采用dq坐标的模块化多电平控制策略研究

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（096）清华大学-模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究

模块化多电平变换器三种调制策略及电压平衡控制仿真与对比研究武晓堃1 王奎1 万磊1, 2李永东1, 3（1. 清华大学电机系电力系统国家重点实验室北京1000842. 中国电力科学研究院北京1001923. 新疆大学电气学院新疆乌鲁木齐830046）摘要模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为一种新型的多电平拓扑，因为适用于电压源换流型直流输电场合而得到了广泛研究。

本文介绍了MMC的拓扑结构和工作原理，并对常用于MMC拓扑的载波移相、最近电平逼近和载波层叠调制策略以及相应的电容电压平衡算法进行了分析，并在PSCAD/EMTDC下搭建了31电平的MMC仿真模型，分别实现了三种调制策略及其电容电压平衡算法，比较了不同调制策略在电压谐波、电容电压平衡、开关频率等方面的表现，并给出了不同调制策略的特点。

关键词：模块化多电平变换器；载波层叠调制；最近电平逼近调制；载波移相调制；悬浮电容；电压平衡控制1背景介绍相比于传统的交流输电系统，直流输电系统在远距离大容量输电方面具有巨大的优势，尤其是在离岸风电场等海底电缆输电场合，直流输电可以克服电容效应而被人们愈发重视[1, 2]。

传统的VSC-HVDC直流输电系统采用的换流技术主要以两电平和三电平为主。

该拓扑主要问题是电压等级受器件耐压限制，所能达到的电压等级不高，谐波较大。

其中ABB公司的IGBT串联两电平拓扑，虽然提高了电压等级，但是存在着串联模块均压以及同时触发等问题。

2002年，由德国学者提出了一种新型的多电平拓扑[3, 4]，即模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter），该结构高度模块化，通过模块级联就可以实现电压等级的提升[5-7]。

西门子公司将该拓扑转化为了专利和产品应用于直流输电等场合，其中美国的Transbay工程，每相子模块级联数为200，输送功率可以达到400MW[5]。

模块化多电平变换器的调制与控制策略研究

模块化多电平变换器的调制与控制策略研究1. 引言模块化多电平变换器是一种多级电力电子变换器，能够将直流电压转换为多个不同电平的交流电压。

它在工业和电力系统中广泛应用，具有高效、高可靠性和灵活性等优点。

本文将详细探讨模块化多电平变换器的调制与控制策略研究。

2. 模块化多电平变换器调制策略2.1 基础调制策略基础调制策略是指将模块化多电平变换器中的各个电平通过一定逻辑关系进行调制，以获取期望的输出电压波形。

常见的基础调制策略有： - 脉宽调制（PWM）：通过调整脉宽比来控制输出电压的幅值。

- 脉振调制（PWM）：通过调整脉冲数量来控制输出电压的幅值。

2.2 多电平合成调制策略多电平合成调制策略通过将多个电平的脉宽信号叠加起来形成最终的输出电压波形，以实现较高分辨率的电压调控。

常见的多电平合成调制策略有： - 多载波脉宽调制（MCPWM）：将多个载波信号与基础调制策略相结合，实现多电平的合成。

- 多电平脉振调制（MSPWM）：通过多个脉冲数量来实现多电平的合成。

3. 模块化多电平变换器控制策略3.1 传统控制策略传统的控制策略主要包括： - 比例积分控制（PI控制）：通过调整比例项和积分项的权重，实现输出电压的稳定控制。

- 直接功率控制（DPC）：通过测量输出功率并与期望功率进行比较，控制模块化多电平变换器的操作状态。

- 直接转换功率控制（DTPC）：将输出功率与期望功率的差值直接转换为控制信号，实现精确的功率控制。

3.2 先进控制策略先进的控制策略主要包括： - 预测控制（Model Predictive Control，MPC）：利用数学模型预测系统未来的行为，并根据预测结果进行控制决策。

- 模糊控制：基于模糊逻辑的控制方法，根据输入和输出的模糊集合关系进行控制决策。

- 神经网络控制：利用人工神经网络模拟人脑的学习和决策过程，实现模块化多电平变换器的自适应控制。

4. 实验研究与应用本文基于模块化多电平变换器进行了一系列实验研究，并将其应用于电力系统中。

《2024年模块组合多电平变换器(MMC)研究》范文

《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力变换装置，在高压直流输电、柔性交流输电系统以及新能源并网等领域得到了广泛的应用。

MMC 以其高可靠性、高效率、高灵活性的特点，成为了现代电力电子技术研究的热点。

本文旨在探讨MMC的原理、控制策略、运行特性及其在电力系统中的应用。

二、MMC的基本原理与结构MMC是一种基于模块化结构的电压源型多电平变换器，其基本原理是将多个子模块（SM）串联起来组成一个完整的变换器，每个子模块包括一个电力电子开关（如IGBT）和一个与其反向并联的二极管，以及相应的储能电容和电阻。

这种结构使得MMC具有较高的耐压能力，并可以输出多个电平的电压。

MMC的结构包括上下桥臂，通过控制上下桥臂中子模块的导通与关断，实现AC/DC和DC/AC的转换。

其特点是子模块数目多，控制复杂度高，但灵活性好，适用于高压大功率场合。

三、MMC的控制策略MMC的控制策略主要包括子模块的投入与切除控制、环流抑制控制以及谐波消除控制等。

子模块的投入与切除控制决定了MMC的输出电压，而环流抑制控制和谐波消除控制则保证了MMC的稳定运行和输出波形的质量。

近年来，随着数字信号处理技术的发展，MMC的控制策略也在不断优化。

例如，基于模型预测控制的MMC控制策略能够更好地实现多目标优化控制，提高系统的动态性能和稳态性能。

此外，基于人工智能算法的控制策略也在MMC中得到了应用，如模糊控制、神经网络控制等，这些算法能够根据系统运行状态实时调整控制参数，提高系统的自适应性。

四、MMC的运行特性与优势MMC的运行特性主要包括高可靠性、高效率、高灵活性等。

由于其模块化结构，当某个子模块出现故障时，可以通过切换冗余子模块来保证系统的正常运行，因此具有较高的可靠性。

此外，MMC的输出电压可以调节为多个电平，使得谐波分量减少，提高了系统的效率。

同时，通过灵活调整子模块的投入与切除，可以实现快速响应和精确控制。

模块化多电平矩阵变换器的控制研究

模块化多电平矩阵变换器的控制研究摘要：本文研究了一种新型的模块化多电平矩阵变换器（MMC）控制方法，该方法将传统MMC的控制方式进行改进，使其具有更高的可靠性和更好的控制性能。

在该方法中，将MMC划分为多个单元模块，每个单元模块都由一个独立的控制器控制，同时，使用一种新型的状态估计算法，提高了MMC的控制精度和稳定性。

通过仿真实验和实际硬件实验验证了该方法的可行性和有效性。

关键词：模块化多电平矩阵变换器；控制；单元模块；状态估计算法1. 引言随着电力系统的快速发展和对电力品质的日益重视，多电平矩阵变换器（MMC）作为一种新型的柔性交直流转换装置被广泛应用。

传统MMC的控制方法主要是基于模型预测控制和PI控制，虽然这种控制方法具有一定的控制精度和稳定性，但是在实际应用中，MMC存在着许多难以克服的问题，如控制精度低、容易产生谐波、并网容易出现故障等问题。

因此，如何提高MMC的控制性能、降低控制成本是一个非常重要的问题。

2. MMC的模块化控制针对MMC存在的问题，本文提出一种新的模块化控制方法。

该方法将MMC划分为多个单元模块，每个单元模块由一个独立的控制器控制。

这种模块化的控制结构不仅可以降低整个控制系统的复杂度，而且可以降低成本，提高可靠性。

同时，由于单元模块能够独立地进行相应的控制策略，因此可以更加精细地控制MMC，从而提高控制性能。

3. MMC的状态估计算法为了更加精确地估计MMC的状态，本文提出了一种新型的状态估计算法。

该算法基于扩展卡尔曼滤波器（EKF）和输出反馈控制器（OFC），通过对MMC的状态进行动态估计，可以准确、全面地反映MMC的工作状态，从而实现对MMC的高效控制。

