[发明专利]一种MMC直流电压外环控制器及生成方法

摘要

本发明公开了一种MMC直流电压外环控制器及生成方法，在该控制器的生成方法中，考虑模块化多电平换流器的子模块电容电压动态以及负载动态对直流电压动态的影响，建立其直流侧小信号数学模型，推导出直流侧电压与有功电流之间的传递函数，根据传递函数，得到目标直流电压闭环控制模型，进而由目标直流电压闭环控制模型得到目标直流电压外环控制器。本发明从电路的角度推导其直流侧等效电容，相比于传统的由能量等效原理求得的等效集中电容，具有更高的精确度；同时考虑了换流器拓扑不同的运行状态，普适性强；同时考虑了直流侧动态行为对控制器的影响，包括直流侧为恒功率电阻负载以及换流站负载两种情况，应用范围广。

主权项

1.一种MMC直流电压外环控制器生成方法，其特征在于，包括：(1)获取适用于模块化多电平换流器MMC在调制比大于1与调制比不大于1的两种运行状态下的平均开关函数；其中，在步骤(1)中，上桥臂与下桥臂的平均开关函数分别为：其中，S_kp为上桥臂的平均开关函数，S_kn为下桥臂的平均开关函数，k代表a、b、c三相且k∈(a,b,c)，m为系统的调制比，ω为交流系统的基频角速度，为平均开关函数基频分量的相位，m_max为系统允许的最大调制比；(2)考虑子模块的电容电压动态，获取子模块电容电压直流分量、基频分量以及二倍频分量，并结合平均开关函数以及MMC的运行原理获取MMC的桥臂电压，进而由桥臂电压获取包含内部电压动态的直流侧电压；其中，在步骤(2)中，子模块电容电压直流分量的动态表示为：其中，为子模块电容电压的直流分量，i_dc为直流侧电流，C为子模块电容值，为平均开关函数基频分量的相位，I₁为交流侧电流基频分量的幅值，β_k1为交流侧电流基频分量的相位，k代表a、b、c三相且k∈(a,b,c)，m为系统调制比，m_max为系统允许的最大调制比；在步骤(2)中，基频分量的动态表示为：，其中，u_{c_1k}为子模块电容电压的基频分量，i_dc为直流侧电流，C为子模块电容值，为平均开关函数基频分量的相位，I₁为交流侧电流基频分量的幅值，β_k1为交流侧电流基频分量的相位，I₂为环流的二倍频分量的幅值，β_k2为环流的二倍频分量的相位，k代表a、b、c三相且k∈(a,b,c)，ω为交流系统的基频角速度，m为系统调制比，m_max为系统允许的最大调制比；二倍频分量的动态表示式为：子模块电容电压的二倍频分量，C为子模块电容值，为平均开关函数基频分量的相位，I₁为交流侧电流基频分量的幅值，β_k1为交流侧电流基频分量的相位，I₂为环流的二倍频分量的幅值，β_k2为环流的二倍频分量的相位，k代表a、b、c三相且k∈(a,b,c)，ω为交流系统的基频角速度，m为系统调制比，m_max为系统允许的最大调制比；直流侧电压为：其中，u_dc为直流侧电压，i_dc为直流侧电流，N为各桥臂子模块数目，L为桥臂电感，R为桥臂电阻，ω为交流系统的基频角速度，为子模块电容电压的直流分量，U_{c_1}为子模块电容电压基频分量u_{c_1k}幅值，θ_k1为子模块电容电压基频分量u_{c_1k}的相位，为平均开关函数基频分量的相位，k代表a、b、c三相且k∈(a,b,c)，m为系统调制比，m_max为系统允许的最大调制比；(3)将子模块电容电压的各频次分量以及直流侧电压利用dq变换矩阵变换至dq坐标系下；(4)将经过dq变换矩阵变换后的子模块电容电压的各频次分量以及直流侧电压进行线性化处理，得到子模块电容电压的各频次分量以及直流侧电压的小信号模型；(5)将小信号模型变换至s域，根据恒功率电阻负载和定功率控制换流站负载，获取直流侧电压与有功电流之间的传递函数，根据传递函数，得到目标直流电压闭环控制模型，进而由目标直流电压闭环控制模型得到目标直流电压外环控制器；其中，对于恒功率电阻负载，对精确的模型简化处理，得到直流侧电压udc与有功电流id之间的传递函数为：其中，Δu_dc为直流侧电压的扰动量，Δi_d为交流侧电流的d轴分量的扰动量，u_dc0为直流侧电压的稳态量，u_cd0为公共连接点(PCC)电压的d轴分量的稳态量，R_L为负载电阻，C为子模块电容值，N为各桥臂子模块数目，m_max为系统允许的最大调制比，s为拉普拉斯算子；对定功率控制的换流站负载，直流侧电压u_dc与有功电流i_d之间的传递函数为：其中，Δu_dc为定直流电压控制的换流站的直流侧电压的扰动量，Δi_d为定直流电压控制的换流站的交流侧电流的d轴分量的扰动量，u_dc0为定直流电压控制的换流站的直流侧电压的稳态量，u_cd0为定直流电压控制的换流站的公共连接点(PCC)电压的d轴分量的稳态量，C为定直流电压控制的换流站的子模块电容值，C'为定功率控制的换流站的子模块电容值，N为定直流电压控制的换流站的各桥臂子模块数目，N'为定功率控制的换流站的各桥臂子模块数目，m_max为定直流电压控制的换流站允许的最大调制比，m′_max为定功率控制的换流站允许的最大调制比，s为拉普拉斯算子。