构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制方法及装置与流程

1.本发明涉及电网技术领域，尤其是涉及一种构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制方法及装置。


背景技术：

2.与基于并网点电压相位检测的跟网型控制不同，构网型控制的频率与相位由变换器主动建立，对电网体现为受控电压源。变换器的构网型控制最早起源于无同步电源或弱同步电源的微电网中，用于解决微电网中逆变器的离网运行问题。随着可再生能源占比的快速提高，低惯性弱电网问题凸显，对构网型控制的研究逐渐拓展到风电变流器、光伏逆变器及储能逆变器等并网变换器中，并有了一些初步的示范应用。
3.对于构网型控制下的并网变换器，电流限幅是其一大技术难点。目前已有的限流方案包括虚拟阻抗法以及电流内环法。前者通过在控制回路中增加一个可调的虚拟阻抗来限制输出电流，其电流限幅效果受电网故障位置影响，限流精度较差。后者通过建立有功同步外环-交流电压中环-交流电流内环的三环结构来实现电流限幅，但这种控制结构通常基于两电平拓扑的换流器设计，采用其交流侧滤波电容作为交流电压参考点，并实现有功-无功控制的解耦。但模块化多电平拓扑的换流器交流侧没有滤波电容，难以提供该电压参考点，导致控制性能变差，并且使有功与无功控制回路出现耦合。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制方法及装置，以在交流侧没有滤波电容的情况下，能够减少有功和无功控制回路间的耦合，改善多电平换流器的控制性能。
5.为达上述目的，本发明提供一种构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制方法，包括以下步骤：
6.获取公共连接点的三相交流电压、三相交流电流、输出有功功率和无功功率；
7.根据获取的输出有功功率和无功功率计算出所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值与输出相角参考值；
8.根据三相交流电压和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电压分量和q轴电压分量，根据三相交流电流和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电流分量和q轴电流分量；
9.根据所述d轴电压分量与所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的差值以及所述q轴电压分量，通过积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值；
10.将所述d轴电流的第一参考值和所述q轴电流的第一参考值经过解耦环节分别获得d轴第二参考电流和q轴第二参考电流；
11.根据所述d轴电流分量和d轴第二参考电流获得d轴控制信号，根据所述q轴电流分量和q轴第二参考电流获得q轴控制信号；
12.根据所述d轴控制信号和q轴控制信号获得最终控制信号以控制构网型模块化多电平换流器的投入或切除。
13.可选地，所述根据获取的输出有功功率和无功功率计算出所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值与输出相角参考值的步骤中，获取所述公共连接点的输出无功功率与设定的无功功率参考值的差值，与预设的下垂系数相乘后，再与额定电压相加，从而获得所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值。
14.可选地，所述根据获取的输出有功功率和无功功率计算出所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值与输出相角参考值的步骤中，获取所述公共连接点的输出有功功率与设定的有功功率参考值差值，与预设的下垂系数相乘后，再与额定频率相加以获取所述构网型模块化多电平换流器输出频率的参考值，最后将所述输出频率的参考值进行积分后获得所述输出相角参考值。
15.可选地，所述根据三相交流电压和相位参考值获取公共连接点的d轴电压分量和q轴电压分量的步骤进一步包括：在输出相角参考值下将三相交流电压进行park变化，以得到d轴电压分量和q轴电压分量。
16.可选地，所述根据三相交流电流和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电流分量和q轴电流分量包括：在输出相角参考值下将三相交流电流进行park变化，以得到d轴电流分量和q轴电流分量。
17.可选地，所述根据d轴电压分量与所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的差值以及q轴电压分量，通过积分变换获得d轴电流和q轴电流的第一参考值的步骤中，根据所述d轴电压分量与所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的差值以及q轴电压分量，通过一个积分控制器和一个比例-积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值。