4. 仿真与实验验证为了验证模块化MMC控制和状态估计算法的有效性，本文进行了一系列的仿真和实验研究。

仿真结果表明，模块化控制结构可以有效地降低MMC的谐波含量，提高MMC的并网能力和控制精度。

同时，状态估计算法可以准确地反映MMC的状态，从而实现更好的控制效果。

双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究

双端有源MMC-HVDC系统的控制策略研究李健;陈卓【摘要】多端模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)一直是柔性高压直流输电系统(High Voltage Direct Current,HVDC)工程应用的重要部分,因此对其控制策略的研究很有实际意义.文章基于三相静止坐标系下MMC的数学模型,建立了dq旋转坐标系下的数学模型,根据瞬时功率理论设计出外环功率和内环电流的MMC-HVDC系统控制器.针对传统电容电压平衡策略的问题,从减少开关频率的角度提出了改进型的子模块电容均压方式.由于文章中真模型中相单元子模块过多,为使系统更稳定可靠运行采用了最近电平逼近策略(Nearest Level Modulation,NLM).最后在Matlab/Simulink仿真软件中搭建89电平双端有源MMC-HVDC系统模型,从改变控制器参考值、有功功率反转等角度对控制系统进行仿真分析对比,验证了MMC-HVDC系统控制器的可靠性和稳定性.【期刊名称】《贵州电力技术》【年(卷),期】2018(021)007【总页数】8页(P14-21)【关键词】模块化多电平变流器;控制策略;电容电压平衡策略;最近电平逼近策略;控制器【作者】李健;陈卓【作者单位】贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025;贵州大学电气工程学院,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TM74随着经济的发展和工业化速度的加速，我国城市数目和大都市规模都有了巨大增长，原有的城市电网遭遇到前所未有的挑战。

同时，由于自然条件和地理环境的原因，可再生能源如光伏、风能发电的并网问题愈加突出。

相较于传统的交流输电，高压直流输电技术在大容量输电、大规模电网互联及稳定性方面优势越发明显[1]。

20世纪90年代，加拿大 McGill大学的 Boon-TeckOoi提出的基于可控开关器件和脉冲宽度调制(Pulse width Modulation technology，PWM)技术的电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)在直流输电中开始应用。

基于模块化多电平变流器的STATCOM控制策略研究

基于模块化多电平变流器的STATCOM控制策略研究
模块化多电平变流器（MMC）是当前STATCOM中经常采用的变流器拓
扑结构，具有电压平衡好、调制方式灵活、电流波形质量高等优点。

