一种锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法

摘要

本发明公开一种锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，包括如下步骤：S1、建立电路拓扑模型；S2、建立锁相环输出特性模型；S3、建立dq轴下PI控制器输出控制小信号模型；S4、推导调制小信号；S5、计算MMC端口阻抗。本发明通过分析由相角扰动引起的控制环节输出调制信号中存在二倍镜像频率耦合效应，并综合考虑MMC自身多谐波耦合效应结合，从而建立精确的MMC端口阻抗模型，一方面所提出的建模方法针对常见的采用电流闭环控制的MMC，MMC内部采用半桥子模块，电路拓扑结构和控制结构均较为常见，易于建立数学模型；另一方面，阻抗分析法的物理意义明确、建模过程模块化，易于理解和实施，且逆变器端口阻抗可现场测量便于验证理论建模的正确性。

说明书

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，具体涉及一种锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法。

背景技术

随着现在科技的不断发展，模块化多电平转换器(Modular MultilevelConverter,MMC)具有输出电平高、输出谐波低、开关损耗低、易于模块化扩展等优势，因此其在柔性直流输电领域得到越来越广泛的应用。与传统具有高阻尼、大惯量特性的发电机不同，若采用具有弱阻尼、低惯量的特性的并网逆变器具有，电网线路等效阻抗不再可以忽略不计。如果变流器侧等效阻抗与电网线路阻抗不匹配，并网级联系统将会出现谐振现象影响其稳定可靠运行。

基于MMC的并网系统通常采用电流闭环控制策略，主要包括交流侧电流控制、环流抑制以及锁相环等控制环节。但是目前少有文献从系统稳定性的角度设计MMC的控制器参数，导致在应用这些控制策略时盲目凑试控制器参数。然而，控制器参数的设置直接影响着变流器的端口阻抗特性，同时也影响着级联系统运行的稳定性，因此有必要研究适用于MMC的阻抗建模方法从而指导MMC控制器的参数设计。

MMC的数学模型是一个时变、非线性、多频率、且多输入多输出的复杂系统，基于经典控制理论的传统小信号建模方法无法直接应用于MMC。基于现代控制理论的状态空间方法，能够有效针对多个状态变量及状态变量间的耦合关系建模，近年来科研人员将状态空间理论与多谐波线性化理论相结合形成的谐波状态空间理论，已经能够针对MMC本体建立高精度模型。然而，基于电流闭环控制的MMC并网系统是一个多维度耦合模型，除了MMC自身的多谐波耦合，在采用锁相环(Phase Locked Loop，PLL)控制系统中存在二倍镜像频率耦合现象，这种复杂的交互耦合特性进一步提高了建模的复杂度。目前已有的研究存在以下两点不足：一方面，针对频域的锁相环理论模型的建立尚不完善；另一方面，锁相环二倍频镜像耦合特性对MMC端口阻抗特性的影响有待分析。因此本文提出的阻抗建模方法具有重要的意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，通过建立频域锁相环输出相角小信号与电网q轴电压小信号的关系模型，分析由相角扰动引起的控制环节输出调制信号中存在二倍镜像频率耦合效应。将系统模型代入谐波状态空间矩阵中，计算考虑控制系统与变流器交互耦合下的电流响应。该方法综合考虑了控制系统的镜像频率耦合与MMC自身多谐波耦合，建立了精确的MMC端口阻抗模型。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，包括如下步骤：

