[发明专利]模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法

摘要

本发明公开了一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法。本发明所述变流器MMC系统中包含带有光伏电池板的子模块、直流电网和三相交流电网三个端。本控制方法包括子模块输出功率的获取，根据系统功率分配指令分别进行三端功率控制，并且在三相电池板的输出功率指令不相等时，分别根据不平衡情况通过在各相的桥臂中注入桥臂零序环流进行功率跟踪，可以使三相系统能够按预定功率指令稳定运行并且保证三相交流电网输出功率平衡。

主权项

1.一种模块化多电平变流器相间功率不平衡控制方法，所述的模块化多电平变流器包括A、B、C三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由N个带有光伏电池的子模块和一个电感L组成，将桥臂的第i个子模块记为SMi，i＝1，2，3···N，其中，N＞1，即所述的模块化多电平变流器每相含有2N个子模块；模块化多电平变流器系统含有连接直流电网的公共直流母线；每个子模块由一个半桥子模块、一个支撑电容C_SM和一组光伏电池并联组成；每个子模块的输出电压为0V或光伏电池的电压；所述的半桥子模块结构由两个绝缘栅双极型晶闸管VT₁、VT₂和两个续流二极管D1、D2组成，绝缘栅双极型晶闸管VT₁和VT₂串联，VT₁的发射极与VT₂的集电极相接，续流二极管D1、D2分别反并联在各自相对应的绝缘栅双极型晶闸管VT₁和VT₂两端；绝缘栅双极型晶闸管VT₁的集电极与支撑电容C_SM和光伏电池的正极相接，绝缘栅双极型晶闸管VT₂的发射极与支撑电容C_SM和光伏电池的负极相接；本控制方法包括电压和电流的采集，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，信号采集，包括：三相交流电网的相电压u_ga,u_gb,u_gc；三相6个桥臂电流，包括A相上桥臂电流i_pa，A相下桥臂电流i_na，B相上桥臂电流i_pb，B相下桥臂电流i_nb，C相上桥臂电流i_pc，C相下桥臂电流i_nc；直流电网电压U_dc即直流母线电压；所有子模块电容电压也就是其所接光伏电池的输出电压，包括A相上桥臂第i个子模块电压u_smapi，A相下桥臂第i个子模块电压u_smani，B相上桥臂第i个子模块电压u_smbpi，B相下桥臂第i个子模块电压u_smbni，C相上桥臂第i个子模块电压u_smcpi，C相下桥臂第i个子模块电压u_smcni；所有子模块中光伏电池的输出电流，包括A相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流i_pvapi，A相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流i_pvani，B相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流i_pvbpi，B相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流i_pvbni，C相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流i_pvcpi，C相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流i_pvcni；流入电网的三相电流i_ga,i_gb,i_gc分别由得到；三相桥臂环流i_diffa,i_diffb,i_diffc分别由式得到；步骤2，通过模块化多电平变流器6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令分别求出6个桥臂的平均输出功率指令并通过该6个桥臂的平均输出功率指令，求出A、B、C三相各自的子模块总平均输出功率指令和三相所有子模块的总平均输出功率值指令具体步骤如下：步骤2.1，求6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令其过程为：将采集到的A相上桥臂第i个子模块电压u_smapi与光伏电池的输出电流i_pvapi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的A相上桥臂第i个子模块电压u_smapi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值u_smapiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与u_smapiL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的A相下桥臂第i个子模块电压u_smani与光伏电池的输出电流i_pvani送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的A相下桥臂第i个子模块电压u_smani经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值u_smaniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与u_smaniL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的B相上桥臂第i个子模块电压u_smbpi与光伏电池的输出电流i_pvbpi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的B相上桥臂第i个子模块电压u_smbpi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值u_smbpiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与u_smbpiL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的B相下桥臂第i个子模块电压u_smbni与光伏电池的输出电流i_pvbni送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的B相下桥臂第i个子模块电压u_smbni经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值u_smbniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与u_smbniL