因此，基于MMC的STATCOM控制策略研究具有重要意义。

首先，基于MMC的STATCOM需要设计合理的电压平衡控制策略。

电压
平衡是MMC工作的基础，其失衡将导致电流的不对称分配和电压波形的扭曲。

因此，研究者可以通过控制MMC中的电流控制回路或者同步序谐波来
实现电压平衡。

其中，电流控制可以采用PI控制器或者模型预测控制器
等方法，而同步序谐波控制可以通过分析谐波成分并设计对应的控制算法
来实现。

其次，基于MMC的STATCOM还需要实现无功功率调节。

无功功率调节
可以根据电网需求自动调整电容器或者电感器的接入以达到无功功率补偿
的目标。

在这个过程中，可以采用滑模控制、模糊控制、遗传算法等控制
方法进行电容器或者电感器的控制。

另外，基于MMC的STATCOM还可以结合其他功能，例如电网电压的调节、阻尼振荡的抑制等。

电网电压调节可以通过控制MMC中的无功功率输
入和输出来调整电网电压。

而阻尼振荡抑制可以通过控制MMC中的无功功
率流动来实现。

综上所述，基于模块化多电平变流器的STATCOM控制策略研究需要综
合考虑电压平衡控制、无功功率调节以及其他功能的结合。

研究者可以结
合理论分析和仿真实验，设计出适应电力系统需求的控制策略，实现STATCOM的高效运行和电能质量的改善。

不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略

第28卷㊀第1期2024年1月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.28No.1Jan.2024㊀㊀㊀㊀㊀㊀不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略程启明,㊀杜婷伟,㊀赖宇生(上海电力大学自动化工程学院,上海200090)摘㊀要:针对目前模块化多电平矩阵变换器(M3C )研究中常用的双αβ坐标变换解耦不彻底㊁传统PID 控制方法效果差㊁不平衡工况研究少等问题,在分析拓扑结构和数学模型的基础上,采用双dq 坐标变换对电气量进行解耦,建立了M3C 的输入输出侧数学模型,分别对电压㊁电流进行正负序分离,并结合微分平坦理论,推导了输入侧㊁输出侧的微分平坦控制(DFC ),最后模拟了两种不平衡工况下的运行情况㊂仿真结果表明,与线性PID 控制相比,非线性的微分平坦控制提高了内环电流的跟踪速度和精度,更适用于非线性的M3C 系统㊂在电网平衡或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下M3C 系统的动态稳定性与快速性更好,电能质量更高,电流谐波含量最多可以降低1.42%,能够更有效地抑制负序电流㊂关键词:海上风力发电;模块化多电平矩阵变换器;不平衡电网;双dq 坐标变换;微分平坦控制;PID 控制DOI :10.15938/j.emc.2024.01.005中图分类号:TM762文献标志码:A文章编号:1007-449X(2024)01-0049-12㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-12-09基金项目:国家自然科学基金(62303301);上海市电站自动化技术重点实验室资助项目(13DZ2273800)作者简介:程启明(1965 ),男,博士,教授,研究方向为电力系统自动化㊁发电过程控制㊁先进控制及应用;杜婷伟(2000 ),女,硕士研究生,研究方向为新能源发电控制㊁海上风力发电控制;赖宇生(1996 ),男,硕士研究生,研究方向为新能源发电控制㊁电力电子控制㊂通信作者:杜婷伟Differential flatness control strategy of modular multilevel matrix converter based on double dq coordinate transformation underunbalanced grid conditionsCHENG Qiming,㊀DU Tingwei,㊀LAI Yusheng(College of Automation Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China)Abstract :Aiming at the problems of incomplete decoupling of double αβcoordinate transformation com-monly used in modular multilevel matrix converter (M3C)research,on the basis of the analysis of topol-ogical structure and mathematical model,poor effect of traditional PID control method,and little research on unbalanced working conditions,etc.,double dq coordinate transformation was adopted to decouple the electrical quantity.The mathematical model of M3C s input and output side was established,the voltage and current were separated in positive and negative order,and the differential flatness control (DFC)of the input side and the output side was derived by combining the differential flatness theory.Finally,the operation under two unbalanced conditions was pared with linear PID control,the simula-tion results show that nonlinear differential flat control improves the tracking speed and accuracy of innerloop current,and is more suitable for nonlinear M3C system.When the power grid balance or asymmetricfault occurs,M3C system under differential flat control has better dynamic stability and rapidity,higher power quality,and can suppress negative sequence current more effectively.The current THD can be re-duced by up to1.42%.Keywords:offshore wind power;modular multilevel matrix converter;unbalanced grid;double dq coor-dinate transformation;differential flatness control;PID control0㊀引㊀言随着气候变暖㊁环境恶化等导致能源危机,新型清洁能源已成为了国家经济发展的方向之一[1-2]㊂其中海上风电由于具备稳定性强㊁可再生㊁受环境影响小等优势,极具开发前景㊂但如何将海上发电厂并入主电网正成为国内外海上风电领域的研究重点[3-4]㊂与常规的50Hz的高压交流输电[5]和高压直流输电[6]相比,50/3Hz的低频交流输电,又称分频传输系统,具有显著优势:可以提高交流海缆输电能力,只需一个AC/AC换流站,且设备投资成本少[7-9]㊂在现有的AC/AC变换设备中,模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converter, M3C)[10]由Erickson R.和AI-Naseem O.于2001年提出,作为直接AC/AC变换器具有高电压㊁大容量的优点㊂M3C拓扑由9条桥臂构成,以3ˑ3矩阵形式排布,每条桥臂的电压㊁电流分量均包含两种不同频率的交流分量,存在强耦合现象,控制难度大㊂目前国内外学者已经对M3C的控制策略开展了一些研究,最为普遍应用的是基于双αβ0坐标变换的解耦控制方法㊂文献[11]的αβ0变换方法仅能将M3C的输入电流和输出电流解耦㊂文献[12-14]提出双αβ0变换,能将桥臂电流中的输入电流㊁输出电流和环流完全解耦,同时增加了两个对角维度的平衡控制,控制桥臂能量均衡分布㊂文献[15]将预测控制用于M3C中,然而M3C包含大量的状态变量,导致参数复杂㊁计算量庞大不具有实用性㊂文献[16-17]研究了双αβ0变换的非线性无源控制和微分平坦控制,系统跟踪速度有很大提升㊂尽管双αβ0变换被广泛采纳,但是这种控制方案也存在缺点,其被控量都是交流量,物理概念易混淆,且功率分量计算复杂㊂文献[18]提出了双dq坐标变换的方法,采用直流量作为内环被控量,但其采用的PID控制不仅调参复杂,而且是线性控制方法,作用在非线性的M3C上并不能使系统迅速稳定㊂到目前为止,采用双dq解耦方法的研究较少,并且其中未有文献考虑在发生不平衡故障时的非线性控制方案㊂非线性的微分平坦控制(differential flatness control,DFC)对系统稳定性的提升,超调量的降低等方面颇具优势,在电力电子领域和清洁能源领域已成为了研究热点[19-20]㊂与线性PID控制相比, DFC控制能使M3C系统稳定运行,避免因内外部扰动而发生动态特性变差的现象,提高内环电流的跟踪速度和精度㊂本文首次提出在不平衡电网下将微分平坦控制策略应用到基于双dq坐标变换的M3C控制中㊂首先给出M3C的拓扑结构与工作原理,建立M3C在双dq坐标变换下的数学模型,然后在输入侧与输出侧出现不对称故障时,将电压电流正负序分离,进一步运用微分平坦理论,设计输入侧㊁输出侧的DFC控制器㊂最后,在MATLAB/Simulink平台上建立两种不平衡工况,分别模拟DFC控制和传统PID控制,通过仿真验证在电网电压不平衡条件下,采用DFC控制能使系统稳定运行,且效果优于传统PID 控制㊂1㊀M3C的电路结构及数学模型M3C变换器的主电结构如图1所示㊂M3C以H全桥子模块(用SM表示,由T1~T44个IGBT和1个电容组成)为基本单元,等效电阻R㊁电感L以及n个子模块级联构成1个换流桥臂,共有9个桥臂,可分为3个子换流器㊂M3C的输入侧是低频三相交流电源,输出侧是工频三相交流电源㊂图1中:输入侧交流电压为u su㊁u sv㊁u sw,电流为i u㊁i v㊁i w;输出侧交流电压为u1a㊁u1b㊁u1c,电流为i a㊁i b㊁i c;桥臂电流为i xy,桥臂总电容电压为u c xy(x=u㊁v㊁w,y=a㊁b㊁c),u NO为共模电压㊂可以将每个桥臂的子模块视为受控电压源,得到图2所示的简化结构图㊂05电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图1㊀M3C 拓扑结构Fig.1㊀Topology ofM3C图2㊀M3C 的简化结构图Fig.2㊀Simplified structure diagram of M3C分析图2所示的输入侧㊁输出侧的电压㊁电流关系,由Kirchhoff 定律建立回路电压方程可得:u su =Ri uy +L d iuy d t +u uy +u 1y +u NO ;u sv =Ri vy +L d i vyd t +u vy +u 1y +u NO ;u sw =Ri wy +L d i wyd t+u wy +u 1y +u NO ㊂üþýïïïïïï(1)i a +i b +i c =0;i u +i v +i w =0㊂}(2)对式(1)进行αβ0坐标变换,可将两种频率分量解耦,得到3个子换流器的电压电流关系为:u s αu s βéëêêùûúú=R +L d d t ()i αa i βa éëêêùûúú+u αa u βa éëêêùûúú;u s αu s βéëêêùûúú=R +L d d t ()i αb i βb éëêêùûúú+u αb u βb éëêêùûúú;u s αu s βéëêêùûúú=R +L d d t ()i αc i βc éëêêùûúú+u αc u βc éëêêùûúú㊂üþýïïïïïïïï(3)u so u so u so éëêêêùûúúú=R +L d d t ()i oa i ob i oc éëêêêùûúúú+u oa u ob u oc éëêêêùûúúú+3u 1a u 1b u 1c éëêêêùûúúú+3u NO u NO u NO éëêêêùûúúú㊂(4)当输入输出系统三相对称时,可忽略零序分量,对式(4)进行第2次αβ0坐标变换可得0[]=R +Ld d t()i o αi b βéëêêùûúú+u o αu o βéëêêùûúú+3u 1αu 1βéëêêùûúú㊂(5)式(3)与式(5)为M3C 在αβ坐标系下的数学模型㊂其中:式(3)为输入侧电压㊁电流αβ分量,其频率仅与输入侧频率相同;式(5)为输出侧电压㊁电流αβ分量,其频率仅与输出侧频率相同㊂由此实现了桥臂电压电流的解耦㊂对式(3)㊁式(5)分别采用各自频率的dq 坐标变换,可得M3C 在双dq 坐标系下的数学模型为:u da u qa éëêêùûúú=u sd u sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i da i qa éëêêùûúú-ωs L -i qa i da éëêêùûúú;u db u qb éëêêùûúú=u sd u sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i db i qb éëêêùûúú-ωs L -i qb i db éëêêùûúú;u dc u qc éëêêùûúú=u sd u sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i dc i qc éëêêùûúú-ωs L -i qc i