MMC基本控制框图如图3所示, 基本控制包括电压外环控制和电流内环控制, 控制策略具体如下:桥臂间电容电压控制部分输出量与变换器的输出电流i_L相加, 再将结果的1/2作为电流指令信号。随后与电容总电压平衡控制的输出信号相加, 最终分别得到上、下桥臂对应电流参考信号i_1ref、i_2ref, 作为电流内环控制器的输入。参考信号分别与上、下桥臂电流i₁、i₂做差比较之后, 经过比例控制器P, 得到电流内环控制器的输出信号d_1ref、d_2ref, 再与对应桥臂的PWM静态占空比D₁、D₂相加之后得到对应桥臂的公共占空比信号d₁、d₂。在实际中, 由于所用开关器件制造工艺等原因, 子模块参数不可能完全相同。只通过上述控制无法实现电容电压的平衡, 因此需要加入子模块电容电压均衡控制。经过子模块电容电压均衡控制后输出控制信号d_1j、d_2j (j=1, …, N), 经过载波移相PWM调制, 控制开关器件的通断, 从而实现对电力电子变压器的控制^{[7, 8]}。

图3

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	图3 MMC基本控制框图

MMC电压外环控制采用多重控制方法。

(1) 电容总电压平衡控制。电容总电压平衡控制通过控制输入到变换器的总有功功率, 以实现变换器桥臂中所有子模块的电容总电压平衡控制。

电容总电压平衡控制框图如图4所示。控制策略具体如下:采集MMC内两组桥臂H桥子模块内直流侧储能电容的电压u_xy (x=1, 2; y=1, …, N; N=2n), 分别计算其平均值u_xav (x=1, 2)。其中, 平均值u_xav (x=1, 2)为

u1av=1N∑y=1, 2…Nu1y, u2av=1N∑y=1, 2…Nu2y(1)

图4

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	图4 电容总电压平衡控制框图

式中: u_1av、u_2av— — 电容总电压平衡控制和桥臂间电容电压控制的输入参数。

对u_1av, u_2av取平均值得到电容总电压平均值u_av。将电容电压参考值u_dref与电容总电压平均值u_av相减, 所得结果经过低通滤波器滤除电压中的谐波成分; 然后经过PI调节器得到所需有功功率指令值P_ref, 将其通过变换得到电流指令信号I_ref, 并与输入电压u_i锁相或单位化的信号cosω t相乘, 得到电容总电压平衡控制的输出信号i_ref。其中, 电流指令信号I_ref为

Iref=2Uim(2)

式中: U_im— — 输入电压最大值。

(2) 桥臂间电容电压均衡控制与低频纹波抑制。桥臂间电容电压控制通过调整桥臂之间的有功功率分配, 以实现每一组上、下桥臂中子模块的电容电压均衡控制。桥臂间电容电压控制框图如图5所示。

图5

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	图5 桥臂间电容电压控制框图

其控制策略具体如下:对平均值u_1av、u_2av做差后取平均值, 再将结果经过低通滤波器滤波, 低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压, 输出经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器, 得到有上、下桥臂有功功率指令值Δ P_ref。

当装置工作在输出低频工况下, 电容电压纹波中以二倍频分量为主, 输出频率越低, 则电容电压波动越剧烈, 使得装置难以正常运行, 因此需要对装置进行低频控制; 在桥臂间电容电压均衡控制中, 低通滤波器保留输出的二倍频纹波电压, 并与直流分量共同参与反馈控制; 然后经过PR控制器与PI控制器形成的复合控制器, 在实现桥臂间电容电压均衡控制的同时, 实现低频纹波抑制^[9]。其中, PR控制器的传递函数为

Kp1+Krss2+(2ω2)2(3)

式中:K_p1、K_r— — PR控制器的比例、谐振系数;

ω ₂— — 输出电压角频率。

有功功率指令值Δ P_ref经过变换后得到电流指令信号Δ I_ref。电流指令信号Δ I_ref与单位幅值方波相乘后得到桥臂间电容电压控制的输出信号Δ i_ref。其中, 电流指令信号Δ I_ref为

