模块化多电平直流变压器低频环流振荡的控制方法、装置

本发明涉及高压大功率电力电子，尤其涉及一种模块化多电平直流变压器低频环流振荡的控制方法、装置。

背景技术：

1、模块化多电平直流变压器(mmdct)结构中，将中高频变压器的一侧接入模块化多电平换流器(mmc)桥臂，另一侧可以采用h桥型拓扑，通过移相控制初次级间的相位差实现了中高频交流和直流间的能量交互，以及一次侧和二次侧的电气隔离和电压匹配。但模块化多电平结构中固有的rlc串联结构导致了系统阻尼小，在工况突变的情况下一些复杂的内部动态行为产生了低频振荡并破坏了系统的正常运行以及系统稳定性。近年来，有文献推导了mmc的动态模型并对环流进行了研究，验证了mmc中存在的谐振现象。

2、目前，对环流的分析和抑制的研究大多集中在基于mmc的高压直流领域，而对于mmdct低频环流振荡的研究较少。一些文献提出的方法只适用于那些工频正弦波集中调制下的应用场合，而在类方波调制下只能通过控制子模块开关脉冲的占空比来增加系统的阻尼，同时为了提高线路的输送效率、降低线损，往往mmdct原边的寄生电阻值都较小，进一步加重了系统的弱阻尼特性，使得低频振荡的衰减速率减小，引发严重的低频环流振荡。同时，大部分环流控制采用传统的pi控制器进行双闭环控制，但pi调节器存在着固有的滞后特性，会对系统的动态性能造成一定的影响，实际效果并不完全尽如人意，并且整体控制性能受参数的影响很大，需要进行大量试错。

技术实现思路

1、发明目的：本发明提供一种模块化多电平直流变压器低频环流振荡的控制方法、装置，旨在解决现有技术中存在的mmdct因弱阻尼特性而加重低频振荡且难以有效抑制的技术问题；进一步的，解决现有技术中存在的对mmdct进行低频抑制存在滞后性的技术问题。

2、技术方案：本发明提供一种模块化多电平直流变压器低频环流振荡的控制方法，包括：对变压器原边侧第一桥臂的电压进行控制，在第一桥臂中产生共模电压，从而调整第一桥臂和第二桥臂中子模块的开关信号的占空比，使得第一桥臂或第二桥臂中子模块的开关信号提前或延时，提前或延时的时间根据振荡抑制角的大小确定；所述变压器，原边侧包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂均包括多个子模块；基于引入的振荡抑制角，建立变压器的离散状态空间模型，在离散状态空间模型中增加低频扰动，得到小信号扰动量模型；通过小信号扰动量模型，计算得到第一桥臂环流的小信号扰动预测值，构建对应的低频环流抑制的代价函数；求解低频环流抑制的代价函数，得到对应的最优振荡抑制角，基于最优振荡抑制角控制变压器原边侧的第一桥臂或第二桥臂中子模块的开关信号的占空比。

3、具体的，对变压器原边侧第一桥臂的上桥臂电压和下桥臂电压进行控制；第一桥臂和第二桥臂均包括串联的上桥臂和下桥臂，上桥臂和下桥臂包括相同数量的子模块，上桥臂和下桥臂之间的连接线路上引出接口，用于与变压器原边连接。

4、具体的，在子模块的半个开关周期内，若振荡抑制角大于0，开关信号提前导通或延时关断；若振荡抑制角小于0，开关信号提前关断或延时导通。

5、具体的，所述离散状态空间模型如下：

6、

7、其中，x表示x＝[<uca’(t)>ts，<icira(t)>ts]t，<uca’(t)>ts表示一个开关周期内第一桥臂电容电压之和的平均值，<icira(t)>ts表示一个开关周期内第一桥臂环流的平均值，ts表示开关周期，t表示时间，n表示上桥臂或下桥臂的子模块数量，δd表示振荡抑制角，l表示上桥臂或下桥臂中耦合电感的自感和漏感之和，c表示单个子模块的电容，rs表示上桥臂或下桥臂中寄生电阻，p表示原边侧的输出功率，udc表示直流母线电压。