dc éëêêùûúú;u od u oq éëêêùûúú=-3u 1d u 1q éëêêùûúú-R +L d d t ()i od i oq éëêêùûúú-ω1L -i oq i od éëêêùûúú㊂üþýïïïïïïïïïïïï(6)式中:ωs 表示输入侧频率;ω1表示输出侧频率㊂由M3C 换流器稳态工作时的对称性可知i da i qa éëêêùûúú=i db i qb éëêêùûúú=i dc i qc éëêêùûúú=13i sd i sq éëêêùûúú㊂(7)式中i sd ㊁i sq 分别为输入侧电流的d㊁q 分量㊂由坐标变换原理可得,桥臂电流在dq 坐标下的输出侧频率分量满足下式:i 1d i 1q éëêêùûúú=3i od i oq éëêêùûúú㊂(8)式中i 1d ㊁i 1q 分别为输出侧电流的d㊁q 分量㊂对输出侧电压d㊁q 分量进行逆坐标变换,可得桥臂电压的输出侧频率分量如下:u oau ob u oc éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-1u od u oqéëêêùûúú㊂(9)式中T dq /αβ㊁T dq /αβ-1为输出侧的逆坐标变换矩阵㊂15第1期程启明等:不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略将桥臂电压中的输入㊁输出频率分量叠加,可将桥臂电压表示如下:u ua u va u wa éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-s u da u qa éëêêùûúú+u oa u oa u oa éëêêêùûúúú;u ub u vb u wb éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-s u db u qb éëêêùûúú+u ob u ob u ob éëêêêùûúúú;u uc u vc u wc éëêêêùûúúú=T αβ/abc T dq /αβ-s u dc u qc éëêêùûúú+u oc u oc u oc éëêêêùûúúú㊂üþýïïïïïïïïïïïïïï(10)式中T dq /αβ-s 为输入侧的逆坐标变换矩阵㊂2㊀不平衡电网下微分平坦控制策略在不平衡工况下,M3C 系统中会出现负序分量,导致过电流和非特征谐波的产生,影响控制效果,甚至烧毁元器件,对系统的安全稳定运行造成威胁,所以本文旨在研究基于M3C 系统在不对称故障条件下的控制策略㊂图3为不平衡电网下M3C 的总体控制结构图,其控制策略包括输入侧控制㊁输出侧控制㊁正负序分离㊁功率控制㊁桥臂分层直流稳压控制以及载波移相调制㊂图3㊀M3C 的整体控制结构图Fig.3㊀General control structure diagram of M3C1)正负序分离:运用双dq 坐标变换对输入侧和输出侧的电压㊁电流进行解耦,然后分别计算出正㊁负序电压电流分量;2)功率控制:根据不平衡工况下M3C 的运行要求,引入功率控制来求解期望电流值;3)输入/输出侧控制:基于微分平坦理论,推导出输入侧㊁输出侧的DFC 控制器;4)子模块独立均压控制:用于平衡桥臂的子模块电容电压,此控制有利于保证系统的安全稳定运行㊂2.1㊀正负序分离当三相系统不对称时,系统中将会出现负序分量,导致系统出现过电流,会严重威胁整个系统的安全稳定运行[21]㊂因此,需要分离电气量中的正㊁负序分量,分别提取电压㊁电流的正序分量和负序分量,再设计相应的正㊁负序的控制策略㊂由于篇幅限制,本文仅以输入侧为例,系统的电压㊁电流可表示为f uvw=f u f v f w éëêêêùûúúú=f +cos βf +(cos β-2π/3)f +(cos β+2π/3)éëêêêùûúúú+f-cos γf -(cos γ+2π/3)f-(cos γ-2π/3)éëêêêùûúúú+f 0f 0f 0éëêêêùûúúú㊂(11)式中:β=ω+t +α+,ω+=ωs ;γ=ω-t +α-,ω-=-ωs ;α+㊁α-分别为正㊁负序分量的初相角;f uvw 表示输入侧系统的电压或电流;f +㊁f -分别为正㊁负序分量的幅值;f 0为零序分量㊂本文系统为三相三线制,无零序回路,所以可以忽略零序分量㊂三相坐标系向两相旋转坐标系转换的正负序矩阵分别为:T +=23cos ωt cos(ωt -2π/3)cos(ωt +2π/3)-sin ωt -sin(ωt -2π/3)-sin(ωt +2π/3)[];T -=23cos ωt cos(ωt +2π/3)cos(ωt -2π/3)sin ωtsin(ωt +2π/3)sin(ωt -2π/3)[]㊂üþýïïïï(12)对式(11)进行正负序dq 变换可得:f ᶄ+d f ᶄ+q éëêêùûúú=f +cos α+f +sin α+éëêêùûúú+f -cos(2ω+t +α-)-f -sin(2ω+t +α-)éëêêùûúú;f ᶄ-d f ᶄ-qéëêêùûúú=f -cos α-f -sin α-éëêêùûúú+f +cos(2ω-t +α+)-f +sin(2ω-t +α+)éëêêùûúú㊂üþýïïïïïï(13)将式(13)延迟π/2,可得25电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀f ᶄ+d f ᶄ+q f ᶄ-d f ᶄ-qéëêêêêêùûúúúúúe -jπ2=-f +sin α+-f -sin(2ω+t +α-)f +cos α+-f -cos(2ω+t +α-)-f -sin α--f +sin(2ω-t +α+)f -cos α--f +cos(2ω-t +α+)éëêêêêêùûúúúúú㊂(14)联立式(13)和式(14)可将正负序分离如下:f +d f +q f -d f -q éëêêêêêùûúúúúú=12f ᶄ+d +f ᶄ+q exp(-jπ/2)f ᶄ+q-f ᶄ+d exp(-jπ/2)f ᶄ-d +f ᶄ-q exp(-jπ/2)f ᶄ-q-f ᶄ-dexp(-jπ/2)éëêêêêêùûúúúúú㊂(15)2.2㊀功率控制根据瞬时无功功率理论,可将瞬时有功功率和无功功率表示为:P =P 0+P s2sin(2ωt )+P c2cos(2ωt );Q =Q 0+Q s2sin(2ωt )+Q c2cos(2ωt )㊂}(16)式中:P 0是有功功率的直流分量;Q 0是无功功率的直流分量;P s2为有功功率的正弦2倍频分量;P c2为有功功率的余弦2倍频分量;Q s2为无功功率的正弦2倍频分量;Q c2为无功功率的余弦2倍频分量㊂将式(16)整理后,其矩阵形式如下:P 0P s2P c2Q 0Q s2Q c2éëêêêêêêêêùûúúúúúúúú=u +sd u +squ -sdu -sq u -sq -u -sd -u +sq u +sd u -sd u -sq u +sd u +sq u +sq -u +sd u -sq -u -sd -u -sd-u -sq u +sd u +squ -sq-u -sdu +sq -u +sdéëêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúi +sdi +sq i -sd i -sq éëêêêêêùûúúúúú㊂(17)根据常见不平衡工况的负面影响,可将系统控制目标设为:1)平衡电网电流;2)消除有功功率纹波;3)消除无功功率纹波㊂对应的电流期望值分别如下:i +sdref =u +sdP 0+u +sqQ 0u +2sd+u +2sq ,i -sdref =0;i +sqref=u +sq P 0-u +sd Q 0u +2sd +u +2sq,i -sqref =0㊂üþýïïïï(18)i +sdref i +sqref i -sdref i -sqref éëêêêêêùûúúúúú=u +sd u +squ -sd u -sq u +sq -u +sdu -sq-u -sd -u -sd -u-squ+sdu +sq u -sq-u -sdu +sq-u +sdéëêêêêêùûúúúúú-1P 0Q 0Q s2Q c2éëêêêêêùûúúúúú;(19)i +sdref i +sqref i -sdref i -sqref éëêêêêêùûúúúúú=u +sdu +sq u -sd u -sq u +sq -u +sd u -sq-u -sd u -sq -u -sd -u +sq u +sd u -sdu -squ +sdu +sqéëêêêêêùûúúúúú-1P 0Q 0P s2P c2éëêêêêêùûúúúúú㊂(20)2.3㊀输入/输出侧平坦控制微分平坦控制多用于连续时间的非线性控制系统中,能快速㊁准确地跟踪参考值,主要由前馈期望量和误差反馈补偿量组成,其理论框图如图4所示㊂首先分析微分平坦理论的基本原理㊂图4㊀微分平坦控制策略框图Fig.4㊀Block diagram of DFC control strategy设非线性系统为:x ㊃=f (x ,u ),x ɪR n ,u ɪR m ;y =g (x ),y ɪR n ㊂}(21)式中u ㊁y ㊁x 分别为系统的输入变量㊁输出变量和状态变量㊂微分平坦理论的判断条件为:x =x (y ,y ㊃, ,y (λ1));u =u (y ,y ㊃, ,y(λ2))㊂}(22)式中λ1㊁λ2均为正整数,它们分别为状态变量㊁输入变量的微分阶数㊂微分平坦控制策略框图如图4所示:u ref,c 为前馈控制量;u ref,b 为误差反馈补偿值;u ref 为参考输入量;y 为输出实际值;y ref 为其期望值;Δy 为两者误值;Δy ref 为Δy 的期望值㊂由于3个子换流器的结构相同,控制器也相同,本文仅以a 相的子换流器为例具体分析㊂另外,正㊁负序分量的控制类似,在此仅推导正序分量的控制过程㊂根据式(6),可以推出输入侧正序的平坦控制器的前馈控制量为u +da_ref,c u +qa_ref,c éëêêùûúú=u +sd u +sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i +da_ref i +qa_ref éëêêùûúú-ωs L -i +qa_ref i +da_ref éëêêùûúú㊂(23)35第1期程启明等:不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略式中u +da_ref,c ㊁u +qa_ref,c 分别为输入电流参考值i +da_ref ㊁i +qa_ref 生成的前馈控制量㊂将系统状态变量误差表示为:Δi +da =i +da -i +da_ref ;Δi+qa=i+qa-i+qa_ref㊂}(24)将式(24)代入式(6),可得误差模型如下:Δu +da Δu +qa éëêêùûúú=-R +L d d t()Δi +da Δi +qa éëêêùûúú-ωs L -Δi +qa Δi +da éëêêùûúú㊂(25)由式(25)可得相应误差反馈补偿值为Δu +da_ref,b Δu +qa_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFi s ()Δi +da_ref -Δi +da Δi +qa_ref -Δi +qa éëêêùûúú-ωs L -Δi +qa Δi +da éëêêùûúú㊂(26)式中:k DFp ㊁k DFi 为PI 参数;u +da_ref,b ㊁u +qa_ref,b 分别为Δi +da㊁Δi +qa与参考值生成的误差反馈补偿值㊂令Δi +da_ref =0,Δi +qa_ref =0,可得Δu +da_ref Δu +qa_ref éëêêùûúú=Δu +da_ref,b Δu +qa_ref,b éëêêùûúú+Δu +da_ref,c Δu +qa_ref,c éëêêùûúú㊂(27)联立式(6)和式(27)可得(R +Ls )Δi +da_refΔi +qa_ref éëêêùûúú-k DFp +k DFis ()i +da-i +da_refi +qa -i +qa_ref éëêêùûúú=(R +Ls )i +dai +qa éëêêùûúú㊂(28)由式(28)可得d㊁q 轴电流的闭环传递函数如下:H d (s )H q (s )éëêêùûúú=i+dai+da_refi+qai +qa_ref[]T=11[]㊂(29)因此,上述设计的M3C 平坦控制器能实现电气量的解耦,响应速度快,跟踪效果好㊂类似地,可以推导出输入侧b 相子换流器㊁c 相子换流器以及输出侧的正序前馈控制量㊁误差反馈补偿量和平坦控制器分别为:u +db_ref,c u +qb_ref,c éëêêùûúú=u +sd u +sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i +db_ref i +qb_ref éëêêùûúú-ωs L -i +qb_ref i +db_ref éëêêùûúú;(30)Δu +db_ref,b Δu +qb_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFis ()Δi +db_ref -Δi +db Δi +qb_ref -Δi +qb éëêêùûúú-ωs L -Δi +qb Δi +db éëêêùûúú;(31)Δu +db_ref Δu +qb_ref éëêêùûúú=Δu +db_ref,b Δu +qb_ref,b éëêêùûúú+Δu +db_ref,c Δu +qb_ref,c éëêêùûúú;(32)u +dc_ref,c u +qc_ref,c éëêêùûúú=u +sd u +sq éëêêùûúú-R +L d d t ()i +dc_ref i +qc_ref éëêêùûúú-ωs L -i +qc_ref i +dc_ref éëêêùûúú;(33)Δu +dc_ref,b Δu +qc_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFis ()Δi +dc_ref -Δi +dc Δi +qc_ref -Δi +qc éëêêùûúú-ωs L -Δi +qc Δi +dc éëêêùûúú;(34)Δu +dc_ref