一种mmc型统一电能质量调节器的协调控制装置及方法
【专利摘要】本发明属于电力系统中压柔性交流输配电和电力电子控制【技术领域】，具体涉及一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置及方法。本发明由MMC型统一电能质量调节器及其协调控制器组成，利用对并联侧MMC出口侧三相电流中维持公共直流电压稳定的有功电流分量的限制，允许公共直流降压运行，将串联耦合变压器二次侧电流和系统电流限定在调节器安全运行范围内，提高了调节器所能够补偿的电压暂降幅值。本发明提出的协调控制方法能保证在综合治理过程中充分发挥UPQC装置的作用，在较大程度上保证了UPQC串联侧MMC的可靠运行。本发明提出的协调控制方法设计简单可靠，适用于不同装置参数的UPQC并适应于负载容量的变化。
【专利说明】—种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统中压柔性交流输配电和电力电子控制【技术领域】，具体涉及一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置及方法。
【背景技术】
[0002]随着电力电子技术及器件制造行业的发展，高性能的电力电子电路及设备已经越来越多的应用于电力系统、航空航天和机车牵引等领域。高自动化和高智能化技术给人们的生活带来便利的同时，也给电力系统带来了非线性、冲击性、波动性等因素的干扰。优质高效的电能成为供电方和用户共同追求的目标，因此，电能的质量问题日益受到人们的关注。统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)作为一种能够同时解决电压、电流质量问题的复合型装置，其串联侧及并联侧的换流器即可以解耦后独立运行，又可以针对配电线路中同时存在电压、电流问题时实现综合补偿的功能。将模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)技术应用于统一电能质量调节器,既提高了统一电能质量调节器UPQC的容量又提高了统一电能质量调节器UPQC的电压等级，从而扩展了统一电能质量调节器UPQC在中压领域的使用，使得统一电能质量调节器UPQC具有更加广阔的应用前景。
[0003]目前，模块化多电平换流器结构是柔性直流输电技术的重要拓扑结构之一，在中高压领域，由于该结构避免了两电平换流器结构需要绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT)串联以提高电压等级的难点，并且输出交流电压电压变化小，电平阶梯多更趋近于正弦波等优势，其在电力系统其他领域的应用也逐渐成为研究的热点。
[0004]三相载波移相PWM调制方法是一种较为成熟的调制方法，在模块化多电平换流器拓扑结构中的应用较多，三相载波移相PWM调制方法的基本调制原理为:N个子模块采用频率相同但是相位依次移开1/N三角载波周期的载波，与同一个正弦调制波进行比较，产生出N组PWM调制波信号，分别驱动N个功率单元。将各功率单元的输出电压相叠加，就可以得到等效多电平逆变器的PWM输出电压波形。三相载波移相PWM调制能够在较低的器件开关频率下实现较高等效开关频率的效果，具有良好的谐波特性，非常适用于大功率场合。
[0005]统一电能质量调节器UPQC的一项突出功能是能够综合治理各种电能质量问题，其主要的结构特征是串联侧换流器和并联侧换流器通过公共母线进行功率的传输。因此，在基于模块化多电平换流器的统一电能质量控制器的研制中，串并联侧采取怎样的协调控制策略以灵活高效的发挥统一电能质量调节器UPQC的综合治理功能成为整个控制保护系统中非常重要的一个环节。一般统一电能质量调节器UPQC综合协调控制的主要思路有两种:一种是并联侧不仅提供电流补偿，同时从系统吸收有功功率以支撑公共直流母线电压的稳定；另一种是并联侧仅提供部分电流补偿，串联侧需要的有功功率由换流器子模块储能电容提供。前者在实施的时候串联侧会出现严重过电流现象，危及绝缘栅双极晶体管IGBT器件的运行安全；后者则不能高效的发挥统一电能质量调节器UPQC的综合治理功能。鉴于此，本发明设计了一种针对直流电压控制的限流环节，并提出了电流限值的计算方法，在确保串联侧的绝缘栅双极晶体管IGBT运行在正常工作范围内的前提下，将装置电容中的储能充分发挥作用，保证了统一电能质量调节器UPQC串并联侧能够提供正常高效的协调治理功能。