S1、建立电路拓扑模型

将电流控制的MMC并网系统，分为电路拓扑与控制环节两部分并获取相关参数；

S2、建立锁相环输出特性模型

根据相角扰动下abc/dq变换公式以及锁相环控制信号通路，建立锁相环输出相角小信号△θ跟电网q轴电网电压小信号和锁相环控制器G

S3、建立dq轴下PI控制器输出控制小信号模型

根据电流闭环控制通路，建立dq轴下控制小信号△e

S4、推导调制小信号

根据控制小信号△e

S5、计算MMC端口阻抗

将系统模型代入谐波状态空间矩阵中，计算注入电压扰动△u

进一步的，所述S1中建立电路拓扑模型如下：

公式(1)中，R为MMC桥臂寄生电阻，L为MMC桥臂滤波电感，C

进一步的，所述S2中锁相环输出相角小信号△θ关系模型如下：

公式(2)中，

△U

进一步的，所述S3中dq轴下系统输出控制小信号关系模型如下：

进一步的，所述S4中a相控制系统输出调制小信号的计算如下：

Δe

公式(5)中，θ为电网电压相位，现定义θ＝ωt，电网角频率ω＝100πrad/s，将各变量的具体表达式带入上式可以得到控制系统输出a相包含f

进一步的，所述S5中阻抗计算公式如下：

公式(7)中，△U

本发明的有益效果：

1、本发明提出的锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，简单明了，计算方便，易于理解和实施，针对基于电流闭环控制的MMC并网系统中存在的控制系统与电路拓扑间的交互耦合的问题，通过分析由相角扰动引起的控制环节输出调制信号中存在二倍镜像频率耦合效应，并综合考虑了MMC自身多谐波耦合效应结合，从而建立精确的MMC端口阻抗模型，一方面所提出的建模方法针对常见的采用电流闭环控制的MMC，MMC内部采用半桥子模块，电路拓扑结构和控制结构均较为常见，易于建立数学模型；另一方面，阻抗分析法的物理意义明确、建模过程模块化，易于理解和实施，且逆变器端口阻抗可现场测量便于验证理论建模的正确性；

2、本发明提出的锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，建立MMC阻抗模型精度高，实用价值高；MMC通常采用级联式的结构，桥臂中采用电容作为储能元件，在稳态运行时除了存在直流和基频成分外，还会耦合产生二倍及以上频率的谐波成分；此外引入电容的同时，理论上也增加了系统的状态变量，而采用谐波状态空间理论能够准确有效地分析具有时变、非线性、多频率、且多输入多输出特性的的复杂系统；

3、本发明提出的锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，揭示了建立锁相环输出相角小信号与电网q轴电压小信号的关系模型，控制dq轴输出控制小信号与dq轴电流小信号、dq轴电流稳态工作点、相角小信号以及电流控制器关系模型；

4、本发明提出的锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，揭示了控制系统输出a相包含f

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的三相MMC并网系统框图；

图2是本发明实施例的子模块单元框图；

图3是本发明实施例的MMC单相等效电路；

图4是本发明实施例的锁相环控制框图；

图5是本发明实施例的电流闭环控制框图；

图6是本发明实施例的MMC并网系统控环节与变流器交互耦合框图；

图7是本发明实施例的理想锁相环下MMC正序阻抗；

图8是本发明实施例的理想锁相环下MMC负序阻抗；

图9是本发明实施例的考虑锁相环扰动下MMC正序阻抗；

图10是本发明实施例的考虑锁相环扰动下MMC正序阻抗。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明针对采用电流闭环控制的MMC并网系统，提出了考虑锁相环耦合下模块化多电平换流器阻抗建模方法。如图1、图2、图3所示，本发明中MMC的拓扑采用三相六桥臂结构，每个桥臂由n个半桥结构的子模块以及一个桥臂电感L级联构成，每个子模块由两个功率开关管T

如图4所示，三相电网电压u

如图6所示，一种锁相环耦合下模块化多电平换流器序阻抗建模的方法，包括：建立频域锁相环输出相角小信号与电网q轴电压小信号的关系模型，接着建立dq轴输出控制小信号模型，进而根据dq轴输出控制小信号推导a相的调制小信号表达式，最后将系统模型代入谐波状态空间矩阵计算注入电压扰动时的电流响应，并根据阻抗定义计算MMC端口阻抗模型。

上述方法具体包括如下步骤：

S1、建立电路拓扑模型

将电流控制的MMC并网系统，分为电路拓扑与控制环节两部分并获取相关参数，建立电路拓扑模型如下：

公式(1)中，R为MMC桥臂寄生电阻，L为MMC桥臂滤波电感，C

S2、建立锁相环输出特性模型

根据相角扰动下abc/dq变换公式以及锁相环控制信号通路，建立锁相环输出相角小信号△θ跟电网q轴电网电压小信号和锁相环控制器G

公式(2)中，

其中△U

S3、建立dq轴下PI控制器输出控制小信号模型

根据电流闭环控制通路，建立dq轴下控制小信号△e

S4、推导调制小信号

根据控制小信号△e

Δe

公式(5)中，θ为电网电压相位，现定义θ＝ωt，电网角频率ω＝100πrad/s，将各变量的具体表达式带入上式可以得到控制系统输出a相包含f

S5、计算MMC端口阻抗

将系统模型代入谐波状态空间矩阵中，计算注入电压扰动△u

公式(7)中，△U

如图7、图8所示，理想锁相环下MMC正负序阻抗基本一致，三相系统处于对称状态；如图9、图10所示，考虑锁相环扰动下MMC正负序阻抗存在明显区别，可见引入锁相环后破坏了三相系统的对称性。

综上所示，MMC理论阻抗与仿真阻抗曲线高度吻合，验证了阻抗建模的正确性。本发明尤其适用于电流闭环控制下的MMC并网系统，与现有的方法相比，所提出的方法不仅建立了准确有效的锁相环输出特性模型，而且建立了高精度的MMC端口阻抗模型。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。