Δu +qc_ref éëêêùûúú=Δu +dc_ref,b Δu +qc_ref,b éëêêùûúú+Δu +dc_ref,c Δu +qc_ref,c éëêêùûúú;(35)u +od_ref,c u +oq_ref,c éëêêùûúú=-3u +1d u +1q éëêêùûúú-R +L d d t ()i +od_ref i +oq_ref éëêêùûúú-ω1L -i +oq_ref i +od_ref éëêêùûúú;(36)Δu +od_ref,b Δu +oq_ref,b éëêêùûúú=-k DFp +k DFi s ()Δi +od_ref -Δi +od Δi +oq_ref -Δi +oq éëêêùûúú-ωs L -Δi +oq Δi +od éëêêùûúú;(37)Δu +od_ref Δu +oq_ref éëêêùûúú=Δu +od_ref,b Δu +oq_ref,b éëêêùûúú+Δu +od_ref,c Δu +oq_ref,c éëêêùûúú㊂(38)M3C 输入侧㊁输出侧正序平坦控制的详细框图如图5所示㊂2.4㊀子模块独立均压控制本文采用子模块独立均压控制使各子模块的电容电压达到稳定㊁均衡,其具体原理为:通过每个桥臂上的电流㊁对应桥臂的直流电压㊁单个子模块的电容电压,结合输入侧㊁输出侧的平坦控制信号,得出最终的桥臂控制信号,再送入载波移相调制,以此保证子模块电容电压的稳定㊂控制框图见图6㊂以桥臂u a 为例,其总电容电压u Cua ,子模块平均电容电压为u -Cua ,调制信号为u ∗ua ,第j 个子模块的45电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀电容电压为u Cua j㊂图5㊀M3C 系统的微分平坦控制框图Fig.5㊀DFC control block diagram of M3Csystem图6㊀子模块独立均压控制Fig.6㊀Independent and average voltage control ofsub-module3㊀仿真实验分析本文在MATLAB /Simulink 仿真平台上对图1所示M3C 系统进行了模拟㊂由此设计了两种不平衡故障工况,分别仿真了微分平坦控制与传统的PID 控制,并对比仿真效果㊂系统仿真参数如表1所示㊂表1㊀系统仿真实验参数Table 1㊀Parameters of system simulation experiment㊀㊀参数数值输入侧电压幅值/kV 10输出侧电压幅值/kV 10输入侧频率/Hz 50/3输出侧频率/Hz 50桥臂子模块数/个7子模块电容/mF 10子模块电容电压/V 3000桥臂电感/mH203.1㊀工况1实验分析在工况1下,由控制目标1(平衡电网电流)变为控制目标2(消除有功功率纹波)再变回控制目标1㊂具体如下:1)0~0.1s 内,电网电压无故障,系统正常运行,此时输入侧㊁输出侧均选择控制目标1,且P 0=12MW,Q 0=0;2)0.1~0.2s 内,输出侧电压a 相跌落20%,构造输出侧三相电压不对称工况,此时输出侧选择控制目标2,且P 0=6MW,Q 0=0,输入侧无变化;3)0.2~0.3s 内,输入侧电压u 相跌落20%,构造输入侧㊁输出侧三相电压均不对称的工况,输入侧输出侧均选择控制目标2;4)0.3~0.4s 内,设定输入侧㊁输出侧电压恢复原值,交流系统对称,回到无故障正常运行工况㊂图7和图8为工况1下PID 控制策略与微分平坦控制策略的仿真波形,包括输入侧电压u su /u sv /u sw ㊁输入侧电流i su /i sv /i sw ㊁输出侧电压u 1a /u 1b /u 1c ㊁输出侧电流i 1a /i 1b /i 1c ㊁输入侧有功无功功率P s /Q s ㊁输出侧有功无功功率P 1/Q 1㊂表2分别列出了工况1下PID 控制策略与微分平坦控制策略的输入侧电流㊁输出侧电流的性能指标,并从稳定时间与总谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)两个方面来进行对比分析㊂由于篇幅有限,本文截取了0.1~55第1期程启明等:不平衡电网下双dq 坐标变换的M3C 微分平坦控制策略0.2s 内输出侧电流的THD 值制成图9,其余THD 值将直接表示在表2中㊂图7㊀工况1下PID 控制的仿真结果Fig.7㊀Simulation results of PID control under workingcondition 1分析图7㊁图8㊁图9和表2可知,在电网出现不对称故障时,传统PID 控制策略与本文所提的微分平坦控制策略均能达到控制要求,保证系统稳定运行,且微分平坦控制策略下各电气量的性能指标均优于传统PID 控制㊂图8㊀工况1下微分平坦控制(DFC )的仿真结果Fig.8㊀Simulation results of DFC control under workingcondition 165电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图9㊀工况1下输出侧电流谐波分析(0.1~0.2s) Fig.9㊀Output current spectrums of M3C on working condition1(0.1~0.2s)表2㊀工况1下输入侧㊁输出侧电流性能指标分析Table2㊀Analysis of current performance index of input side and output side under working condition1两侧电流性能指标分析时间段/ms0~100100~200200~300300~400输入侧稳定时间/ms(PID)59100238339输入侧稳定时间/ms(DFC)34100225320输入侧THD/%(PID) 1.970.240.52 1.29输入侧THD/%(DFC)0.620.140.290.15输出侧稳定时间/ms(PID)21118200330输出侧稳定时间/ms(DFC)14107190313输出侧THD/%(PID) 1.710.870.480.99输出侧THD/%(DFC)0.290.220.240.11 1)0~0.1s内,系统处于无故障正常运行状态,在控制目标1下,两种控制方法下的输入侧㊁输出侧电流都具有较好的三相对称性,系统在微分平坦控制下的稳定速度较PID控制稍快,电能质量较高;2)0.1~0.2s内,输出侧出现不对称故障,a相电压跌落20%,输出侧控制目标为消除有功功率纹波,两种控制方法下的输出侧电流,在不对称故障与功率改变后都能达到新的稳定值㊂PID控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.118s后稳定,输出侧电流THD值为0.87%;微分平坦控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.107s后稳定,输出侧电流THD值为0.22%,对比可知微分平坦控制下输出侧电流能够更快达到稳定,系统的谐波污染更低;3)0.2~0.3s内,输入侧和输出侧均出现不对称故障,控制目标均为消除有功功率纹波,PID控制和微分平坦控制下系统的输入侧电流i uvw的THD值分别为0.52%和0.29%,说明微分平坦控制下系统的电能质量高;4)0.3~0.4s内,输入侧㊁输出侧均恢复无故障正常运行状态,由表2可知,微分平坦控制下系统的能更快达到稳态,谐波含量更低,电能质量更高,能够更有效地抑制负序电流㊂3.2㊀工况2实验分析在工况2下,由控制目标1变为控制目标3再变回控制目标1㊂工况2具体如下:1)0~0.1s内,电网电压无故障,系统正常运行,此时输入侧㊁输出侧均选择控制目标1,且P0= 12MW,Q0=0㊂2)0.1~0.2s内,输入侧电压u相跌落20%,构造输入侧三相电压不对称工况,此时输出侧选择控制目标3,且P0=6MW,Q0=0,输出侧无变化;3)0.2~0.3s内,输出侧电压a相跌落20%,构造输入侧㊁输出侧三相电压均不对称的工况,输入侧输出侧均选择控制目标3;4)0.3~0.4s内,设定输入侧㊁输出侧电压恢复原值,交流系统对称,回到无故障正常运行工况㊂图10和图11为工况2下PID控制策略与微分平坦控制策略的仿真波形,包括输入侧电压u su/u sv/ u sw㊁输入侧电流i su/i sv/i sw㊁输出侧电压u1a/u1b/u1c㊁输出侧电流i1a/i1b/i1c㊁输入侧有功无功功率P s/Q s㊁输出侧有功无功功率P1/Q1㊂由于篇幅有限,本文截取了0.1~0.2s内输出侧电流的THD值制成图12,其余THD值将直接表示在表中㊂表3分别列出了工况2下两种控制策略的输入侧电流㊁输出侧电流的性能指标,便于进一步对比分析㊂75第1期程启明等:不平衡电网下双dq坐标变换的M3C微分平坦控制策略图10㊀工况2下PID控制的仿真结果Fig.10㊀Simulation results of PID control under working condition2分析图10㊁图11㊁图12和表3可知,在工况2下,微分平坦控制策略的控制效果优于传统PID控制㊂具体分析如下:1)0~0.1s内,系统为无故障正常运行状态;2)0.1~0.2s内,输入侧出现不对称故障,u相电压跌落20%,输入侧控制目标为消除无功功率纹波,两种控制方法下的输入侧㊁输出侧电流,在不对称故障与功率改变后都能迅速稳定;图11㊀工况2下微分平坦控制(DFC)的仿真结果Fig.11㊀Simulation results of DFC control under working condition285电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀图12㊀工况2下输出侧电流谐波分析(0.2~0.3s) Fig.12㊀Output current spectrums of M3C on working condition2(0.2~0.3s)表3㊀工况2下输入侧㊁输出侧电流性能指标分析Table3㊀Analysis of current performance index of input side and output side under working condition2两侧电流性能指标分析时间段/ms0~100100~200200~300300~400输入侧稳定时间/ms(PID)65134200327输入侧稳定时间/ms(DFC)29126200311输入侧THD/%(PID) 1.970.940.48 1.28输入侧THD/%(DFC)0.620.490.290.16输出侧稳定时间/ms(PID)24100214325输出侧稳定时间/ms(DFC)151********输出侧THD/%(PID)0.970.670.89 1.04输出侧THD/%(DFC)0.370.120.270.953)0.2~0.3s内,输入侧和输出侧均出现不对称故障,控制目标均为消除无功功率纹波,PID控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.214s后稳定,输出侧电流THD值为0.89%;微分平坦控制下系统的输出侧电流i abc与输出侧功率P1/Q1在0.207s后稳定,输出侧电流THD值为0.27%,对比可知微分平坦控制下动态稳定性与快速性更好,谐波污染更低;4)0.3~0.4s内,输入侧㊁输出侧均恢复无故障正常运行状态,由表3可知,微分平坦控制下系统的稳定速度㊁动态性能㊁控制效果均优于传统PID 控制㊂通过对比上述两种运行工况的仿真结果,不难得知无论是在正常运行工况下,或是系统出现单侧㊁双侧不对称故障的工况下,微分平坦控制的效果均优于PID控制㊂4㊀结㊀论本文对电网不平衡下的M3C微分平坦控制进行了深入研究㊂首先,根据双dq坐标变换建立了M3C的输入输出侧解耦模型,提取电压电流的正负序分量,基于微分平坦理论,设计出了输入侧㊁输出侧的微分平坦控制器,最后在MATLAB/Simulink平台上设计了两种不平衡工况,分别模拟了微分平坦控制和传统PID控制的运行效果,验证了本文所提控制策略的先进性㊂且通过理论分析和仿真对比可以得到以下结论:1)双dq坐标变换中所有的受控量均为直流量,控制结构较双αβ更简单,实现容易,同时也具备优良的稳态和动态性能㊂2)与传统的线性PID控制相比,非线性的平坦控制更适用于非线性的M3C系统㊂在平衡电网或电网出现不对称故障时,微分平坦控制下的控制效果均优于PID控制,其动态稳定性与快速性更好,谐波污染更低㊂参考文献:[1]㊀YOU Shutang,ZHAO Jiecheng,YAO Wenxuan,et al.FNET/grideye for future high renewable power grids-applications overview[C]//2018IEEE PES Transmission&Distribution Conferenceand Exhibition-Latin America(T&D-LA),September18-21, 2018,Lima,Peru.2018:1-5.[2]㊀WU Jiahui,WANG Haiyun,WANG Weiqing,et al.Performanceevaluation for sustainability of wind energy project using improved multi-criteria decision-making method[J].Journal of Modern Power Systems and Clean Energy,2019,7(5):1166. 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[20]㊀SHAHIN A,MOUSSA H,FORRISI I,et al.Reliability im-provement approach based on flatness control of parallel-connect-ed inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2017,32(1):682.[21]㊀张翀.模块化多电平矩阵换流器在AC/AC系统应用中的关键技术研究[D].杭州:浙江大学,2020.(编辑:刘琳琳)06电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第28卷㊀。

