阅读说明：本技术 基于电网电压故障下的对无源网络供电的mmc-pet的控制方法 (MMC-PET control method for supplying power to passive network based on power grid voltage fault ) 是由 程启明 赵淼圳 江畅 马信乔 程尹曼 于 2019-11-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于电网电压故障下的对无源网络供电的MMC-PET的控制方法,包括：1)针对MMC-PET输入级,对输入的电压电流进行正负零序分离,针对电流的正负序进行控制,2)根据MMC-PET输入级变流器的EL数学模型,验证其严格无源性,3)针对电网故障时产生的正、负电流,设计无源控制器和零序电流PI控制器,4)MMC-PET输入级的外环控制采用定直流电压和无功功率控制,5)采用适用于电网电压不平衡条件下的MMC-PET输入级的环流抑制,6)针对MMC-PET的中间隔离级,采用移相均压的控制,7)对于MMC-PET输出侧的三相电压型全桥逆变器,内环采用电流解耦控制,外环采用定交流电压控制和定无功功率控制,本发明提供的方法具有动态响应快,应用范围广,控制效果显著等优点。(The invention relates to a control method of MMC-PET for supplying power to a passive network based on a power grid voltage fault, which comprises the following steps: 1) aiming at an MMC-PET input stage, positive and negative zero sequence separation is carried out on input voltage and current, and the positive and negative sequence of the current are controlled, 2) strict passivity is verified according to an EL mathematical model of an MMC-PET input stage converter, 3) a passive controller and a zero sequence current PI controller are designed aiming at positive and negative currents generated when a power grid fails, 4) outer loop control of the MMC-PET input stage adopts constant direct current voltage and reactive power control, 5) circulating current inhibition suitable for the MMC-PET input stage under the condition of unbalanced voltage of the power grid is adopted, 6) intermediate isolation level aiming at the MMC-PET is adopted, phase-shifting and voltage-equalizing control is adopted, 7) a three-phase full-bridge inverter at the output side of the MMC-PET is adopted, the inner loop adopts current decoupling control, and the outer loop adopts constant alternating current voltage control and constant reactive power control, and the method provided by the invention has fast dynamic, wide application range, obvious control effect and the like.)

基于电网电压故障下的对无源网络供电的MMC-PET的控制 方法

技术领域

本发明涉及MMC电力电子变压器控制技术领域，尤其是涉及一种基于电网电压故障下的对无源网络供电的MMC-PET的控制方法。

背景技术

在电力系统中，变压器是最可靠且运用最为广泛的电气设备，但是近年来，随着分布式能源的快速发展，工业、商业和住宅的这些电力用户应用的非线性负载的增加，由于传统的配电变压器缺乏灵活性和双向能量控制能力，已经不能满足电力系统的要求。而采用高频变压器的电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)在电压骤降补偿、瞬时电压调节、功率因数校正和谐波抑制等方面，与传统变压器相比有着无可比拟的优势。

同时PET的体积和重量较小的优点，完全可以满足智能电网的要求。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)技术具有输出电平数量多、电磁兼容性好、谐波含量低、开关器件耐压能力要求低、开关损耗较小等优势。

随着MMC技术的快速发展，在中高压电网中，将MMC技术与电力电子变压器(PET)相结合得到的MMC-PET已成为国内外发展的趋势。当电网电压故障时，对于外部，交流侧的电流和功率会发生波动，直流侧电压也会出现波动，严重影响着系统的稳定性和对无源网络供电的电能质量。因此，对电网电压故障下的MMC电力电子变压器的控制十分必要。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于电网电压故障下的对无源网络供电的MMC-PET的控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于电网电压故障下的对无源网络供电的MMC-PET的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：MMC电力电子变压器输入级数学模型建立：根据MMC拓扑结构，基于Kirchhoff定律分别构建MMC输入级的交流侧、直流侧的数学模型；

步骤2：两相旋转坐标转换：根据坐标变换理论，将MMC输入级的交流侧的数学模型变换成dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型；

步骤3：MMC电力电子变压器输入级欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange，EL)EL数学模型建立：根据MMC电力电子变压器输入级的dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型，建立电网电压故障下的EL模型；