8、具体的，所述在离散状态空间模型中增加低频扰动，得到小信号扰动量模型，包括：

9、在离散状态空间模型中增加低频扰动，忽略离散状态空间模型中的直流分量和高频交流分量，得到小信号扰动量模型：

10、

11、其中，uca’表示第一桥臂电压电容之和的静态工作点，ucad’表示第一桥臂电容电压之和的小信号扰动，δdw表示振荡抑制角的静态工作点，δdd表示振荡抑制角的小信号扰动，icira表示第一桥臂环流的静态工作点，icirad表示第一桥臂环流的小信号扰动；

12、具体的，对小信号扰动量模型，进行修改得到：

13、

14、其中，ucad’(k+2)和ucad’(k+1)分别表示k+2时刻和k+1时刻第一桥臂电容电压之和的小信号扰动，icirad(k+2)和icirad(k+1)分别表示k+2时刻和k+1时刻第一桥臂环流的小信号扰动，δdd(k)表示k时刻振荡抑制角的小信号扰动。

15、具体的，所述低频环流抑制的代价函数j1如下：

16、j1＝λ1|iδ-idcira(k+2)|+λ2|idcira(k+2)-idcira(k)|，

17、其中，λ1和λ2均是权重因子，i△表示桥臂环流参考值的修正量，i△＝nts(ucref-ucav)/2l，ucref表示子模块电容的参考电压，ucav表示单个桥臂中子模块电容电压平均值，icirad(k)表示k时刻第一桥臂环流的小信号扰动。

18、具体的，所述基于最优振荡抑制角控制变压器原边侧的第一桥臂或第二桥臂中子模块的开关信号的占空比，之后包括：构建变压器副边侧的平均输出电压模型，通过平均输出电压模型计算变压器副边侧的输出电压的预测值，并构建对应的变压器原副边移相控制的代价函数；求解变压器原副边移相控制的代价函数，得到变压器原副边最优移相比。

19、具体的，所述变压器副边侧的平均输出电压模型如下：

20、

21、其中，<uo>表示一个开关周期内副边侧输出电压的平均值，lk表示副边侧交流链输出等效电感，ro表示副边侧输出等效电阻，co表示副边侧并联电容，d表示原副边移相比，n表示变压器变比；

22、所述通过平均输出电压模型计算变压器副边侧的输出电压的预测值，包括：

23、

24、其中，<uo(k+2)>和<uo(k)>分别表示k+2时刻和k时刻的一个开关周期内副边侧输出电压的平均值，<io(k)>表示k时刻的一个开关周期内副边侧输出电流的平均值，fs表示副边侧开关频率；

25、所述变压器原副边移相控制的代价函数gout如下：

26、gout＝|uoref-＜uo(k+2)＞|，

27、ucref表示副边侧输出电压的参考值。

28、本发明还提供一种模块化多电平直流变压器低频环流振荡的控制装置，包括：占空比控制单元、扰动建立单元、低频抑制单元和执行单元，其中：所述占空比控制单元，用于对变压器原边侧第一桥臂的电压进行控制，在第一桥臂中产生共模电压，从而调整第一桥臂和第二桥臂中子模块的开关信号的占空比，使得第一桥臂或第二桥臂中子模块的开关信号提前或延时，提前或延时的时间根据振荡抑制角的大小确定；所述变压器，原边侧包括并联的第一桥臂和第二桥臂，第一桥臂和第二桥臂均包括多个子模块；所述扰动建立单元，用于基于引入的振荡抑制角，建立变压器的离散状态空间模型，在离散状态空间模型中增加低频扰动，得到小信号扰动量模型；所述低频抑制单元，用于通过小信号扰动量模型，计算得到第一桥臂环流的小信号扰动预测值，构建对应的低频环流抑制的代价函数；所述执行单元，用于求解低频环流抑制的代价函数，得到对应的最优振荡抑制角，基于最优振荡抑制角控制变压器原边侧的第一桥臂或第二桥臂中子模块的开关信号的占空比。

29、有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：通过在变压器原边侧引入振荡抑制角进行移相控制，在桥臂电感中产生定量可控幅值的脉冲共模电压，增强系统的阻尼特性，进而有效抑制低频环流振荡；进一步的，采用预测控制方式，基于当前时刻的系统运行状态选择下一开关时刻的振荡抑制角，有效抑制暂态过程中的低频环流振荡以及子模块电容电压波动，达到较好的动态调节效果，有效保证了系统的稳定性以及安全高效运行。