《2024年模块组合多电平变换器(MMC)研究》范文

《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的快速发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力转换技术，已经引起了广泛的关注。

MMC以其高电压、大功率、高效率等优点，在高压直流输电、风力发电、光伏发电等新能源领域得到了广泛的应用。

本文旨在深入探讨MMC的原理、控制策略及其应用领域，为后续的深入研究提供理论支持。

二、MMC的基本原理MMC是一种采用模块化设计的多电平变换器，其基本原理是通过将多个子模块（SM）串联或并联，形成多个电平的输出电压。

每个子模块通常包括一个全桥或半桥结构，通过控制其开关状态，实现电平的切换。

MMC具有高电压、大功率、低谐波失真等优点，适用于高压直流输电、新能源发电等领域。

三、MMC的控制策略MMC的控制策略主要包括调制策略和环流控制策略。

调制策略决定了子模块的开关状态，从而影响输出电压的电平数和波形质量。

常用的调制策略包括最近电平调制（NLM）和特定谐波消除调制（SHEM）等。

环流控制策略则是为了抑制环流（即相邻子模块之间的电流波动），以保证MMC的稳定运行。

常用的环流控制策略包括有源和无源环流控制器等。

四、MMC的应用领域MMC的应用领域十分广泛，主要包括高压直流输电、新能源发电等。

在高压直流输电领域，MMC可以用于实现大功率、高效率的电能传输，提高电力系统的稳定性和可靠性。

在新能源发电领域，MMC可以用于风力发电、光伏发电等场合，通过将多个子模块并联，实现高电压、大功率的输出，提高新能源的利用效率。

此外，MMC还可以用于电动汽车充电设施等场合，实现快速充电和高效率的电能转换。

五、MMC的研究现状与展望目前，国内外学者对MMC的研究已经取得了重要的进展。

在理论方面，已经建立了较为完善的MMC数学模型和控制策略体系，为MMC的设计和优化提供了理论支持。

在应用方面，MMC已经在高压直流输电、新能源发电等领域得到了广泛的应用，并取得了显著的经济效益和社会效益。

模块化多电平变换器的数学建模与分析

模块化多电平变换器的数学建模与分析当今世界经济发展所面临的重要课题之一就是如何节约能源、保护环境。

其中，用于电力变换的模块化多电平变换器就是一个非常重要的技术手段。

而对于模块化多电平变换器来说，数学建模和分析就显得尤为重要。

本文将介绍模块化多电平变换器的数学建模和分析方法，希望能为相关研究提供一些借鉴和参考。

一、模块化多电平变换器的概念及特点模块化多电平变换器是一种应用于高功率电力电子补偿、驱动等领域的电力变换器。

与传统电力变换器相比，它具有更高的功率密度、更好的电力质量和更高的效率等优点。

其实现方法是通过并联多个交流电源和电容、电源开关器件，在无需任何额外的输出滤波器的条件下，构成多个输出电平，实现直流电压变换。

模块化多电平变换器具有以下几个特点：1.可重构性：可根据不同的应用需求选择不同的电压级数目，实现最佳的功率匹配。

2.高效率：由于无需输出滤波器，因此不仅能够减少磁性元件的大小和重量，还能提高效率。

3.输出电压质量优秀：在满足一定的调制策略下，输出电压具有较低的失真和较小的开关噪声。

4.可靠性高：由于输出过电压和过电流保护，使模块化多电平变换器具有更高的可靠性。

二、模块化多电平变换器的数学建模模块化多电平变换器的数学建模实质上就是描述它的输入-输出关系。

以下将介绍两种不同的数学建模方法。

1.能量平衡法建模能量平衡法建模的主要思路是通过能量守恒原则，建立模块化多电平变换器的电路方程，用于分析其输入和输出电路的关系。

具体而言，在模块化多电平变换器的等效电路图中，利用基尔霍夫电流和电压定律，分别对每个电容、电源开关进行分析，建立其电路方程。

同时，在考虑开关状态的同时，对每个开关器件进行电流通道和电压通道的分析，建立对应的拓扑结构。

2. 矢量控制法建模矢量控制法建模的思路是将模块化多电平变换器的电路分解为多个独立的等效电路，并对每个等效电路进行控制。

通过电压调制和电流控制两部分控制方式，精确控制每个等效电路的状态，实现对整个模块化多电平变换器的控制。

《2024年模块组合多电平变换器(MMC)研究》范文

《模块组合多电平变换器（MMC）研究》篇一一、引言随着电力电子技术的不断发展，模块组合多电平变换器（MMC）作为一种新型的电力变换技术，因其高可靠性、高效率、高灵活性等优点，在电力系统、风力发电、光伏发电等领域得到了广泛的应用。