【发明内容】
[0006]本发明针对目前串联侧会出现严重过电流现象，危及绝缘栅双极晶体管IGBT器件的运行安全以及不能高效的发挥统一电能质量调节器UPQC综合治理功能的不足，提出了一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置及方法。
[0007]一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，该协调控制装置由MMC型统一电能质量调节器与协调控制器相连组成；其中，
[0008]MMC型统一电能质量调节器包括串联耦合变压器、串联侧MMC和并联侧MMC ；
[0009]中压交流配电网系统通过交流母线与串联耦合变压器相连；
[0010]中压交流配电网系统经交流母线后通过信号线与协调控制器相连；
[0011 ] 串联侧MMC与串联耦合变压器相连；
[0012]串联侧MMC和并联侧MMC通过公共直流母线相连；
[0013]并联侧MMC与负荷相连；
[0014]协调控制器通过光纤分别与串联侧MMC和并联侧MMC相连；
[0015]负荷通过信号线与协调控制器相连。
[0016]串联侧MMC由三个相同的第一上桥臂、第二上桥臂和第三上桥臂以及三个相同的第一下桥臂、第二下桥臂和第三下桥臂组成；其中，
[0017]第一上桥臂与第一下桥臂相连后接交流电a相；
[0018]第二上桥臂与第二下桥臂相连后接交流电b相；
[0019]第三上桥臂与第三下桥臂相连后接交流电c相；
[0020]并联侧MMC由三个相同的第四上桥臂、第五上桥臂和第六上桥臂，以及三个相同的第四下桥臂、第五下桥臂和第六下桥臂组成；其中，
[0021]第四上桥臂与第四下桥臂相连后接交流电a相；
[0022]第五上桥臂与第五下桥臂相连后接交流电b相；
[0023]第六上桥臂与第六下桥臂相连后接交流电c相；
[0024]第一上桥臂、第二上桥臂、第三上桥臂、第一下桥臂、第二下桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂、第五上桥臂、第六上桥臂、第四下桥臂、第五下桥臂、第六下桥臂结构相同，均由子模块与桥臂电抗串联而成，上桥臂和下桥臂用来在接入与切除子模块时拟合出期望的交流输出电流。
[0025]子模块由第一 IGBT、第一二极管、第二 IGBT、第二二极管和子模块电容组成；其中，
[0026]子模块电容分别与第一 IGBT、第二 IGBT、第一二极管和第二二极管分别相连；
[0027]第一IGBT 和第二 IGBT 串联；
[0028]第一二极管反相与第二 IGBT并联；
[0029]第二二极管反相与第二 IGBT并联。[0030]所述协调控制器由直流电压偏差量生成模块、外环PI调节模块、限流模块、并联侧MMC参考电压生成模块、串联侧MMC参考电压生成模块、底层三相PWM调制模块以及锁相环模块组成；其中，
[0031]直流电压偏差量生成模块与外环PI调节模块和MMC型统一电能质量调节器相连；
[0032]限流模块分别与外环PI调节模块、并联侧MMC参考电压生成模块以及负荷侧相连；
[0033]并联侧MMC参考电压生成模块分别与锁相环模块、串联侧MMC参考电压生成模块、底层三相PWM调制模块、直流电压偏差量生成模块、负荷侧和MMC型统一电能质量调节器相连；
[0034]底层三相PWM调制模块分别与MMC型统一电能质量调节器和串联侧MMC参考电压生成模块相连；
[0035]串联侧MMC参考电压生成模块分别与锁相环模块、中压交流配电网系统侧和负荷侧相连；
[0036]锁相环模块与中压交流配电网系统侧相连。
[0037]—种MMC型统一电能质量调节器的协调控制方法，该方法包括下列步骤:
[0038]步骤1:协调控制器.进行初始化，初始化后限流模块采集负荷侧三相电流ilMda、Iioadb和ilMd。，通过傅里叶变换分解得出负荷侧三相电流中基波分量的有效值Ilradl，根据串联耦合变压器二次侧允许通过的最大电流Is2jiax和串联耦合变压器变比ητ，由下式计算得到限流模块中的有功电流偏差量最大值Ipmax:
[0039]Ipmax = IS2_max/nT-1loadl ；
[0040]则限流模块中有功电流偏差量的上限为+Ipmax,限流模块中有功电流偏差量的下限为-1pmax ；
[0041]步骤2:直流电压偏差量生成模块根据采集到的公共直流母线电压Udc’以及直流母线电压参考值ud。Mf，由下式计算得到直流电压偏差量AUd。
[0042]Δ Udc = Udc-Udc ref ；
[0043]步骤3:外环PI调节模块根据直流电压偏差量生成模块提供的直流电压偏差量AUdc,由下式计算得到含有直流电压信息的实际有功电流偏差量ip:
[0044]ip = kp Δ Udc+ki f A Udcdt ；
[0045]其中，kp为外环PI调节模块的比例系数，ki为积分系数；
[0046]步骤4:限流模块接收外环PI调节模块输入的实际有功电流偏差量ip，并根据步骤I得到的有功电流偏差量的上限+Ipmax和有功电流偏差量的下限-1pmax，对实际有功电流偏差量ip进行判断，若+Ipmax ^ Ip^ -1pmax则输出的有功电流偏差量ip—μ = ip ;否则，输出的有功电流偏差量ip—= Ipmax ;
[0047]步骤5:并联侧MMC参考电压生成模块接收限流模块输入的有功电流偏差量ip Mf，并根据检测到的负荷侧三相电流ilMda、iloadb和ilMd。以及并联侧MMC出口侧三相电流ipa、ipb、iP。计算并联侧MMC的三相电压参考信号upaMf、upbMf、up_f ;串联侧MMC参考电压生成模块根据检测到中压交流配电网系统侧三相电压usa、usl^P Us。，以及中压交流配电网的额定三相电压uNa、UNb和uN。计算串联侧MMC的三相电压参考信号usaMf、Usbref和Usc^f ；[0048](I)并联侧MMC参考电压生成模块检测到负荷侧三相电流ilMda、Iloadb和ilMd。，通过傅里叶变换分解得出负荷侧三相电流的基波分量ilMdal、Iloadbl和i—，根据下式得到负荷侧三相电流中的补偿分量Λ iloada、八 ^loadb 和八 Iloadcj
【权利要求】
1.一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，该协调控制装置由MMC型统一电能质量调节器与协调控制器相连组成；其中， MMC型统一电能质量调节器包括串联耦合变压器、串联侧MMC和并联侧MMC ； 中压交流配电网系统通过交流母线与串联耦合变压器相连； 中压交流配电网系统经交流母线后通过信号线与协调控制器相连； 串联侧MMC与串联耦合变压器相连； 串联侧MMC和并联侧MMC通过公共直流母线相连； 并联侧MMC与负荷相连； 协调控制器通过光纤分别与串联侧MMC和并联侧MMC相连； 负荷通过信号线与协调控制器相连。
2.根据权利要求1所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，串联侧MMC由三个相同的第一上桥臂、第二上桥臂和第三上桥臂以及三个相同的第一下桥臂、第二下桥臂和第三下桥臂组成；其中， 第一上桥臂与第一下桥臂相连后接交流电a相； 第二上桥臂与第二下桥臂相连后接交流电b相； 第三上桥臂与第三下桥臂相连后接交流电c相； 并联侧MMC由三个相同的第四上桥臂、第五上桥臂和第六上桥臂，以及三个相同的第四下桥臂、第五下桥臂和第六下桥臂组成；其中， 第四上桥臂与第四下桥臂相连后接交流电a相； 第五上桥臂与第五下桥臂相连后接交流电b相； 第六上桥臂与第六下桥臂相连后接交流电c相。
3.根据权利要求2所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，第一上桥臂、第二上桥臂、第三上桥臂、第一下桥臂、第二下桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂、第五上桥臂、第六上桥臂、第四下桥臂、第五下桥臂、第六下桥臂结构相同，均由子模块与桥臂电抗串联而成，上桥臂和下桥臂用来在接入与切除子模块时拟合出期望的交流输出电流。
