一种用于中压电机驱动的MMC输出电流谐波抑制方法

本发明涉及谐波抑制，特别是涉及一种用于中压电机驱动的mmc输出电流谐波抑制方法。

背景技术：

1、模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)凭借其模块化程度高、开关损耗低、故障阻断能力强及易余冗余拓展等优点，成为中压驱动应用中具有竞争力的拓扑结构。基于mmc电机驱动的主要技术挑战是低频时输出电流畸变及子模块电容电压波动问题使得mmc内部功率不平衡，输出电流谐波含量高，影响驱动系统的稳定运行。

2、目前，国内外学者针对mmc低频纹波抑制方面进行了一定的研究：传统的基于共模电压和环流注入的控制方法可以有效补偿低频能量波动，抑制电压纹波；有关学者提出一种改进的环流注入方法，将电压纹波限制在一定的范围内；有关学者提出注入最佳选择的谐波以减少电压纹波等等。这些方法有效抑制了低频波动，着眼于减少注入成分以降低注入带来的风险，但未重点考虑注入分量引起的输出谐波特性，三相输出电流明显受到低频区注入环流和共模电压的影响，输出谐波电流会导致电机在速度和转矩脉动方面的控制性能不佳，同时损耗电流谐波失真(thd)也会增加。考虑到电机实际应用中的驱动策略，输出电流失真不容忽视。

3、因此需要采用一种有利的控制方案来有效抑制谐波，而不产生额外的成本和其它不利的影响。

4、公开号为cn111835256a的发明创造公开了一种基于mmc的永磁同步电机变频调速控制方法，其控制方法对mmc采用正弦波高频共模电压与环流注入法：对于mmc子模块电容电压低频波动的抑制，采用正弦波高频共模电压与环流注入法，即在三相桥臂上注入正弦波高频共模电压，并根据不同的相桥臂分别注入一定量的高频环流，三相的控制方法相同；此控制方法有效抑制了低频波动，着眼于减少注入成分以降低注入带来的风险，但未考虑注入分量引起的输出谐波特性，三相输出电流明显受到低频区注入环流和共模电压的影响，输出谐波电流会导致电机在速度和转矩脉动方面的控制性能不佳，同时损耗电流thd也会增加。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种用于中压电机驱动的mmc输出电流谐波抑制方法。

2、本发明采用以下具体的技术方案：

3、一种用于中压电机驱动的mmc输出电流谐波抑制方法，其方法包括以下步骤：

4、采集mmc三相输出电流，通过abc-dq变换，将三相输出电流变换到基频ω下的dq旋转坐标系中，占主导地位的基波分量变为直流项，而应抑制的谐波仍为交流项；

5、s2：采用低通滤波器保留直流项的基波分量，消除交流项的谐波；

6、s3：通过dq-abc逆变换，恢复没有谐波的基波电流i1a，i1b，i1c，从原三相输出电流中减去基波电流，精确得到输出谐波电流iha，ihb，ihc；

7、s4：设定三相谐波的基准为0，采用比例控制器kp跟踪谐波电流；

8、s5：将kp输出电压ukpa，ukpb，ukpc与前馈回路中的补偿电压ufc相加，获得控制电压uhk(k＝a,b,c)，其补偿电压ufc的表达式为：

9、

10、其中ωh为注入分量，t为时间，为相位角，uωi为围绕ωh的总主谐波电压幅值、u2ω围绕2ωh的总主谐波电压幅值；

11、s6：将获得的控制电压uhk(k＝a,b,c)叠加到系统的mmc控制电压上，得到mmc每个子模块的最终控制电压参考值，其mmc每个子模块的最终控制电压参考值的表达式为：

12、

13、

14、其中k∈(a,b,c)，uconi是mmc的平均、平衡、循环电流控制电压的总和，usk、ucom、udc分别为电机的输出控制电压、注入的共模电压、直流电压，n为每个桥臂包含相同子模块的个数。