步骤4：根据MMC电力电子变压器输入级在电网电压故障下的EL模型，进行无源性的判断，若MMC为严格无源，则对其采用无源控制；

步骤5：根据MMC电力电子变压器输入级EL数学模型，设置用于无源控制的正负序电流内环无源控制器；

步骤6：设置用于抑制MMC-PET输入级桥臂中的正负零序二倍频环流的正、负、零序的二倍频环流控制器；

步骤7：针对MMC电力电子变压器的中间隔离级，设置在电网电压故障下用于减小MMC-PET输入级直流侧的电压波动对无源网络的影响的控制器；

步骤8：针对MMC电力电子变压器的输出级，内环采用电流解耦控制，外环采用定交流电压控制和定无功功率控制。

进一步地，所述的步骤1中的MMC输入级的交流侧的数学模型，其描述公式为：

式中，u_va、u_vb和u_vc分别为MMC输入侧的三相交流电压，u_a、u_b和u_c分别为电网侧的三相电压，i_a、i_b和i_c分别为电网侧的三相电流，R_s和L_s分别为输电线路的等值电阻和等值电感；

MMC输入级的直流侧的数学模型，其描述公式为：

式中，u_dc表示MMC输入侧的单相直流电压，u_1j和u_2j分别为j相的上下桥臂的电压，i_cirj表示j相的环流。

进一步地，所述的步骤2中的dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型，其描述公式为：

式中，u_d和u_q分别为电网侧三相交流电压在两相旋转坐标系下的d、q轴分量，i_d和i_q分别为电网侧三相交流电流在两相旋转坐标系下的d、q轴分量，ω为电网侧的交流系统角频率，u_sd和u_sq分别为MMC输入侧的三相交流电压在两相旋转坐标系下的d、q轴分量。

进一步地，所述的步骤3中，MMC电力电子变压器输入级在电网电压故障下的EL模型，其描述公式为：

其中，

式中，M为正定对角阵，J⁺和J^-为反对称阵，R为正定的对称阵，x⁺和x^-为正负状态向量矩阵，和为正负状态向量导数矩阵，u⁺和u^-为正负序系统输入矩阵。

进一步地，所述的步骤5包括以下分步骤：

步骤51：对严格无源的MMC系统确定电网电压不平衡条件下的期望稳定平衡点，获取正负序系统EL模型；

步骤52：注入阻尼，加速正负序系统EL模型的能量耗散；

步骤53：根据耗散后的正负序系统EL模型设置正负序无源控制器。

进一步地，所述的步骤51中的正负序系统EL模型，其描述公式为：

式中，

和

分别为正负序系统的误差变量，

和

分别为正负序系统中状态变量

和

的期望值，

和

分别为正负序系统的误差导数变量。

进一步地，所述的步骤52中，注入阻尼，加速正负序系统EL模型的能量耗散后得到的注入阻尼后的正负序系统EL模型，其描述公式为：

式中，

为注入正负序的阻尼耗散项，

和

分别为正负序耗散项的系数，

和

分别为正负序系统的控制变量。

进一步地，所述的步骤53中，正负序无源控制器的控制信号，其描述公式为：

式中，

和

分别为MMC输入侧的交流电压在正负序下的d、q轴分量。

进一步地，所述的步骤6中的正、负、零序的二倍频环流控制器的对应控制模型，其描述公式为：

式中，和

分别为正负序d、q轴、零序的二倍频环流控制器的控制输入量，L为MMC的桥臂电感，和分别为二倍频环流中的正负序分量的d、q轴幅值及零序分量的幅值，

和

分别为二倍频环流中的正负序分量的d、q轴参考值及零序分量的参考值，k_p、k_i、k_P4、k_I4、k_P5、k_I5、k_P6、k_I6、k_P7和k_I7分别为PI控制的对应设置参数。

进一步地，所述的步骤7中的控制器采用移相均压的控制逻辑，其对应控制模型的描述公式为：

θ_j＝θ^*-[k_p2(u_inj-u_in(avg))+k_i2∫(u_inj-u_in(avg))dt](j＝1,2,...,n)

