基于双PI控制器的模块化多电平变换器环流抑制策略

发布时间：2019-09-29 14:02

【摘要】：由于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)本身的结构特点带来了桥臂环流问题,环流的存在使得MMC桥臂电流发生畸变,从而提高了器件的额定电流容量,增加了系统成本,甚至威胁功率器件和电容的正常安全运行。为了克服上述问题,首先建立了MMC的数学模型,推导出环流中主要存在直流分量和偶数次环流谐波分量,其中2次、4次谐波所占比重最大。为了实现对环流的有效抑制,提出了一种基于双PI控制器的环流抑制策略;基于该策略搭建了Matlab/Simulink仿真和实验平台,实验和仿真结果验证了环流理论分析的正确性和所提环流抑制策略的有效性。
【图文】：

MMC工作原理分析1.1MMC数学模型图1为MMC主电路拓扑结构示意图。由图1可以看出，MMC主要包括三相，每相由上、下桥臂组成，每个桥臂由n个子模块(SM)与一个滤波电抗器串联而成，每个子模块由半桥和电容并联构成，通过控制子模块IGBT开关动作可以调节子模块输出电压[13-14]。图1中：IGBT1和IGBT2表示电力电子开关器件，D1和D2表示反并联二极管，Uc表示电容电压，iSM和USM分别表示流入子模块的电流，和子模块输出电压，usx和ix(x=a,b,c)分别表示电网电压和电流，L为滤波电感，SMi(i=1,2,3,…,n)图1MMC主电路拓扑结构Fig.1ThetopologyofMMC为各桥臂串联的子模块，ipx、inx和izx(x=a,b,c)分别表示各相上、下桥臂电流和环流，Lbridge为桥臂电感，Udc为直流侧母线电压。图2为MMC的单相等效电路，其中us表示电网相电压。上桥臂或者下桥臂所串联的子模块可以等效为受控电压源(up、un)，uout为单相输出电压，MMC三相输出通过滤波电感与电网相连结。忽略桥臂滤波电抗器上的电压降则可得如下方程式：dcpoutdcnout22UuuUuu(1)zz_dcciriIi图2MMC单相等效电路Fig.2ThesinglephaseequivalentcircuitofMMCip、in分别表示上、下桥臂电流，主要包括两部分：环流成分iz和输出电流iout，它们存在如下关系：outpzoutnz22iiiiii(2)环流也可以分为两部分：直流分量z_dcI和交流环流分量cirI；直流分量z_dcI在三相之间均分，起到功率传输的作用，交流环流分量cirI主要在MMC三相之间内部流动，对外部输出电流outi不会造成影响。不考虑MMC变换器内部损耗，则根据功率

5,z_7,z_9,...I0(23)从式(19)—(23)中可以看出，环流中只包含偶数次谐波，奇数次谐波都等于零；根据式(19)可知桥臂电抗器可有效抑制高次谐波。因此，通过上述建立环流数学模型可得出如下结论：环流中只含有直流分量和偶数次谐波，不含有奇数次谐波，并且2次、4次谐波所占比重最大。2环流控制策略2.1直流分量环流控制根据第2节的分析可知，MMC三相间的桥臂电压之和不一致是引起环流的主要原因，而环流中的直流分量起到维持三相能量均衡和传输功率的作用，为了保证MMC的正常运行必须对直流分量进行有效的控制。图3为直流分量的控制框图。图3中：vx表示x相电压调制信号；ipx和inx分别表示x相上、下桥臂电流，izx和izx*分别表示x相环流和环流参考；xv(x=a,b,c)为每相平均电压。pn111()2nnxxixiiivuun,x=a,b,c(24)式中upxi和unxi分别表示x相上、下桥臂第i个子模块的输出电压值。vx*zix*capU图3直流分量环流控制Fig.3Thecontrolofdccirculatingcurrent由图3可以看出，通过外环电压控制可以保证每相电压的平均值等于理论参考值，并生成相应的直流分量环流指令*zxi，迫使桥臂电流跟随外环指令变化，从而实现直流分量的控制。考虑到环流中含有一定的谐波电流，而比例谐振(proportionalresonant，，PR)控制器可以很好地对交流信号实现无静差调节，所以内环电流部分采用了PR控制器。由于直流分量环流是通过调节每相桥臂电容电压的均值相等来实现控制的，所以直流分量环流控制实质上起到了电容电压均衡的作用。2.2谐波环流分量控制根据上节的控制算法，尽管通过对每相电容电压的平均控制，一定程度上间接抑制了相间环流，但只是稳定控制环流中的?
【作者单位】： 东南大学电气工程学院;山东电力集团公司;淄博供电公司;
【分类号】：TM46

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本文编号：2543966