基于MMC-PET的永磁同步电机无源控制驱动系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于MMC

【技术实现步骤摘要】
基于MMC
‑
PET的永磁同步电机无源控制驱动系统


[0001]本专利技术涉及一种永磁同步电机驱动控制技术，特别涉及一种基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)
‑
电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)(也即MMC
‑
PET)的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)无源控制(Passivity
‑
Based Control，PBC)驱动系统。

技术介绍

[0002]电力电子变压器是新兴的基于电力电子技术的新型智能电力变压器，能够完成灵活的变换电压和能量流动功能，和传统的变压器相比，具有体积小、功率密度高、噪声低、少污染等优点，在全世界都关注大力发展能源互联网的今天，其在配电网中广泛应用已成为不可避免的趋势。针对传统的PET拓扑已经提出许多结构，采用模块化多电平换流器型三级式结构具有改善电压质量、可进行有功功率交换以及增大适用范围的优势。永磁同步电机具有低惯性、结构简单、运行经济、效率高等优势，在列车牵引、风力发电等多个领域应用日益广泛。

技术实现思路

[0003]为了进一步提高永磁同步电机控制性能，提出了一种基于MMC
‑
PET的永磁同步电机无源控制驱动系统，将MMC
‑
PET适用于高电压、大功率电力系统的优势与PMSM无源控制相结合，保证正常电压变换的同时，系统更稳定。
[0004]本专利技术的技术方案为：一种基于MMC
‑
PET的永磁同步电机无源控制驱动系统，采用输入级、中间级和输出级的3级式结构向无源网络供电；
[0005]输入级：高压电通过模块化多电平换流器MMC对三相交流进行整流；
[0006]中间级：采用串联输入、并联输出的双有源桥式变换器对输入级输出直流电进行隔离降压；
[0007]输出级：采用三相全桥逆变器，三相全桥逆变器输出连接永磁同步电机。
[0008]优选的，所述输入级的MMC由每相上、下2个桥臂三相共6个桥臂构成，每个桥臂都由N个子模块SM与桥臂电感L
s
和桥臂等值电阻R
s
相互串联而成；每一个SM都采用半桥的结构，包含2个反并联了二极管的IGBT和1个并联在2个串联IGBT两端的储能电容C。
[0009]优选的，所述输入级的MMC的控制方法：
[0010]根据MMC拓扑结构，根据Kirchhoff定律，可得MMC换流器的数学模型为：
[0011][0012][0013]式中：u
sa
、u
sb
、u
sc
分别为输入高压端三相交流电压；i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为输入MMC换流器的三相交流电流；L0、R0分别为三相高压端与MMC换流器每相连接线路电感和电阻；u
a
、u
b
、u
c
分别为MMC换流器输出三相直流电压；u
dc
为MMC换流器的输出直流电压；u
jp
、u
jn
分别为第j相上、下臂电压；i
jp
、i
jn
分别为第j相上、下臂电流；j＝a、b、c三相；
[0014]由上式得MMC交流侧电磁暂态方程为：
[0015][0016]其中，
[0017][0018]式中：i＝1,2...,N；j＝a,b,c；N为单个桥臂上子模块的数量；u
sj
、i
sj
分别为第j相三相交流电源电压、电流；R
eq
、L
eq
分别为MMC的等效电阻、等效电感；S
j
为第j相开关控制变量，与上下桥臂投入的SM数量有关，目的是控制MMC交流侧的输出电压；S
jpi
、S
jni
为第j相上、下桥臂第i个子模块的开关函数；
[0019]由MMC换流器的数学模型可得直流侧在abc坐标系下的电磁暂态方程为：
[0020][0021]式中：为直流侧电压的期待值；L
s
为桥臂电感；C
eq
为上、下桥臂的等效电容；i
dc
为直流侧电流；
[0022]将MMC换流器的数学模型经过abc
‑
dq0变换，可得在dq旋转坐标系下的数学模型为：
[0023][0024]式中：u
sd
、u
sq
和i
sd
、i
sq
为三相电压和电流在d、q轴上的分量；S
d
、S
q
为S
j