式中，θ^*为移相参考值，u_dcL为MMC-PET低压侧的直流电压，

为MMC-PET低压侧的直流电压参考值，k_p1和k_i1为移相均压的控制逻辑中PI控制的对应设置参数，[k_p2(u_inj-u_in(avg))+k_i2∫(u_inj-u_in(avg))dt]为各个移相修正值，θ_j为移相变量。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明的控制方法步骤中对于MMC-PET输出侧的三相电压型全桥逆变器，内环采用电流解耦控制，外环采用定交流电压控制和定无功功率控制，再进一步减小电网故障时无功功率的波动对无源网络的影响，有效地提高了电能质量。

(2)本发明的控制方法步骤中采用适用于电网电压不平衡条件下的MMC电力电子变压器输入级的环流抑制策略，提高MMC电力电子变压器的整体性动态性能。

(3)本发明的控制方法步骤中针对MMC电力电子变压器的中间隔离级，采用采用移相均压的控制策略，在电网电压故障时，进一步减小MMC-PET输入级直流侧的电压波动对无源网络的影响。

(4)本发明的控制方法步骤中MMC电力电子变压器输入级的外环控制采用定直流电压和无功功率控制，减小电网电压故障对直流电压的影响。

(5)本发明提供的方法，适用于电网正常运行和电网电压故障的情况，具有动态响应快，应用范围广，控制效果显著等优点。

附图说明

图1为MMC电力电子变压器拓扑图；

图2为本发明MMC电力电子变压器各部分控制框图，其中，图2(a)为本发明MMC电力电子变压器输入级的总控制框图，图2(b)为本发明MMC电力电子变压器输入级环流控制框图，图2(c)为本发明MMC电力电子变压器中间隔离级控制框图，图2(d)为本发明MMC电力电子变压器输出级控制框图；

图3为本发明MMC电力电子变压器正常运行时输入级MMC子模块电容电压波形图；

图4为本发明MMC电力电子变压器正常运行时输入级MMC环流波形图；

图5为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入侧电网电压波形；

图6为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入侧电网电流波形；

图7为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入级功率波形；

图8为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入级直流侧电压波形；

图9为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET隔离级输出的直流电压波形；

图10为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输出级输出功率波形；

图11为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输出级输出电压波形；

图12为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输出级输出电流波形；

图13为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入侧电网电压波形；

图14为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入侧电网电流波形；

图15为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入级功率波形；

图16为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入级直流侧电压波形；

图17为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET隔离级输出的直流电压波形；

图18为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输出级输出功率波形；

图19为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输出级输出电压波形；

图20为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输出级输出电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种基于电网电压故障下的对无源网络供电的MMC电力电子变压器的控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：如图1所示，MMC-PET的输入级每相都由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由n个子模块(Sub Module，SM)与桥臂电感L和桥臂等值电阻R串联组成，每个子模块SM由两个带反并联二极管的IGBT组成的半桥和一个电容并联组成，如图2所示为本发明MMC电力电子变压器各部分控制框图，即对应后续步骤中的控制器设计。

MMC电力电子变压器输入级的交流侧、直流侧的数学模型表达式为：

式中，u_va、u_vb和u_vc分别为MMC输入侧的三相交流电压，u_a、u_b和u_c分别为电网侧的三相电压，i_a、i_b和i_c分别为电网侧的三相电流，R_s和L_s分别为输电线路的等值电阻和等值电感，L_s＝L_T+L/2，R_s＝R_T+R/2，R_T和L_T分别为电网侧的电阻和电感；

式中，u_dc表示MMC输入侧的单相直流电压，u_1j和u_2j分别为j相的上下桥臂的电压，i_cirj表示j相的环流，且

i_1j和i_2j分别为j相的上下桥臂的电流。

步骤二：进行两相旋转坐标变换

MMC电力电子变压器输入级在dq两相旋转坐标系下的交流侧数学模型为：

式中，u_d和u_q分别为电网侧三相交流电压在两相旋转坐标系下的d、q轴分量，i_d和i_q分别为电网侧三相交流电流在两相旋转坐标系下的d、q轴分量，ω为电网侧的交流系统角频率，u_sd和u_sq分别为MMC输入侧的三相交流电压在两相旋转坐标系下的d、q轴分量。