15、进一步地，所述步骤s2中的低通滤波器在滤除二倍谐波时进行使用，其低通滤波器的传递函数为：

16、

17、其中ωc为截止角频率，ξ为阻尼比，s为传递函数中的复变量。

18、进一步地，所述步骤s3中输出谐波电流iha，ihb，ihc的表达式分别为：

19、iha＝isa-i1a，

20、ihb＝isb-i1b，

21、ihc＝isc-i1c。

22、进一步地，所述步骤s5中控制电压uhk(k＝a,b,c)的表达式为：

23、uha＝ukpa+ufc，

24、uhb＝ukpb+ufc，

25、uhc＝ukpc+ufc。

26、进一步地，所述步骤s5中补偿电压ufc的表达式中的uωi和u2ω的计算公式为：

27、

28、其中m为调制指数，is为输出电流，c为子模块sm的电容。

29、进一步地，所述步骤s5前馈回路中前馈控制可用于注入相反的输出电压以抑制谐波，结合主谐波电压的表达式可用于推导出补偿电压ufc，其主谐波电压的表达式为：

30、

31、

32、

33、

34、其中uh2i、uh2ii分别为在ωh和2ωh附近的谐波分量幅值，uh3i为在ωh附近的谐波分量幅值、uh4i为在2ωh附近的谐波分量幅值。

35、输出电流畸变的本质原因是由电容电压纹波和注入分量引起的输出谐波电压，主要的谐波电流是在ωh(ωh-2ω,ωh+2ω)和2ωh(2ωh+ω,2ωh-ω)附近，其中ωh为注入分量，ω为基波分量。

36、进一步地，所述主谐波电压的表达式中的uh2i、uh2ii、uh3i、uh4i来自将电机的输出控制电压usk(k＝a,b,c)分为若干项时，其中包含的不同谐波的电压uh2、uh3、uh4，将电机的输出控制电压usk(k＝a,b,c)分为若干项，其中包含不同的谐波：

37、

38、其中uuk和ulk分别表示上桥臂电压和下桥臂电压，ufun为是驱动电机并产生基波电流的基波输出电压，uh1是注入共模电压ucom，用于抑制低频纹波，其ufun、uh1、uh2、uh3、uh4的公式表达式为：

39、

40、其中：上桥臂电压uuk和下桥臂电压ulk定义为：

41、

42、

43、mk为k相的调制指数，其中k∈(a,b,c)，u％cuk和u％clk为上下桥臂的电容电压纹波，udc为直流电压，ucn＝udc/n为直流电容标称电压；

44、其中uh2是由上下桥臂电压纹波的差异引起的，uh2的公式表达式为：

45、

46、由上式知，uh2中的谐波分量在ωh和2ωh附近，带来输出谐波电流的主导项的详细频率为ωh+2ω、ωh-2ω、2ωh+ω和2ωh-ω；

47、上式中uh2i、uh2ii的表达式为：

48、

49、进一步地，所述uh3是由是上下臂电压纹波之和引起的，其uh3的公式表达式为：

50、

51、由上式知，uh3中的主要谐波在ωh附近，详细频率为ωh-2ω和ωh+2ω；

52、上式中uh3i的表达式为：

53、

54、进一步地，所述uh4是上下臂电压纹波之和造成的，其uh4的公式表达式为：

55、

56、由上式知，uh4中的主要谐波约为2ωh，频率为2ωh+ω，2ωh-ω；

57、上式中uh4i的表达式为：

58、

59、进一步地，所述方法采用仿真实验进行验证。

60、本发明的有益效果为：

61、针对mmc中压电机驱动系统低频运行期间输出电流畸变问题，本发明设计了一种用于中压电机驱动的mmc输出电流谐波抑制方法，主要通过前馈和反馈控制回路对谐波电压进行补偿，以抑制输出谐波电流，本发明使用带有比例控制器的反馈控制回路来抑制谐波，并将比例控制器的输出电压与前馈回路中的补偿电压相加，以提高动态控制性能；综上所述，采用本发明提出的抑制方法的子模块电容电压波动更小，除此之外，使用本发明方法，转矩脉动更小，转速响应更快，有效降低了损耗电流谐波失真(thd)，进一步提升了系统鲁棒性和抗干扰能力。