一種mmc型統一電能質量調節器的協調控制裝置及方法
【專利摘要】本發明屬于電力系統中壓柔性交流輸配電和電力電子控制【技術領域】，具體涉及一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置及方法。本發明由MMC型統一電能質量調節器及其協調控制器組成，利用對并聯側MMC出口側三相電流中維持公共直流電壓穩定的有功電流分量的限制，允許公共直流降壓運行，將串聯耦合變壓器二次側電流和系統電流限定在調節器安全運行范圍內，提高了調節器所能夠補償的電壓暫降幅值。本發明提出的協調控制方法能保證在綜合治理過程中充分發揮UPQC裝置的作用，在較大程度上保證了UPQC串聯側MMC的可靠運行。本發明提出的協調控制方法設計簡單可靠，適用于不同裝置參數的UPQC并適應于負載容量的變化。
【專利說明】—種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力系統中壓柔性交流輸配電和電力電子控制【技術領域】，具體涉及一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著電力電子技術及器件制造行業的發展，高性能的電力電子電路及設備已經越來越多的應用于電力系統、航空航天和機車牽引等領域。高自動化和高智能化技術給人們的生活帶來便利的同時，也給電力系統帶來了非線性、沖擊性、波動性等因素的干擾。優質高效的電能成為供電方和用戶共同追求的目標，因此，電能的質量問題日益受到人們的關注。統一電能質量調節器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC)作為一種能夠同時解決電壓、電流質量問題的復合型裝置，其串聯側及并聯側的換流器即可以解耦后獨立運行，又可以針對配電線路中同時存在電壓、電流問題時實現綜合補償的功能。將模塊化多電平變換器(Modular Multilevel Converter,MMC)技術應用于統一電能質量調節器,既提高了統一電能質量調節器UPQC的容量又提高了統一電能質量調節器UPQC的電壓等級，從而擴展了統一電能質量調節器UPQC在中壓領域的使用，使得統一電能質量調節器UPQC具有更加廣闊的應用前景。
[0003]目前，模塊化多電平換流器結構是柔性直流輸電技術的重要拓撲結構之一，在中高壓領域，由于該結構避免了兩電平換流器結構需要絕緣柵雙極晶體管(Insulated GateBipolar Transistor, IGBT)串聯以提高電壓等級的難點，并且輸出交流電壓電壓變化小，電平階梯多更趨近于正弦波等優勢，其在電力系統其他領域的應用也逐漸成為研究的熱點。
[0004]三相載波移相PWM調制方法是一種較為成熟的調制方法，在模塊化多電平換流器拓撲結構中的應用較多，三相載波移相PWM調制方法的基本調制原理為:N個子模塊采用頻率相同但是相位依次移開1/N三角載波周期的載波，與同一個正弦調制波進行比較，產生出N組PWM調制波信號，分別驅動N個功率單元。將各功率單元的輸出電壓相疊加，就可以得到等效多電平逆變器的PWM輸出電壓波形。三相載波移相PWM調制能夠在較低的器件開關頻率下實現較高等效開關頻率的效果，具有良好的諧波特性，非常適用于大功率場合。
[0005]統一電能質量調節器UPQC的一項突出功能是能夠綜合治理各種電能質量問題，其主要的結構特征是串聯側換流器和并聯側換流器通過公共母線進行功率的傳輸。因此，在基于模塊化多電平換流器的統一電能質量控制器的研制中，串并聯側采取怎樣的協調控制策略以靈活高效的發揮統一電能質量調節器UPQC的綜合治理功能成為整個控制保護系統中非常重要的一個環節。一般統一電能質量調節器UPQC綜合協調控制的主要思路有兩種:一種是并聯側不僅提供電流補償，同時從系統吸收有功功率以支撐公共直流母線電壓的穩定；另一種是并聯側僅提供部分電流補償，串聯側需要的有功功率由換流器子模塊儲能電容提供。前者在實施的時候串聯側會出現嚴重過電流現象，危及絕緣柵雙極晶體管IGBT器件的運行安全；后者則不能高效的發揮統一電能質量調節器UPQC的綜合治理功能。鑒于此，本發明設計了一種針對直流電壓控制的限流環節，并提出了電流限值的計算方法，在確保串聯側的絕緣柵雙極晶體管IGBT運行在正常工作范圍內的前提下，將裝置電容中的儲能充分發揮作用，保證了統一電能質量調節器UPQC串并聯側能夠提供正常高效的協調治理功能。

【發明內容】