本文旨在探讨模块组合多电平变换器（MMC）的原理、特性、控制策略以及应用前景，为相关研究与应用提供参考。

二、MMC基本原理与结构模块组合多电平变换器（MMC）是一种基于模块化设计的多电平变换器。

其基本原理是将多个子模块（SM）串联起来，形成一个电平数较高的变换器。

每个子模块包含一个全桥或半桥结构，通过控制子模块的投入与切除来改变输出电压的电平数和相位。

MMC的结构主要由三相桥臂组成，每个桥臂包含多个子模块（SM）。

这些子模块以串联方式连接，形成具有高电压等级的桥臂。

此外，还包括环流变压器、输出滤波器等设备。

通过控制各桥臂中子模块的开关状态，可以实现对交流电压的输出控制。

三、MMC的特性分析MMC具有以下特点：1. 高可靠性：采用模块化设计，各子模块相互独立，易于维护和替换，提高了系统的可靠性。

2. 高效率：通过优化控制策略，降低开关损耗和导通损耗，提高系统效率。

3. 高灵活性：可实现多种电平数和相数的输出，满足不同场合的需求。

4. 谐波性能好：采用多电平技术，输出电压的谐波成分较小，无需额外滤波设备。

四、MMC控制策略研究控制策略是MMC的核心技术之一。

目前常用的控制策略包括最近电平控制（NLC）、载波脉宽调制（CPWM）等。

这些控制策略各有优缺点，如NLC具有较低的计算复杂度，但可能存在较大的电压谐波；CPWM具有较好的电压波形质量，但计算复杂度较高。

为了解决这些问题，许多新型的控制策略不断被提出并应用到MMC中，如优化NLC、优化CPWM等。

此外，为满足系统的实时性要求，需要设计高性能的控制器，包括数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等。

五、MMC应用领域及前景展望MMC因其高可靠性、高效率、高灵活性等优点，在多个领域得到了广泛应用。

模块化多电平变流器的限幅控制和混合调制

电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol．32No．4Apr.2012第32卷第4期2012年4月0引言随着以风能为代表的可再生能源发电领域的不断拓展，高电压、大功率全控型变流器的使用越来越多。

为加大功率开关承受高压的能力，采用最多的是IGBT 串联的方式，但要保证IGBT 完全同步的难度很大，掌握这种技术的厂家也很少。

其他多电平变流器，如二极管箝位、电容箝位，保证内部电平平衡的难度较大，扩展性能也不好。

采用H 桥串联的变流器［1］，虽扩展性好，但不同变流器的直流端不能耦合，不能用于直流功率传输。

因此，一种以半桥串联为基础的模块化多电平变流器MMC （Modularized Multi -level Converter ）开始出现并迅速进入应用［2-4］，它不需要功率开关承受高压应力，扩展性和容错性强，可以采用脉宽调制（PWM ）或阶梯波调制，能较好地控制开关损耗和电磁干扰［5］。

1变流器结构和原理MMC 在结构上以半桥为子模块，则模块输出电平为（0，1）；变流器采用三相桥结构，每个桥臂用n 个模块串联形成（见图1）。

以变流器输出电压的相移角δi （i =a ，b ，c ）和调制比m 作为控制变量，得到各部分输出的表达式。

上桥臂电压：U i 1=nU sub 2［1-m sin （ωt +δi ）］（1）下桥臂电压：U i 2=nU sub ［1+m sin （ωt +δi ）］（2）直流端电压：U dc =nU sub（3）其中，U sub 为子模块电容电压。

根据U c 和电网U s 的相量关系，可知MMC 的电流为：I c i =U s i -U c iv v（4）其中，R v 、L v 为MMC 等效损耗和并网电抗。

由于电路对称，可知上、下桥臂的电流有I c i 1=-I c i 2=-I c i ／2，从而得到上、下桥臂的功率为：P i 1=ReU dc2-U c i !"-I c i2!"#$=Re U c i I c i2!"（5）Q i 1=Im Udc2-U c i !"-I c i2!"%&=Im U c i I c i2!"（6）P i 2=Re Udc+U c i !"I c i2%&=Re U c i I c i2!"（7）Q i 2=Im Udc+U c i!"I c i2%&=Im U c i I c i!"（8）模块化多电平变流器的限幅控制和混合调制何大清，蔡旭（上海交通大学风力发电研究中心海洋工程国家重点实验室，上海200240）摘要：模块化多电平变流器开关损耗低，电磁干扰小，可扩展性强，并且不同变流器的直流端可以耦合。

模块化多电平变换器的调制与控制策略研究

模块化多电平变换器的调制与控制策略研究随着电力系统对高效、可靠和经济的需求不断增加，多电平变换器在变频驱动等领域得到了广泛应用。

在多电平变换器中，调制与控制策略是影响其性能的重要因素。

本文就模块化多电平变换器的调制与控制策略进行研究，旨在提供更加高效、可靠和经济的控制方案。

一、多电平变换器的基本结构与控制策略多电平变换器的基本结构是由多个单元变换器级联组成，其中单元变换器的输出电压取决于其输入电压和开关状态。

多电平变换器的核心控制策略是调制，即对输入电压进行合理的分配和调整，以使输出电压满足设定的要求。

常见的多电平变换器控制策略包括：基于脉宽调制（PWM）的空间载波调制（SPM）、基于时间调制（TDM）的相位移调制（PPM）和基于选择性谐波消除（SHR）的控制策略等。

其中，SPM是一种常用的PWM策略，其主要思想是在极低频率的基础波上添加高频三角波进行调制，以达到分配电压等级的目的。

PPM则是另一种常用的技术，其通过改变不同单元变换器之间的输出相位来减少谐波，并简化了使用交流串联电容的电路，具有比SPM更好的性能。

二、模块化多电平变换器的调制与控制策略对于传统的多电平变换器，其控制信号需要在各个单元变换器之间传递，且每个单元变换器都需要进行复杂的调制计算，影响了控制效率。

而模块化多电平变换器通过将多个单元变换器分为不同的模块进行控制，可以有效提高控制效率。

本研究所采用的控制策略是基于模块化多电平变换器的，其主要特点是利用多模块转换器（MMC）替代传统的单元变换器，从而实现模块之间的直接串联，可以大大简化控制和调制计算。

在MMC的控制中，呈线性的母线电压需要通过合适的载波调制技术来变换为一系列的电平电压。

本研究所采用的基于MMC的控制策略是基于SHR技术的，其主要思想是通过选择特定的振荡频率来消除Harmonic L / N (N，L = 1, 3, 5 ...)所产生的谐波，从而保证输出电压的质量和稳定性。

《模块化多层次电动汽车锂电池均衡器及其控制策略研究》

《模块化多层次电动汽车锂电池均衡器及其控制策略研究》摘要本文深入研究了模块化多层次电动汽车锂电池均衡器及其控制策略。

首先，文章详细阐述了电动汽车锂电池系统中的均衡器模块化的必要性及重要性；接着，从设计思路、硬件组成和软件控制三个方面详细论述了多层次均衡器的构造和实现过程；最后，本文提出了一种新型的控制策略，并通过仿真实验验证了其有效性。

本文旨在为电动汽车锂电池系统提供更为先进和可靠的均衡方案，以提高电池组的能量利用效率和寿命。

一、引言随着电动汽车的普及，锂电池作为其核心动力源，其性能的优劣直接关系到电动汽车的续航能力和使用寿命。

而电动汽车在行驶过程中，由于各电池单元的性能差异和外部条件的不确定性，电池组中常常出现电量不均衡的现象。

为了解决这一问题，模块化多层次的电动汽车锂电池均衡器及其控制策略的研究显得尤为重要。

二、模块化均衡器设计的重要性均衡器作为电池管理系统的重要组成部分，其主要作用是调节各电池单元的电压和电量，以实现电池组的高效利用和延长使用寿命。

模块化设计能够使均衡器更加灵活、可扩展，适应不同规格和需求的电池系统。

通过模块化设计，不仅可以提高均衡器的可靠性和可维护性，还可以降低整体成本。

三、多层次均衡器的设计与实现多层次均衡器的设计包括硬件组成和软件控制两个部分。

在硬件方面，主要分为采集层、主控层和驱动层三个层次。

采集层负责实时监测各电池单元的电压和电量信息；主控层则是均衡器的核心，负责接收采集层的数据，并按照控制策略进行计算和决策；驱动层则根据主控层的指令，控制各均衡模块的工作状态。