18.可选地，所述将d轴电流的第一参考值和q轴电流的第一参考值经过解耦环节分别获得d轴第二参考电流和q轴第二参考电流的步骤，进一步包括：
19.将d轴电流的第一参考值与q轴电流的第一参考值组成一个列向量i
rec1
，并用解耦矩阵对其解耦，获取解耦后的列向量i
rec2
；
20.根据解耦后的列向量i
rec2
得到d轴第二参考电流和q轴第二参考电流。
21.可选地，所述解耦矩阵的形式为：
[0022][0023]
式中，s为拉普拉斯算子，ω
mmc
为所述构网型模块化多电平换流器输出频率的参考值，
[0024]
可选地，所述根据所述d轴电流分量和d轴第二参考电流获得d轴控制信号，根据q轴电流分量和q轴第二参考电流获得q轴控制信号的步骤，进一步包括：
[0025]
将所述d轴电流分量和d轴第二参考电流通过比例-积分控制器，以获得所述d轴控制信号；
[0026]
将所述q轴电流分量和q轴第二参考电流通过比例-积分控制器，以获得所述q轴控
制信号。
[0027]
为达到上述目的，本发明还提供一种构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制装置，包括：
[0028]
参数获取单元，用于获取公共连接点的三相交流电压、三相交流电流、输出有功功率和无功功率；
[0029]
输出交流电压与相角参考值计算单元，用于根据获取的输出有功功率和无功功率计算出所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值与输出相角参考值；
[0030]
d轴和q轴电压电流分量获取单元，用于根据三相交流电压和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电压分量和q轴电压分量，根据三相交流电流和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电流分量和q轴电流分量；
[0031]
积分单元，用于根据所述d轴电压分量与所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的差值以及所述q轴电压分量，通过积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值。
[0032]
解耦单元，用于将所述d轴电流的第一参考值和所述q轴电流的第一参考值经过解耦环节分别获得d轴第二参考电流和q轴第二参考电流；
[0033]
dq轴控制信号获取单元，用于根所述d轴电流分量和d轴第二参考电流获得d轴控制信号，根据q轴电流分量和q轴第二参考电流获得q轴控制信号。
[0034]
控制单元，用于根据所述d轴控制信号和q轴控制信号获得最终控制信号以控制构网型模块化多电平换流器的投入或切除。
[0035]
与现有技术相比，本发明一种构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制方法及装置，通过加入一个积分环节和一个解耦环节，可以使得构网型控制下的模块化多电平换流器在交流侧没有滤波电容的情况下，能够减少有功和无功控制回路间的耦合，改善换流器的控制性能。
[0036]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0037]
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。
[0038]
图1是本发明实施例所应用的柔性直流并网系统的系统架构图；
[0039]
图2是本发明一示例性实施例提供的构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制方法的流程示意图；
[0040]
图3是本实施例中构网型模块化多电平换流器输出的无功功率变化图；
[0041]
图4是本实施例中构网型模块化多电平换流器输出的有功功率变化图；
[0042]
图5是本发明一示例性实施例提供的构网型模块化多电平换流器电流内环解耦控制装置的结构框图。
具体实施方式
[0043]
结合本发明的说明书附图及附图说明，下面对本发明技术方案的实施方法进行清楚、完整地描述。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。
[0044]
在下文中，术语“第一”“第二”等用于在类似要素之间进行区分，且未必是用于描述特定次序或时间顺序。要理解，在适当情况下，如此使用的这些术语可替换。类似的，如果本文所述的方法包括一系列步骤，且本文所呈现的这些步骤的顺序并非必须是可执行这些步骤的唯一顺序，且一些所述的步骤可被省略和/或一些本文未描述的其他步骤可被添加到该方法。
[0045]
