本发明涉及电力电子领域，涉及一种并网mmc的交流输入功率控制特性分析方法。
背景技术：
典型的mmc并网拓扑结构图如图1所示，图中，vsu，vsv，vsw为电网三相电压源，rs和ls分别为线路电阻和电感，两个桥臂电感电感并联等效成lac串在交流侧，该电感在mmc并网时，可以用于调控电网流入mmc的电流，如果lac不足以达到调控的目标，则在交流侧需要串联电感ls，用于补偿lac的不足。直流侧，电压源vd、电感ll和电阻rl组成了有源直流负载网络，当vd小于mmc桥臂电容电压时，mmc工作于整流状态，当vd大于mmc桥臂电容电压时，mmc工作于逆变状态。从外特性上看，并网mmc和普通的并网逆变器相同，普通并网逆变器的相关分析和控制方法可以用于并网mmc中。图中电流的参考方向和前面的相反，即假设交流侧提供功率源，直流侧为负载侧。
根据经典mmc并网拓扑结构的系统微分方程，将其进行分析化简，以及矩阵变换可以画出同步坐标系中并网mmc的等效模型，如图3所示，模型由三个直流回路组成，即d，q回路和输出直流回路。图中，t1和t2为两个受控源网络，其反应了mmc直流侧电压电流和交流侧电压电流的关系，直流负载zl为等效阻抗。t3和t4为两个回转器，其模型及伏安关系如图4所示。图中zl为直流等效负载。
由于mmc的交流侧和直流侧存在着耦合，这和普通变换器存在着显著的差别，这一差别会对mmc的工作特性产生影响从而造成相关参数值的较大偏差。然而，目前尚无文献考虑mmc交流侧和直流侧存在耦合的情况下对mmc工作特性进行分析研究，导致了应用的局限性。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供一种考虑交直流侧存在耦合的情况下并网mmc的交流输入功率特性的分析方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种并网mmc的交流输入功率控制特性分析方法，对于输入功率，按照瞬时无功理论可分为输入有功功率与输入无功功率，分别对输入有功功率与输入无功功率进行等式条件约束。
考虑有功功率可知，输入有功功率和输出功率是相同的，即所提模型的能量是守恒的，此时根据等式约束条件可知改变开关函数m和功率因数角
考虑无功功率可知，无功功率的调节范围和直流负载的大小有直接的关系，但和其正负没有关系，也就是说无功功率的输出范围和等效直流负载的大小相关，和系统是工作在整流状态还是逆变状态没有关系。直流负载越大，无功的调节范围越大，在空载时，即zl→∞时，获得最大的调节范围。当直流负载一定时，改变ya1和ya2可以改变无功的调节范围。当负载zl越大，输入单位功率因素越容易实现，当负载小时，可能无法实现单位功率因素。若当负载zl较大，从而实现输入单位功率因素时，增益随m单调递减，当m取得最大值1时，由于ya1<ya2，因此gv<1。这意味着，并网mmc输出直流电压可以略小于输入交流电压峰值；当负载zl较小，从而无法实现输入单位功率因素时，但可以获得最大功率因素，此时q/p最小。当这种情况下，当zl→∞时，如果不考虑电路损耗，则有功功率为0，且
分析并网mmc交流输入功率控制特性步骤如下：
步骤一：根据瞬时无功理论，将输入功率分为输入有功功率与输入无功功率分别进行分析，得出等式约束；
步骤二：分析输入有功功率，得出输入有功功率与输出功率相同，即能量守恒的结论；
步骤三：基于步骤一与步骤二，在输入有功功率的等式约束条件以及有功功率能量守恒的前提下，得出m和
步骤四：分析输出无功功率，得出无功功率的输出范围和等效直流负载的大小zl的关系；
步骤五：基于步骤四，考虑等效直流负载较大情况下，系统取得的最大功率因素以及此时增益的变化条件；
步骤六：基于步骤四，考虑等效直流负载较小情况下，系统取得最大功率因素条件以及在极值条件下系统输入等效形式。
单独分析输入有功功率与输入无功功率得出约束条件以及调节范围之后，最终综合得到并网mmc的交流输入功率控制特性。
附图说明
图1为本发明实施例的并网mmc拓扑结构示意图。
图2为本发明实施例的并网mmc等效模型，分为交流侧与直流侧示意图。
图3为本发明实施例的并网mmc在dq旋转坐标系中的等效模型示意图。
图4为本发明实施例的回转器模型及伏安关系示意图。
图5为本发明实施例的电感主导条件下的mmc运行矢量图。
图6为本发明实施例的电容主导下的mmc运行矢量图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