ΔIref=-1Uinvo(4)

式中: U_invo— — 变换器输出电压的幅值。

(3) 子模块电容电压均衡控制。子模块电容电压均衡控制通过调整每个桥臂内子模块的输出电压, 以实现每个桥臂内子模块的电容电压均衡控制。

对于子模块电容电压均衡控制, 由于两组桥臂的拓扑结构完全相同, 以第一组桥臂为例进行说明, 其内部子模块电容电压控制框图如图6所示。

图6

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	图6 第一组桥臂内子模块电容电压控制框图

其控制策略具体如下:第一组桥臂中所有子模块中直流电容电压平均值u_1av与第j个子模块中直流电容的电压u_1j相减, 经过低通滤波器之后, 再经过PI调节器得到有功功率微调量Δ P_1jref。有功功率微调量Δ P_1jref经过变换, 与单位化后的桥臂电流相乘, 得到电压修正量, 电压修正量经过变换最终得到占空比信号修正量Δ d_1j。占空比信号修正量Δ d_1j与公共占空比信号d₁相加后得到各子模块最终的控制信号d_1j。

当电网电压发生故障时, 可以利用本文提出的混合型电力电子变压器中的电压补偿控制进行电压补偿, 以提高电网电能质量。

电压补偿控制主要包括电压检测及补偿电压计算和电压/电流双环控制。当发生电压跌落故障时, 将三相电压由三相静止坐标系转换到两相旋转坐标系后分离出直流分量。由于常规的低通滤波器或在一个移动窗内求平均值的方法都难以保证实时性。为消除时延, 可以采用对电压值求导的方法瞬时分离出直流分量。利用已分离出的直流分量计算补偿电压幅值以及相位角, 再与电网正序基波电压有效值及相位角相比较, 得到补偿电压。利用补偿电压作为参考值, 通过电压/电流双环控制得到控制信号。双环控制中电压环采用PR控制器, 在简化控制环结构的同时, 可以实现输出的补偿电压无静差跟踪参考值; 电流环采用P控制器, 着重完成加快动态响应速度的目标。将电压/电流双环控制得到控制信号与前述基础控制信号结合, 通过PWM调制生成功率器件的开关信号, 以实现对电压跌落故障的治理。

基于MMC的混合型电力电子变压器的电压补偿控制中, 电压检测及补偿电压计算原理框图如图7所示。

图7

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	图7 电压检测及补偿电压计算原理框图

将电网电压u_{a, b, c}经过锁相环得到相角ω t用于abc/dq0变换, 电网电压u_{a, b, c}通过abc/dq0变换得到dq0坐标轴下的分量u_d、u_q。随后通过分别对u_d、u_q求导后分离出直流分量U_d、U_q。具体过程为

UdUq=uduq-1k-1ωu'q-u'd(5)

式中: ω — — 电网角频率;

k— — 电网电压谐波次数且k=4, 7, 10…;

u'_d、u'_q— — u_d、u_q的导数。

分离出直流分量后, 通过计算可以得到补偿电压幅值U_sag以及相位角δ , 将其同电网正序

基波电压有效值以及相位角比较后就可以得到需要补偿的电压Δ u。其中, 所述补偿电压幅值及相角的计算过程为

Usag=Ud2+Uq2δ=arctanUqUd(6)

基于MMC的混合型电力电子变压器的电压补偿总体控制框图如图8所示。分别对电容电压u_{oa, b, c}、变换器输出电流i_{La, b, c}、流过电容的电流i_{ca, b, c}经abc/α β 0变换得到其在α β 0坐标轴下的分量u_oα 、u_oβ 、i_Lα 、i_Lβ 、i_cα 、i_cβ 。当检测到电网发生故障时, 将从电压检测及补偿电压部分得到的补偿电压Δ u作为参考电压对变换器输出进行控制。Δ u经abc/α β 0变换后分别作为α 轴以及β 轴的参考电压 uoαref、 uoβref的输入, 随后经过PR控制器得到电流参考信号 ioαref、 ioβref, 分别与u_oα 、u_oβ 比较之后作为电流环的输入。电流控制环的输入信号分别与i_Lα 、i_Lβ 比较之后, 经过P控制器, 得到α β 0坐标系下的参考控制信号。最后经过abc/α β 0反变换得到三相参考控制信号, 通过PWM调制及前述基础控制, 得到开关器件的控制脉冲信号, 实现动态电压补偿的功能^{[10, 11]}。