在d、q轴上的分量；ω为角速度；
[0025]对直流侧在abc坐标系下的电磁暂态方程求导数运算，在将直流电流波动省去不计的前提下，即其中的直流侧电流的微分项求导量，可推得：
[0026][0027]将上式变换到dq轴坐标系下可得：
[0028][0029]将dq坐标系下的MMC换流器数学模型分电流内环、电压外环进行PID控制。
[0030]优选的，所述中间级的双有源桥式变换器采用输入均压控制：双有源桥式变换器包括输入端DC
‑
AC变换器、AC
‑
AC变换器、输出端AC
‑
DC变换器3个子模块，U
inn
为串联侧各子模块输入电压，n＝1,2,3；U
out
、U
out_ref
分别为直流侧输出电压测量值、参考值，两者的差值通过PI调节后输出各个子模块移向比参考值d
sH_ref
；U
in_av
为子模块输入电压平均值，各子模块输入电压U
inn
与输入电压平均值U
in_av
的差值通过PI调节后输出各子模块移相比修正量Δd
sHk
，k＝1,2,3；各子模块移相比修正量Δd
sHk
和参考值d
sH_ref
的差值作为对每子模块的移相比的控制值。
[0031]优选的，所述输出级连接的永磁同步电机建立基于耗散哈密尔顿PCHD的PMSM模型，PMSM模型采用无源控制。
[0032]优选的，所述基于耗散哈密尔顿PCHD的PMSM模型无源控制设计方法：为使PMSM在平衡点x
*
达到稳定状态，利用反馈构建闭环期望的能量函数H
d
(x)，令其在x
*
处取最小值，即在x
*
的一邻域内满足H
d
(x)>H
d
(x
*
)，设计反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MMC
‑
PET的永磁同步电机无源控制驱动系统，其特征在于，采用输入级、中间级和输出级的3级式结构向无源网络供电；输入级：高压电通过模块化多电平换流器MMC对三相交流进行整流；中间级：采用串联输入、并联输出的双有源桥式变换器对输入级输出直流电进行隔离降压；输出级：采用三相全桥逆变器，三相全桥逆变器输出连接永磁同步电机。2.根据权利要求1所述基于MMC
‑
PET的永磁同步电机无源控制驱动系统，其特征在于，所述输入级的MMC由每相上、下2桥臂三相共6个桥臂构成，每个桥臂都由N个子模块SM与桥臂电感L
s
和桥臂等值电阻R
s
相互串联而成；每一个SM都采用半桥的结构，包含2个反并联了二极管的IGBT和1个并联在2个串联IGBT两端的储能电容C。3.根据权利要求2所述基于MMC
‑
PET的永磁同步电机无源控制驱动系统，其特征在于，所述输入级的MMC的控制方法：根据MMC拓扑结构，根据Kirchhoff定律，得MMC换流器的数学模型为：根据MMC拓扑结构，根据Kirchhoff定律，得MMC换流器的数学模型为：式中：u
sa
、u
sb
、u
sc
分别为输入高压端三相交流电压；i
sa
、i
sb
、i
sc
分别为输入MMC换流器的三相交流电流；L0、R0分别为三相高压端与MMC换流器每相连接线路电感和电阻；u
a
、u
b
、u
c
分别为MMC换流器输出三相直流电压；u
dc
为MMC换流器的输出直流电压；u
jp
、u
jn
分别为第j相上、下臂电压；i
jp
、i
jn
分别为第j相上、下臂电流；j＝a、b、c三相；由上式得MMC交流侧电磁暂态方程为：其中，式中：i＝1,2...,N；j＝a,b,c；N为单个桥臂上子模块的数量；u
sj
、i
sj
分别为第j相三相交流电源电压、电流；R
eq
、L
eq
分别为MMC的等效电阻、等效电感；S
j
为第j相开关控制变量，与上下桥臂投入的SM数量有关，目的是控制MMC交流侧的输出电压；S
jpi
、S
jni
为第j相上、下桥臂第i个子模块的开关函数；由MMC换流器的数学模型可得直流侧在abc坐标系下的电磁暂态方程为：
式中：为直流侧电压的期待值；L
s
为桥臂电感；C
eq
为上、下桥臂的等效电容；i
dc
为直流侧电流；将MMC换流器的数学模型经过abc
‑
dq0变换，得在dq旋转坐标系下的数学模型为：式中：u
sd
、u
sq
和i
sd
、i
sq
为三相电压和电流在d、q轴上的分量；S
d
、S
q
为S
j
在d、q轴上的分量；ω为角速...

【专利技术属性】
技术研发人员：程启明，傅文倩，叶培乐，谢怡群，周雅婷，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：