步骤三：建立MMC电力电子变压器输入级在电网电压故障下的EL模型

MMC电力电子变压器输入级在电网电压故障下的EL模型为：

其中，

式中，M为正定对角阵，J⁺和J^-为反对称阵，R为正定的对称阵，x⁺和x^-为正负状态向量矩阵，

和

为正负状态向量导数矩阵，u⁺和u^-为正负序系统输入矩阵。

步骤四：对MMC电力电子变压器输入级在电网电压故障下的EL模型，进行无源性的判断

对于m输入m输出的系统：

式中，x∈Rⁿ；u∈R^m为输入；y∈R^m为系统的输出，f为关于(x,u)的局部利普希茨连续。

对于上述系统，若存在半正定且连续可微的存储函数H(x)和正定函数Q(x)，对

时，使耗散不等式满足：

或

对与系统，若满足式上式，则该系统是严格无源。根据上式，选择正、负序无源系统的能量存储函数分别为：

由上式可得：

由于矩阵J⁺和矩阵J^-为反对称阵，因此(x⁺)^TJ⁺x⁺＝0，(x^-)^TJ^-x^-＝0；令y＝x⁺、Q(x)＝(x⁺)^TRx⁺，令y＝x^-、Q(x)＝(x^-)^TRx^-，系统满足严格无源不等式，因此在电网故障下MMC-PET输入级的系统是严格无源的。

步骤五：：针对无源的MMC系统设计MMC正负序无源控制器；

步骤具体内容为：

步骤51)：对严格无源的MMC系统确定电网电压不平衡条件下的期望稳定平衡点，获取正负序系统EL模型，如图2(a)所示；

当电网发生故障时，期望的稳定平衡点为：

式中，

分别为正负序系统中状态变量，

的期望值。

令

分别为正负序系统的误差变量，可得：

式中，

和

分别为正负序系统的误差变量，和

分别为正负序系统中状态变量

和

的期望值，

和

分别为正负序系统的误差导数变量。

分别取误差正负序能量函数：

步骤52)：注入阻尼，加速正负序系统EL模型的能量耗散；

注入正负序的阻尼耗散项为：

式中，

分别为正序、负序耗散项的系数，分别令：

式中，分别为正、负序系统的注入阻尼正定矩阵。

注入阻尼后的正负序系统EL模型的表达式为：

其中，

步骤53)：根据耗散后的正负序系统EL模型设计正负序无源控制器。

电网故障下MMC-PET输入级的E-L控制器的控制信号分别为：

式中，

和分别为MMC输入侧的交流电压在正负序下的d、q轴分量。

步骤六：设计在电网故障下时MMC-PET输入级MMC桥臂上的环流控制器在电网故障下时MMC-PET输入级MMC桥臂上的环流成分为：

式中，i_da、i_db、i_dc为三相环流中的直流分量，分别为二倍频环流中的正负零序分量的幅值，

分别为二倍频环流中的正负零序分量的初相位。

为了消除上式干扰信号和d轴q轴电流耦合项，如图2(b)，控制输入量选取为：

上式的第一项为前馈补偿项，来消除环流二倍频稳态数学模型中d轴q轴电流耦合项，第二项为负反馈PI调节。

当投入正负序二倍频环流控制之后，可默认为正负序的二倍频环流均为0，因此二倍频环流中只含有零序分量。可得到如下的数学模型：

式中，u_jp、u_jn分别为j相上下桥臂的桥臂电压，

为二倍频环流的零序分量在j相的电压，

为零序环流分量。

令零序环流分量的指令值

可以采用如下的环流中零序电流分量控制器：

步骤七：设计MMC电力电子变压器中间级在电网电压故障下的控制器

DC/DC变换单元传输的有功功率为：

式中，u_dc1为MMC-PET高压侧的直流电压；L₁为高频变压器的漏感；f_s为开关管的开关频率；d为高压侧单相桥式全控变流器的占空比。

由上式可知，通过改变高压侧单相桥式全控变流器的占空比，可以改变u_dcL的大小。通过将u_dcL与输出电压参考值作差后，经过无静差的PI控制器，输出结果为移相参考值θ^*，同时将各个DC/DC变换器的直流侧输入与各个DC/DC变换器输入电压平均值分别作差，引入无静差的PI控制器，得到移相修正值Δθ_j(j＝1,2,...,n)，移相参考值θ^*再与各个移相修正值作差，经载波移相PWM调制得到各个DC/DC变换器的开关管出发信号，如图2(c)，可表示为：

θ_j＝θ^*-[k_p2(u_inj-u_in(avg))+k_i2∫(u_inj-u_in(avg))dt](j＝1,2,...,n)

