统的稳定性。2.根据权利要求1所述的一种多电平变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述将多电平变换器多输入多输出的非线性状态函数模型转化为线性系统为：γ为变换后新线性系统的输入变量，γ＝[γ1,γ2,
…
,γ
m
]，m为输入变量维度。其中，和为有功功率和无功功率控制部分的α和β坐标系下输出电压参考值；为环流控制部分的输出电压参考值；A1……
A5为矩阵A(x)的元素；利用反馈线性化技术，将多输入多输出的非线性MMC系统转化为线性系统。3.根据权利要求1所述的一种多电平变换器直接功率控制方法，其特征在于，所述采用比例谐振控制器对环流进行控制具体为：式中：K
p2
和K
r2
分别为PR控制器的比例控制器参数和谐振例控制器参数；ω...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖迁，贾宏杰，穆云飞，赵治国，徐劲，余晓丹，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：