图1为本发明实施例所应用的柔性直流并网系统的系统架构图。该柔性直流并网系统，包括：构网型模块化多电平换流器110、变压器120、交流系统140，其中，构网型模块化多电平换流器110将直流逆变为交流，经过连接变压器120到达交流系统140，从构网型模块化多电平换流器110和连接变压器120之后的公共连接点130的电压计算得到控制信号。
[0046]
示例性方法
[0047]
图2是本发明一示例性实施例提供的一种构网型模块化多电平换流器的电流内环解耦控制方法的流程示意图。如图2所示，本发明一种构网型模块化多电平换流器的电流内环解耦控制方法，包括以下步骤：
[0048]
步骤s1，获取公共连接点的三相交流电压、三相交流电流、输出有功功率和无功功率。
[0049]
步骤s2，根据获取的输出有功功率和无功功率计算出所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值与输出相角参考值。
[0050]
在本实施例中，计算所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的方法包括：将步骤s1获取的公共连接点的输出无功功率与设定的无功功率参考值作差，乘以设定好的下垂系数后，再与额定电压相加，获取换流器输出电压的参考值。具体的计算公式如下：
[0051]eref
＝ke(q
ref-q)+e
nom
；
[0052]
其中，ke为交流电压控制的下垂系数，e
ref
为换流器输出电压的参考值，e
nom
为输出交流电压的额定值，q为换流器输出的实际无功功率，q
ref
为换流器输出无功功率的参考值。
[0053]
计算所述构网型模块化多电平换流器的输出相角参考值的方法包括：
[0054]
将步骤s1获取的公共连接点的输出有功功率与设定的有功功率参考值作差，乘以设定好的下垂系数后，再与额定频率相加，获取换流器输出频率的参考值，将输出频率的参考值进行积分后获取输出相角参考值。本实施例的送端换流器的额定频率为50hz。具体的计算公式如下：
[0055][0056]
其中，θ
mmc
为换流器输出相角参考值，s为拉普拉斯算子，ω
mmc
为换流器输出频率的参考值，ω
nom
为额定频率，p
ref
为换流器输出的实际有功功率，p
ref
为换流器输出有功功率的
参考值。
[0057]
步骤s3，根据三相交流电压和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电压分量和q轴电压分量，根据三相交流电流和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电流分量和q轴电流分量。
[0058]
具体地，所述根据三相交流电压和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电压分量和q轴电压分量的步骤进一步包括：
[0059]
在输出相角参考值下将三相交流电压进行park变化，以得到d轴电压分量和q轴电压分量。
[0060]
具体地，所述park变化采用如下公式：
[0061][0062]
其中，ud，uq为d轴和q轴的电压分量，ua，ub和uc为三相交流电压，θ
mmc
为输出相角参考值，三相对称情况下u0一般为零。
[0063]
同理，所述根据三相交流电流和相角参考值获取公共连接点的d轴电流分量和q轴电流分量的方法包括：
[0064]
在输出相角参考值下将三相交流电流进行park变化，以得到d轴电流分量和q轴电流分量。
[0065][0066]
其中，id，iq为d轴和q轴的电流分量，ia，ib和ic为三相交流电压，θ
mmc
是输出相角参考值，三相对称情况下i0一般为零。
[0067]
需说明的是，由于三相交流电压和三相交流电流的获取方法是现有技术，此处不做赘述。获得d轴电压分量和q轴电压分量的方法也为现有技术，此处不做赘述
[0068]
步骤s4，根据d轴电压分量与所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的差值以及q轴电压分量，通过一个积分控制器和一个比例-积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值。
[0069]
在步骤s4中，根据d轴电压分量与输出交流电压参考值的差值以及q轴电压分量与0的差值，通过一个积分控制器和一个比例-积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值，其具体的计算公式如下：
[0070][0071]
其中，e
ref
为换流器输出电压的参考值，ud为d轴电压分量，uq为q轴电压分量，s为拉
普拉斯算子，和为所述积分控制器，k
i1d
和k
i1q
为积分控制器的控制参数，和为所述比例-积分控制器，k
p2d
、k
p2q
、k
i2d
和k
i2q
为比例-积分控制器的控制参数，i
dref1
和i
qref1
分别为d轴第一参考电流与q轴第一参考电流。
[0072]
步骤s5，将d轴电流的第一参考值和q轴电流的第一参考值经过一个解耦环节分别获得d轴第二参考电流和q轴第二参考电流。
[0073]
具体地，步骤s5进一步包括：
[0074]