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的C相上桥臂第i个子模块电压u_smcpi与光伏电池的输出电流i_pvcpi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的C相上桥臂第i个子模块电压u_smcpi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值u_smcpiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与u_smcpiL相乘得到子模块平均输出功率指令将采集到的C相下桥臂第i个子模块电压u_smcni与光伏电池的输出电流i_pvcni送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的C相下桥臂第i个子模块电压u_smcni经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值u_smcniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与u_smcniL相乘得到子模块平均输出功率指令其计算式分别为：A相上桥臂第i个子模块电压平均值u_smapiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：A相下桥臂第i个子模块电压平均值u_smaniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：B相上桥臂第i个子模块电压平均值u_smbpiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：B相下桥臂第i个子模块电压平均值u_smbniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：C相上桥臂第i个子模块电压平均值u_smcpiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：C相下桥臂第i个子模块电压平均值u_smcniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：式中的h为陷波器需要滤除的谐波次数、ω_h为陷波器需要滤除的谐波角频率、Q为陷波器的品质因数、τ为一阶低通滤波器的时间常数、s为拉普拉斯算子、为对所有数值下标“h”涉及到的方程式进行求积，K_up为比例控制系数、K_ui为积分控制系数；步骤2.2，通过步骤2.1得到的6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令分别求出6个桥臂的平均输出功率指令步骤2.3，通过步骤2.2得到的6个桥臂的平均输出功率指令，求出A、B、C三相各自的子模块总平均输出功率指令和三相所有子模块的总平均输出功率值指令步骤3，能量分配控制；根据系统调配指令获取直流电网输出功率指令和三相交流电网有功输出功率指令进而获取三相交流电网有功电流i_d的指令值和三相桥臂零序环流i_diffa0,i_diffb0,i_diffc0的指令值所述的三相桥臂零序环流i_diffa0,i_diffb0,i_diffc0为三相桥臂环流i_diffa,i_diffb,i_diffc的零序分量；设三相交流电网电压u_ga,u_gb,u_gc,和三相交流电网电流i_ga,i_gb,i_gc,分别为：式中，U_m,I_m分别为三相交流电网电压和电流的峰值，为三相交流电网功率因数；设i_q为无功电流，为i_q的参考值，令电网有功电流i_d的指令值获取方式为：三相桥臂零序环流i_diffa0,i_diffb0,i_diffc0的指令值的获取方式为：式中，分别为A、B、C三相桥臂从直流侧吸收的功率指令值，直流电网输出功率指令为A、B、C三相桥臂从直流侧吸收的功率指令值的总和，式中0≤α≤1，α由系统调度指令得到；步骤4，三相交流电网的功率控制；步骤4.1，对步骤3中得到的三相交流电网电流i_ga,i_gb,i_gc,进行跟踪控制，具体的，先根据步骤1中采集得到的三相交流电网电压u_ga,u_gb,u_gc，经软件锁相环PLL得到三相交流电网电压的dq分量u_gd,u_gq和相角θ_g，然后令三相交流电网对称时U_m＝u_gd,u_gq＝0，再将得到的i_ga,i_gb,i_gc经abc/dq坐标变换得到基于三相交流电网相角θ_g定向的三相交流电网电流i_ga,i_gb,i_gc的dq分量i_d,i_q；步骤4.2，根据步骤3得到的有功电流指令值以及系统无功指令值与i_d,i_q作差后经PI控制方程式得到三相电感电压的dq分量，其方程式为：上式中的K_p为比例控制系数、K_i为积分控制系数；步骤4.3，先将步骤4.2得到的u_dl,u_ql经dq/abc坐标变换得到基于电网相角θ_g定向的三相交流电感电压的u_al,u_bl,u_cl，再将三相交流电感电压u_al,u_bl,u_cl与三相交流电网电压u_ga,u_gb,u_gc分别相加得到三相交流输出电压参考值步骤5，桥臂环流的控制；令上下桥臂功率相等，即不考虑上下桥臂不平衡的情况，并且不考虑桥臂内各子模块的差异，将步骤3所述的三相桥臂零序环流指令值赋值给三相桥臂环流指令值所述环流指令值与步骤1所述的三相桥臂环流i_diffa,i_diffb,i_diffc作差后经PI控制方程式得到A、B、C三相的桥臂电感电压参考值，其计算式为：式中的K_ip为比例控制系数、K_ii为积分控制系数；步骤6，根据步骤4得到的三相交流输出电压参考值步骤5中得到的桥臂电感电压参考值和步骤1中采样得到的直流电压U_dc生成6个桥臂的调制波：先得到6个桥臂输出电压参考值，其表达式为：然后得6个桥臂调制波，其表达式为：6个桥臂调制波与各桥臂子模块的载波信号分别比较，得到每个子模块的PWM开关信号，在所述载波分配调制策略中采用按如下载波移相方式产生三角载波信号：设定每相上桥臂N个子模块对应的三角载波信号依次对应CP₁，CP₂，CP₃，…，CP_N，相邻的三角载波间隔相位为1/N，每相下桥臂N个子模块对应的三角载波信号依次对应CN₁，CN₂，CN₃，…，CN_N，相邻的三角载波间隔1/N，下桥臂与上桥臂的对应相同序号的三角波信号间隔1/(2N)，所有三角载波信号的峰值均为1，幅值为0～1，变流器的三相输出电压可达2N+1电平；各桥臂的调制波与对应桥臂子模块的三角载波信号比较，当调制波大于等于三角载波时，对应子模块的PWM信号为1，令该子模块绝缘栅双极型晶闸管VT₁导通，绝缘栅双极型晶闸管VT₂关闭，此时该子模块输出电压为光伏电池的电压；当调制波小于三角载波时，对应子模块的PWM信号为0，令该子模块的绝缘栅双极型晶闸管VT₁关闭，绝缘栅双极型晶闸管VT₂导通，此时该子模块输出电压为0。