在软件控制方面，主要采用先进的算法和控制策略，实现对电池组的高效管理和均衡。

四、控制策略的研究与实现本文提出了一种新型的控制策略，该策略基于电池组的工作状态和需求，采用分级均衡和智能均衡相结合的方式。

分级均衡是根据电池单元的电压差异进行分层处理，优先对电压差异较大的电池单元进行均衡；智能均衡则是通过引入人工智能算法，实现对电池组的高效智能管理。

模块化多电平电力电子变压器的优化控制策略研究

模块化多电平电力电子变压器的优化控制策略研究变压器作为电压等级转换的主要部件,是电力系统的重要组成部分之一。

当前,随着工业和经济的不断发展,对现代电力系统提出了许多新的要求,如自愈能力要求、不间断供电要求、高电能质量要求、经济性要求等,面对新要求,传统变压器已经无法完全满足。

另一方面,以高频变换技术为基础的电力电子变压器,相较于传统变压器,其除了具有基本的电压等级转换功能外,还具备动态无功补偿、不间断供电电源、电网频率变换、电能质量管理与控制等多重功能,吸引了研究者们的广泛关注,其中,由输入级、中间级(隔离级)和输出级组成的三级式结构的电力电子变压器是目前的研究重点,以模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,以下简称MMC)为前级的模块化多电平电力电子变压器因为其灵活性和良好的可扩展性,具有极佳的应用前景。

基于上述背景,本文主要针对模块化多电平电力电子变压器前级与中间级的控制策略进行优化研究,对现代电力系统高效运行具有重要的意义。

首先,针对模块化多电平电力电子变压器的前级MMC,分析了其拓扑结构和子模块工作状态,建立了其开关模型,介绍和分析了MMC的传统调制和控制策略,提出了一种新的基于控制目标优先级顺序的MMC调制策略分类方法,引入了集中式调制策略和分布式调制策略的概念,设计了在集中式载波层叠调制策略下的状态机型脉冲分配器并进行了相关优化;其次,针对模块化多电平电力电子变压器的中间级双向主动全桥变换器(Dual Active Bridge,以下简称DAB),介绍了其拓扑结构、工作原理和移相控制策略,分析了DAB的软开关工作条件和单台DAB的电压、电流双闭环控制策略,对多台采用ISOP(输入串联,输出并联)连接的DAB提出了一种输入均压控制策略;最后,针对前文所述控制策略搭建了仿真模型和样机,分别验证了其有效性,同时进行了多种工作场景下模块化多电平电力电子变压器的整体控制策略仿真,验证了前文所述控制策略的有效性。

模块化多电平变流器模块电压纹波抑制策略及应用

第36卷第7期中国电机工程学报V ol.36 No.7 Apr. 5, 20161892 2016年4月5日Proceedings of the CSEE ©2016 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2016.07.016 文章编号：0258-8013 (2016) 07-1892-08 中图分类号：TM 46模块化多电平变流器模块电压纹波抑制策略及应用李金科1，金新民1，吴学智1，张冀川1，武文2(1．北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京市海淀区 100044；2．北京电动车辆协同创新中心，北京市海淀区 100044)Strategy and Application of Reducing Capacitor Voltage Ripples inModular Multilevel ConvertersLI Jinke1, JIN Xinmin1, WU Xuezhi1, ZHANG Jichuan1, WU Wen2(1. National Active Distribution Network Technology Research Center (NANTEC), Beijing Jiaotong University, Haidian District, Beijing 100044, China; 2. Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles in Beijing, Haidian District, Beijing 100044, China)ABSTRACT: System cost and operation life can be improved by reducing the capacitors ripples in modular multilevel converters (MMC). The reason of traditional circulating current suppression strategy to reduce the capacitor fluctuation was analyzed by numeric calculation. The instantaneous power fluctuations of submodules were expressed as capacitor voltages fluctuations. According to the relationship between the voltage fluctuations and the circulating currents, the optical circulating current to reduce the power fluctuations was calculated. Ripple suppression effects were analyzed by changing modulation ratio and power factor angle. Finally, the ripple suppression strategy was verified by utilizing Matlab simulation and RT-Lab hardware-in-the-loop platform. The effects by power factor angle were tested by simulations. The feasibility and application of carrier phase shifting modulation and nearest level modulation methods were discussed by simulations and experiments.KEY WORDS: modular multilevel converter (MMC); capacitor voltage ripples; instantaneous current value; modulation algorithm摘要：降低子模块电容电压波动可以减少模块化多电平变流器系统成本、延长运行寿命。

模块化多电平变流器调制策略研究

模块化多电平变流器调制策略研究
模块化多电平变流器是一种先进的电力电子设备，其调制策略对于电力系统的稳定性和效率有着重要影响。

目前，许多研究人员致力于研究模块化多电平变流器的调制策略。

在模块化多电平变流器中，每个子模块通常包括两个开关器件、两个反并联二极管以及一个电容。

通过控制开关器件的工作状态，可以控制子模块的工作状态。

对于调制策略，目前主要有阶梯波调制、多电平空间矢量调制、载波层叠PWM和载波相移PWM等。

这些策略各有优缺点，比如阶梯波调制实现简单，但输出波形质量较差；多电平空间矢量调制能够减少开关次数，但算法复杂度较高。

因此，选择合适的调制策略需要根据具体的应用场景和需求。

载波层叠PWM和载波相移PWM是近年来研究的热点。

这两种策略在传统的PWM技术基础上，通过优化载波的叠加和相移，能够提高输出波形的质量。

特别是载波相移PWM，它通过将载波的相位偏移与子模块的开关状态相结合，能够在不增加开关次数的情况下实现电平数的增加。

除了以上调制策略，还有一些研究关注于如何降低开关器件的损耗和噪声。

例如，通过优化开关器件的触发时间，可以降低开关损耗；通过优化载波的频率和幅度，可以降低电磁干扰和噪声。

总的来说，模块化多电平变流器的调制策略研究是一个充满挑战和机遇的领域。

随着电力电子技术的不断发展，我们有理由相信未来的调制策略将会更加高效、可靠和环保。

模块化多电平变流器技术研究及其SVG实验

模块化多电平变流器技术研究及其SVG实验邓明1，吴强1，张志学2，唐刽刽1，谭胜武1，何伯钧1，秦灿华1 (1．株洲变流技术国家工程研究中心有限公司株洲湖南412001；2．南车电气技术与材料工程研究院株洲湖南412001)【摘要】主要介绍了模块化多电平变流器的拓扑结构与工作原理，提出了适用于模块化多电平变流器的控制策略与子模块储能电容预充电策略，根据文章提出的变流器拓扑研制了SVG样机，相关实验结果表明，模块化多电平变流器具有良好的动态响应性能，输出电压电平数较高，电压谐波含量小，工程应用前景十分广阔。

【关键词】模块化多电平变流器；最近电平逼近；预充电；SVG实验Technology Research and SVG Experimentation of Modu lar Multilevel Converte rDENG M ing l，WU Qiangl，ZH度NG Zhi-xu e2，Ta ng Jian-zhaol，Tan Sheng-wul，HeBo-junl，Qin Can-hual(1．ZhuZhou National Engineering Research Center of Converters Co．，Ltd．，ZhuZhou，、HuNan，412001，China；2．CSR Research of Electrical Technology＆Material EngineeringZhuZhou。

HuNan，412001，China)Abstract：It mainly introduced t he topology and working principle of Modular MultilevelConverter。

put fo朋ard a controlst ra teg yand sub-module storage capacitor pre-charging strateg y f o rthe modular mu ltilev el converter，according to the prop os ed converter topology develop ed the prototype of SVG，relevant experimental results show that the modular multilevel converter has a good dynamic response performance，higher number of output voltage levels，small voltage harmonic content，has very broad application prospects．Keywords：Modular Multilevel Converter；Nearest Le ve l Modulation；Pre—charge；SVG ExperimentationO．引言近年来，多电平变流技术(主要是指电压源型多电平变流器)得到不断推广。