4.根据权利要求3所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，子模块由第一 IGBT、第一二极管、第二 IGBT、第二二极管和子模块电容组成；其中， 子模块电容分别与第一 IGBT、第二 IGBT、第一二极管和第二二极管分别相连； 第一 IGBT和第二 IGBT串联； 第一二极管反相与第二 IGBT并联； 第二二极管反相与第二 IGBT并联。
5.根据权利要求1所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，所述协调控制器由直流电压偏差量生成模块、外环PI调节模块、限流模块、并联侧MMC参考电压生成模块、串联侧MMC参考电压生成模块、底层三相PWM调制模块以及锁相环模块组成;其中， 直流电压偏差量生成模块与外环PI调节模块和MMC型统一电能质量调节器相连； 限流模块分别与外环PI调节模块、并联侧MMC参考电压生成模块以及负荷侧相连； 并联侧MMC参考电压生成模块分别与锁相环模块、串联侧MMC参考电压生成模块、底层三相PWM调制模块、直流电压偏差量生成模块、负荷侧和MMC型统一电能质量调节器相连；底层三相PWM调制模块分别与MMC型统一电能质量调节器和串联侧MMC参考电压生成模块相连； 串联侧MMC参考电压生成模块分别与锁相环模块、中压交流配电网系统侧和负荷侧相连； 锁相环模块与中压交流配电网系统侧相连。
6.一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤: 步骤1:协调控制器进行初始化，初始化后限流模块采集负荷侧三相电流ilMda、ilMdb和ilMd。，通过傅里叶变换分解得出负荷侧三相电流中基波分量的有效值Iltjadl，根据串联耦合变压器二次侧允许通过的最大电流Is2 _和串联耦合变压器变比ητ，由下式计算得到限流模块中的有功电流偏差量最大值Ipmax:
Ipmax s2_max//^T 1adl ; 则限流模块中有功电流偏差量的上限为+Ipmax,限流模块中有功电流偏差量的下限为-1.ZV ipmax ， 步骤2:直流电压偏差量生成模块根据采集到的公共直流母线电压Udc,以及直流母线电压参考值Ud。—％，由下式计算得到直流电压偏差量AUd。:
Δ Udc=Udc-Udc ref ； 步骤3:外环PI调节模块根据直流电压偏差量生成模块提供的直流电压偏差量AUd。，由下式计算得到含有直流电压信息的实际有功电流偏差量ip:ip=kp Δ Udc+ki f A Udcdt ； 其中，kp为外环PI调节模块的比例系数，Iii为积分系数； 步骤4:限流模块接收外环PI调节模块输入的实际有功电流偏差量ip，并根据步骤I得到的有功电流偏差量的上限+Ipmax和有功电流偏差量的下限-1pnmx，对实际有功电流偏差量Ip进行判断，若+Ipmax ^ Ip ^ -1pmax则输出的有功电流偏差量ip—Mf=ip ;否则，输出的有功电流偏差量
ip—ref Ipmax ? 步骤5:并联侧MMC参考电压生成模块接收限流模块输入的有功电流偏差量ip m，，并根据检测到的负荷侧三相电流ilMda、iloab和ilMd。以及并联侧MMC出口侧三相电流ipa、ipb、ipc计算并联侧MMC的三相电压参考信号upaMf、Upbref, Uprarf ;串联侧MMC参考电压生成模块根据检测到中压交流配电网系统侧三相电压usa、usl^P Us。，以及中压交流配电网的额定三相电压uNa、UNb和uN。计算串联侧MMC的三相电压参考信号
(1)并联侧MMC参考电压生成模块检测到负荷侧三相电流ilMda、ilMdb和ilMd。，通过傅里叶变换分解得出负荷侧三相电流的基波分量ilMdal、Iloadbl和i—，根据下式得到负荷侧三相电流中的补偿分量△ iloada、八 ^loadb 和八 Iloadcj
【文档编号】H02J3/12GK103427425SQ201310369700
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2013年8月22日
【发明者】陆晶晶, 肖湘宁, 袁敞, 陈罡 申请人:华北电力大学