步骤s500，将d轴电流的第一参考值与q轴电流的第一参考值组成一个列向量i
rec1
，并用一个解耦矩阵d对其解耦，获取解耦后的列向量i
rec2
。
[0075]
具体地，将d轴电流的第一参考值与q轴电流的第一参考值组成一个列向量i
rec1
：
[0076][0077]
其中，i
dref1
为d轴电流的第一参考值，i
qref1
为q轴电流的第一参考值。然后用一个解耦矩阵d左乘以该列向量，获取解耦后的列向量i
rec2
：
[0078]irec2
＝d
×irec1
[0079]
步骤s501，根据解耦后的列向量i
rec2
得到d轴第二参考电流和q轴第二参考电流。
[0080]
以解耦后的列向量i
rec2
的第一项作为d轴电流的第二参考值，以列向量i
rec2
的第二项作为q轴电流的第二参考值。
[0081]
优选地，所述解耦矩阵d的形式为：
[0082][0083]
式中，s为拉普拉斯算子，ω
mmc
为换流器输出频率的参考值。
[0084]
步骤s6，根据d轴电流分量和d轴第二参考电流获得d轴控制信号，根据q轴电流分量和q轴第二参考电流获得q轴控制信号。
[0085]
具体地，步骤s6进一步包括：
[0086]
步骤s600，将d轴电流分量和d轴第二参考电流通过比例-积分控制器，以获得d轴控制信号；
[0087]
步骤s601，将q轴电流分量和q轴第二参考电流通过比例-积分控制器，以获得q轴控制信号。
[0088]
步骤s7，根据d轴控制信号和q轴控制信号获得控制信号以控制构网型模块化多电平换流器的投入或切除。
[0089]
在本实施例中，根据d轴控制信号和q轴控制信号通过反park变化获得控制信号，并通过控制信号控制构网型模块化多电平换流器的投入或切除。
[0090]
具体地，所述反park变化采用如下公式：
[0091][0092]
其中，ud，uq为d轴和q轴控制信号，ua，ub和uc为三相交流电压，θ
mmc
为输出相角参考值。
[0093]
同时，本发明对上述方法进行了验证仿真，本发明通过pscad/emtdc软件，本文通过pscad/emtdc软件，基于图1中的构网型模块化多电平换流器构建了仿真模型，并且得到了仿真图3和图4。仿真系统参数见表1，表1为构网型模块化多电平换流器参数：
[0094]
表1
[0095][0096]
假定构网型模块化多电平换流器输出有功功率初始给定为50mw，无功功率初始给定为0mvar，在t＝0.5s时修改其输出无功功率给定为50mvar，在t＝1.5s时修改其输出有功功率给定为0mvar。整个过程中的无功功率变化如图3，有功功率变化如图4，从图3和图4中可知，采用本发明实施例的解耦控制方法后，修改无功功率给定值时，换流器能快速控制其输出无功功率至给定值，同时有功功率的变化非常小。修改有功功率给定值时，换流器能快速控制其输出有功功率至给定值，同时无功功率的变化非常小。因此，采用本发明实施例的解耦控制方法能够很好地解决构网型模块化多电平换流器有功与无功功率控制耦合的问题。
[0097]
示例性装置
[0098]
图5为本发明一示例性实施例提供的一种构网型模块化多电平换流器的电流内环解耦控制装置的结构示意图。如图5所示，本发明一种构网型模块化多电平换流器的电流内环解耦控制装置，包括：
[0099]
参数获取单元501，用于获取公共连接点的三相交流电压、三相交流电流、输出有功功率和无功功率。
[0100]
输出交流电压与相角参考值计算单元502，用于根据获取的输出有功功率和无功功率计算出所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值与输出相角参考值。
[0101]
在本实施例中，输出交流电压与相角参考值计算单元502将参数获取单元501获取
的公共连接点的输出无功功率与设定的无功功率参考值作差，乘以设定好的下垂系数后，再与额定电压相加，获取换流器输出电压的参考值。具体的计算公式如下：
[0102]eref
＝ke(q
ref-q)+e
nom
；
[0103]
其中，ke为交流电压控制的下垂系数，e
ref
为换流器输出电压的参考值，e
nom
为输出交流电压的额定值，q为换流器输出的实际无功功率，q
ref
为换流器输出无功功率的参考值。
[0104]
输出交流电压与相角参考值计算单元502将参数获取单元501获取的公共连接点的输出有功功率与设定的有功功率参考值作差，乘以设定好的下垂系数后，再与额定频率相加，获取换流器输出频率的参考值，将输出频率的参考值进行积分后获取输出相角参考值。本实施例的送端换流器的额定频率为50hz。具体的计算公式如下：
[0105][0106]
其中，θ
mmc
为换流器输出相角参考值，s为拉普拉斯算子，ω
mmc
为换流器输出频率的参考值，ω
nom
为额定频率，p
ref
为换流器输出的实际有功功率，p
ref
为换流器输出有功功率的参考值。
[0107]
d轴和q轴电压电流分量获取单元503，用于根据三相交流电压和输出相角参考值获取公共连接点的d轴电压分量和q轴电压分量，根据三相交流电流和相角参考值获取公共连接点的d轴电流分量和q轴电流分量。
[0108]