一种并网mmc的交流输入功率控制特性分析方法，按照瞬时无功功率理论，可分别对输入有功功率与输入无功功率进行等式条件约束。
输入有功功率和输出功率是相同的，即所提模型的能量是守恒的。
改变开关函数m和功率因数角
无功功率的调节范围和直流负载的大小有直接的关系，但和其正负没有关系，也就是说无功功率的输出范围和等效直流负载的大小相关，和系统是工作在整流状态还是逆变状态没有关系。直流负载越大，无功的调节范围越大，在空载时，即负载zl→∞时，获得最大的调节范围。
负载zl越大，输入单位功率因素越容易实现，当负载小时，可能无法实现单位功率因素。
当负载zl较大，从而实现输入单位功率因素时，增益随开关函数m单调递减，当开关函数m取得最大值1时，增益gv<1。这意味着，并网mmc输出直流电压可以略小于输入交流电压峰值。
当负载zl较小，从而实现输入单位功率因素时，但可以获得最大功率因素，此时无功输入功率与有功输入功率之比q/p最小。
当zl→∞时，如果不考虑电路损耗，则有功功率为0，且功率因数角
一种并网mmc的交流输入功率控制特性分析方法，其过程具体为：
步骤一：根据瞬时无功理论，将输入功率分为输入有功功率与输入无功功率分别进行分析，得出等式约束；
步骤二：分析输入有功功率，得出输入有功功率与输出功率相同，即能量守恒的结论；
步骤三：基于步骤一与步骤二，在输入有功功率的等式约束条件以及有功功率能量守恒的前提下，得出开关函数m和功率因数角
步骤四：分析输出无功功率，得出无功功率的输出范围和等效直流负载的大小zl的关系；
步骤五：基于步骤四，考虑等效直流负载较大情况下，系统取得的最大功率因素以及此时增益的变化条件；
步骤六：基于步骤四，考虑等效直流负载较小情况下，系统取得最大功率因素条件以及在极值条件下系统输入等效形式。
输入功率可以分为输入有功功率与输入无功功率并单独进行分析，在各自得出约束条件以及调节范围之后，最终综合得到并网mmc的交流输入功率控制特性。
实施例1
根据瞬时无功功率理论，输入有功功率和无功功率可以写成
又有p＝idc2zl(2)
上式证明的输入有功功率和输出功率是相同的，即所提模型的能量是守恒的。于是当
式中，
从式(3)可以看出，改变m和
显然xa1越小，输入有功调节范围越大。
输入无功调节范围为
从式(7)可以看出，无功功率的调节范围和直流负载的大小有直接的关系，但和其正负没有关系，也就是说无功功率的输出范围和等效直流负载的大小相关，和系统是工作在整流状态还是逆变状态没有关系。直流负载越大，无功的调节范围越大，在空载时，即zl→∞时，获得最大的调节范围。当直流负载一定时，改变ya1和ya2可以改变无功的调节范围。
如果系统输入功率因素为1，则系统输入无功为0，即
整理得
要使系统输入取得单位功率因素，则上式则必须成立，即
整理得
为使输出电压能在全局范围内稳定，期望增益应该随m单调变化，这样应该满足
或
满足式(12)时，系统处于电容主导模式，满足式(13)时，系统处于电感主导模式。在这两种模式下，输出直流电压是关于m的单调增函数，系统能够在m最大变化范围内维持稳定。
当参数选取满足式(12)或式(13)时，有ya1ya2＞0满足，于是
可见，负载zl越大，输入单位功率因素越容易实现，当负载小时，可能无法实现单位功率因素。当直流负载很大，满足
即
当输入取得单位功率因素，此时
则，输出电压增益
当
显然，增益随m单调递减，当m取得最大值1时，由于ya1<ya2，因此gv<1。这意味着，并网mmc输出直流电压可以略小于输入交流电压峰值。
当式(11)不满足时，显然，系统将无法获得单位功率因素，但可以获得最大功率因素，此时q/p最小。从式(3)和式(4)可得
为求上式的最小值，对上式求导并置为零得
解得
即满足上式时，功率因素取得最大值。
当zl→∞时，如果不考虑电路损耗，则有功功率为0，且
q＝ysvs2(23)
式中
当输出直流电压和输入交流电压不变时，改变m就可以改变输出无功功率。ys为系统等效导纳，显然当ys>0时，系统输入等效为纯电感；当ys<0时，系统输入等效为纯电容。
并网mmc的交流输入功率控制特性分析方法是一种依据瞬时无功功率理论，将输入功率分为输入有功功率与输入无功功率，并对其分别进行限制条件约束以及调节范围因素的讨论，最终得出并网mmc交流输入功率控制特性的方法。将有功功率与无功功率分开考虑，减少了计算与分析难度，同时也为并网mmc控制策略的研究打下了基础。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。