图8

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	图8 电压补偿控制总体框图

为了验证本文所提出的混合型电力电子变压器及其控制策略的有效性, 利用MATLAB软件建立仿真模型, 其主要参数如表1所示。

表1

表1

表1 仿真模型主要参数 参数名 参数值 容量S/kVA 500 混合变压器一次侧、二次侧绕组变比 10 kV∶ 400 V 桥臂电感Lload/mH 10 桥臂电容Cload/μ F 4 000 子模块电容值C/μ F 470 一相子模块个数2M 8 调制波频率fs/kHz 50 载波频率fc/kHz 2 负载电阻R/Ω 10 负载电容C/μ F 250 仿真时间t/s 0.2

表1 仿真模型主要参数

针对本文提出的MMC基本控制策略中的低频纹波抑制策略以及电压补偿控制策略进行仿真。

直流侧电容电压波形如图9所示。直流侧电容电压快速上升, 并保持稳定在400 V左右, 略有波动。装置整体运行过程中, 直流侧电容电压保持稳定。

图9

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	图9 直流侧电容电压波形

选取直流侧电压到达平稳后的稳定区域(0.08 s之后), 抑制前后直流母线电压仿真波形如图10所示。应用本文所述低频纹波抑制方法后, 直流母线电压低频二次纹波峰峰值从51.43 V下降到6.35 V, 补偿效果明显, 低频二次纹波得到有效抑制, 仿真验证了所述控制方法的有效性。之所以还存在小幅度的低频二次纹波, 是因为需要根据采样值计算得到辅助电容电压参考值, 因不可避免存在延时带来误差, 造成低频二次分量不能完全补偿。

图10

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	图10 抑制前后直流母线电压仿真波形

选取当网侧电压发生骤升和骤降两种情况下, 混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复情况, 其中, 网侧发生电压骤升的情况为网侧发生A相单相接地故障时, A相电压跌落为0, B、C两相电压骤然升高的情况; 网侧发生电压跌落的情况为网侧发生三相故障时, A、B、C三相电压大幅降低的情况。

(1) 网侧电压骤升时电压恢复情况。发生单相接地故障时混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复波形如图11所示。从上到下依次为电网电压、变压器输出补偿电压及负载电压。仿真总时长为0.2 s, 在0.1 s时电网发生单相接地故障, 导致A相电压跌落为零, B、C两相电压升高。此时, 电力电子变压器通过检测模块和控制模块对该相电压进行恢复, 输出补偿电压, 从而使负载电压始终维持在稳定状态, 仍能安全稳定地运行。

图11

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	图11 单相接地故障时混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复波形

(2) 网侧电压跌落时电压恢复情况。发生三相故障时多功能混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复波形如图12所示。从上到下依次为电网电压、变压器输出补偿电压及负载电压。仿真总时长为0.2 s, 在0.1 s时电网发生三相故障, A、B、C三相电压大幅跌落。此时, 电力电子变压器通过检测模块和控制模块对该相电压进行恢复, 输出补偿电压, 从而使负载电压始终维持在稳定状态, 仍能安全稳定地运行。

图12

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	图12 三相故障时多功能混合型电力电子变压器对电网电压的电压恢复波形

从两种情况下的仿真波形可以看出, 系统对电压补偿的动态性能良好, 能够在较短的时间内对负载电压进行补偿, 从而使负载电压保持稳定。仿真结果验证了所提出多功能混合电力电子变压器及其控制策略的有效性。