具体地，d轴和q轴电压电流分量获取单元503在输出相角参考值下将三相交流电压进行park变化，以得到d轴电压分量和q轴电压分量。
[0109]
同理，d轴和q轴电压电流分量获取单元503在输出相角参考值下将三相交流电流进行park变化，以得到d轴电流分量和q轴电流分量。
[0110]
积分单元504，用于根据d轴电压分量与所述构网型模块化多电平换流器的输出交流电压参考值的差值以及q轴电压分量，通过一个积分控制器和一个比例-积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值。
[0111]
在本实施例中，积分单元504根据d轴电压分量与输出交流电压参考值的差值以及q轴电压分量与0的差值，通过一个积分控制器和一个比例-积分控制获得d轴电流和q轴电流的第一参考值，其具体的计算公式如下：
[0112][0113]
其中，e
ref
为换流器输出电压的参考值，ud为d轴电压分量，uq为q轴电压分量，s为拉普拉斯算子，和为所述积分控制器，k
i1d
和k
i1q
为积分控制器的控制参数，和为所述比例-积分控制器，k
p2d
、k
p2q
、k
i2d
和k
i2q
为比例-积分控制器的控制参数，i
dref1
和i
qref1
分别为d轴第一参考电流与q轴第一参考电流。
[0114]
解耦单元505，用于将d轴电流的第一参考值和q轴电流的第一参考值经过一个解
耦环节分别获得d轴第二参考电流和q轴第二参考电流。
[0115]
具体地，解耦单元505进一步包括：
[0116]
将d轴电流的第一参考值与q轴电流的第一参考值组成一个列向量i
rec1
，并用一个解耦矩阵d对其解耦，获取解耦后的列向量i
rec2
。
[0117]
具体地，将d轴电流的第一参考值与q轴电流的第一参考值组成一个列向量i
rec1
：
[0118][0119]
其中，i
dref1
为d轴电流的第一参考值，i
qref1
为q轴电流的第一参考值。然后用一个解耦矩阵d左乘以该列向量，获取解耦后的列向量i
rec2
：
[0120]irec2
＝d
×irec1
[0121]
根据解耦后的列向量得到d轴第二参考电流和q轴第二参考电流。
[0122]
以解耦后的列向量i
rec2
的第一项作为d轴电流的第二参考值，以列向量i
rec2
的第二项作为q轴电流的第二参考值。
[0123]
优选地，所述解耦矩阵d的形式为：
[0124][0125]
式中，s为拉普拉斯算子，ω
mmc
为换流器输出频率的参考值。
[0126]
dq轴控制信号获取单元506，用于根据d轴电流分量和d轴第二参考电流获得d轴控制信号，根据q轴电流分量和q轴第二参考电流获得q轴控制信号。
[0127]
具体地，dq轴控制信号通过将d轴电流分量和d轴第二参考电流通过比例-积分控制器，以获得d轴控制信号，以及通过将q轴电流分量和q轴第二参考电流通过比例-积分控制器，以获得q轴控制信号。
[0128]
控制单元507，用于根据d轴控制信号和q轴控制信号获得控制信号以控制构网型模块化多电平换流器的投入或切除。
[0129]
在本实施例中，控制单元507根据d轴控制信号和q轴控制信号通过反park变化获得控制信号，并通过控制信号控制构网型模块化多电平换流器的投入或切除。
[0130]
以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本公开为必须采用上述具体的细节来实现。
[0131]
本说明书中各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0132]
本公开中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到
的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。
[0133]
可能以许多方式来实现本公开的方法和装置。例如，可通过软件、硬件、固件或者软件、硬件、固件的任何组合来实现本公开的方法和装置。用于所述方法的步骤的上述顺序仅是为了进行说明，本公开的方法的步骤不限于以上具体描述的顺序，除非以其它方式特别说明。此外，在一些实施例中，还可将本公开实施为记录在记录介质中的程序，这些程序包括用于实现根据本公开的方法的机器可读指令。因而，本公开还覆盖存储用于执行根据本公开的方法的程序的记录介质。
[0134]
还需要指出的是，在本公开的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本公开。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本公开的范围。因此，本公开不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。
[0135]
为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本公开的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。