式中，θ^*为移相参考值，u_dcL为MMC-PET低压侧的直流电压，

为MMC-PET低压侧的直流电压参考值，k_p1和k_i1为移相均压的控制逻辑中PI控制的对应设置参数，[k_p2(u_inj-u_in(avg))+k_i2∫(u_inj-u_in(avg))dt]为各个移相修正值，θ_j为移相变量。

步骤八：设计MMC电力电子变压器隔离级在电网电压故障下的控制器，如图2(d)所示：

在dq旋转坐标系下，三相全桥电压型换流器的稳态数学模型为：

式中，ω电网侧的交流系统角频率；u_cd、u_cq分别为逆变器三相的桥臂中点电压u_A、u_B、u_C在两相旋转坐标系下的d、q轴分量；i_sd、i_sq分别为逆变器三相的输出电流在两相旋转坐标系下的d、q轴分量；u_sd、u_sq分别为逆变器输出的三相电压u_AO、u_BO、u_CO在两相旋转坐标系下的d、q轴分量，R_d和L_d表示逆变器三相的桥臂电阻和电感。

为了消除上式干扰信号和d轴q轴电流耦合项，控制输入量选取为：

上的前两项为前馈补偿项，来消除稳态数学模型中的干扰信号和d轴q轴电流耦合项，第三项为负反馈PI调节。

为验证本发明方法的优势，本实施例依照MMC-HVDC系统，基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型进行了仿真对比实验，且在实验样机上进行了实验验证。仿***要参数设置如表1所示：

表1仿真设置参数

这里实验的目标1为电网电压发生电压三相电压暂降故障，暂降致原来电网电压的50％。目标2为电网电压发生电压三相电压暂升故障，暂升致原来电网电压的130％

具体仿真效果为：

在电网三相电压暂降50％时，图5为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入侧电网电压波形，在1.4s-1.5s时发生了三相电压暂降故障，图6为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入侧电网电流波形；图7为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入级功率波形；图8为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输入级直流侧电压波形；图9为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET隔离级输出的直流电压波形；图10为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输出级输出功率波形；图11为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输出级输出电压波形；图12为本发明为本发明实施例的目标1的MMC-PET输出级输出电流波形。由仿真图可知，在突然发生电压暂降时，MMC-PET输入级的输出直流电压也随之下降，由于输入级采用定直流电压控制和定无功功率控制，因此输出的直流侧电压并未下降到原先的50％，而是仅仅下降了7.4％。并达到稳定状态，同时输入级变流器的无功功率稳定，并未产生较大波动。在电网电压暂降期间，MMC-PET的整流级任然可以维持一定的有功功率输送，由于中间隔离级的定直流电流控制，控制的目标值为输入值的一半，具有一定的控制裕度，因此并未显著降低。由于电容的储能作用，在电压暂降情况下，MMC-PET输出级输出的有功功率和无功功率并未下降，并未对输出的电压和电流产生较大的影响，提高了无源网络的故障低电压穿越能力，提高了供电的质量。

在电网三相电压暂升到原来的130％时，图13为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入侧电网电压波形，在1.4s-1.5s时发生了三相电压暂升故障；图14为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入侧电网电流波形；图15为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入级功率波形；图16为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输入级直流侧电压波形；图17为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET隔离级输出的直流电压波形；图18为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输出级输出功率波形；图19为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输出级输出电压波形；图20为本发明为本发明实施例的目标2的MMC-PET输出级输出电流波形。在电网三相电压暂升至额定电压值的130％时，由仿真图可知，在突然发生电压暂升时，MMC-PET输入级的输出直流电压也随之上升，由于输入级采用定直流电压控制和定无功功率控制，因此输出的直流侧电压并未上升到原先的150％，而是仅仅上升了38.8％。并达到稳定状态，同时输入级变流器的无功功率稳定，并未产生较大波动。在电网电压暂升期间，由于中间隔离级的定直流电流控制，中间隔离级的输出电压维持恒定不变。由于电容的储能作用，在电压暂升情况下，MMC-PET输出级输出的有功功率和无功功率并为上升，并未对输出的电压和电流产生较大的影响，提高了无源网络的故障高电压穿越能力，提高了供电的质量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。