[0006]本發明針對目前串聯側會出現嚴重過電流現象，危及絕緣柵雙極晶體管IGBT器件的運行安全以及不能高效的發揮統一電能質量調節器UPQC綜合治理功能的不足，提出了一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置及方法。
[0007]一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置，該協調控制裝置由MMC型統一電能質量調節器與協調控制器相連組成；其中，
[0008]MMC型統一電能質量調節器包括串聯耦合變壓器、串聯側MMC和并聯側MMC ；
[0009]中壓交流配電網系統通過交流母線與串聯耦合變壓器相連；
[0010]中壓交流配電網系統經交流母線后通過信號線與協調控制器相連；
[0011 ] 串聯側MMC與串聯耦合變壓器相連；
[0012]串聯側MMC和并聯側MMC通過公共直流母線相連；
[0013]并聯側MMC與負荷相連；
[0014]協調控制器通過光纖分別與串聯側MMC和并聯側MMC相連；
[0015]負荷通過信號線與協調控制器相連。
[0016]串聯側MMC由三個相同的第一上橋臂、第二上橋臂和第三上橋臂以及三個相同的第一下橋臂、第二下橋臂和第三下橋臂組成；其中，
[0017]第一上橋臂與第一下橋臂相連后接交流電a相；
[0018]第二上橋臂與第二下橋臂相連后接交流電b相；
[0019]第三上橋臂與第三下橋臂相連后接交流電c相；
[0020]并聯側MMC由三個相同的第四上橋臂、第五上橋臂和第六上橋臂，以及三個相同的第四下橋臂、第五下橋臂和第六下橋臂組成；其中，
[0021]第四上橋臂與第四下橋臂相連后接交流電a相；
[0022]第五上橋臂與第五下橋臂相連后接交流電b相；
[0023]第六上橋臂與第六下橋臂相連后接交流電c相；
[0024]第一上橋臂、第二上橋臂、第三上橋臂、第一下橋臂、第二下橋臂、第三下橋臂、第四上橋臂、第五上橋臂、第六上橋臂、第四下橋臂、第五下橋臂、第六下橋臂結構相同，均由子模塊與橋臂電抗串聯而成，上橋臂和下橋臂用來在接入與切除子模塊時擬合出期望的交流輸出電流。
[0025]子模塊由第一 IGBT、第一二極管、第二 IGBT、第二二極管和子模塊電容組成；其中，
[0026]子模塊電容分別與第一 IGBT、第二 IGBT、第一二極管和第二二極管分別相連；
[0027]第一IGBT 和第二 IGBT 串聯；
[0028]第一二極管反相與第二 IGBT并聯；
[0029]第二二極管反相與第二 IGBT并聯。[0030]所述協調控制器由直流電壓偏差量生成模塊、外環PI調節模塊、限流模塊、并聯側MMC參考電壓生成模塊、串聯側MMC參考電壓生成模塊、底層三相PWM調制模塊以及鎖相環模塊組成；其中，
[0031]直流電壓偏差量生成模塊與外環PI調節模塊和MMC型統一電能質量調節器相連；
[0032]限流模塊分別與外環PI調節模塊、并聯側MMC參考電壓生成模塊以及負荷側相連；
[0033]并聯側MMC參考電壓生成模塊分別與鎖相環模塊、串聯側MMC參考電壓生成模塊、底層三相PWM調制模塊、直流電壓偏差量生成模塊、負荷側和MMC型統一電能質量調節器相連；
[0034]底層三相PWM調制模塊分別與MMC型統一電能質量調節器和串聯側MMC參考電壓生成模塊相連；
[0035]串聯側MMC參考電壓生成模塊分別與鎖相環模塊、中壓交流配電網系統側和負荷側相連；
[0036]鎖相環模塊與中壓交流配電網系統側相連。
[0037]—種MMC型統一電能質量調節器的協調控制方法，該方法包括下列步驟:
[0038]步驟1:協調控制器.進行初始化，初始化后限流模塊采集負荷側三相電流ilMda、Iioadb和ilMd。，通過傅里葉變換分解得出負荷側三相電流中基波分量的有效值Ilradl，根據串聯耦合變壓器二次側允許通過的最大電流Is2jiax和串聯耦合變壓器變比ητ，由下式計算得到限流模塊中的有功電流偏差量最大值Ipmax:
[0039]Ipmax = IS2_max/nT-1loadl ；
[0040]則限流模塊中有功電流偏差量的上限為+Ipmax,限流模塊中有功電流偏差量的下限為-1pmax ；
[0041]步驟2:直流電壓偏差量生成模塊根據采集到的公共直流母線電壓Udc’以及直流母線電壓參考值ud。Mf，由下式計算得到直流電壓偏差量AUd。
[0042]Δ Udc = Udc-Udc ref ；
[0043]步驟3:外環PI調節模塊根據直流電壓偏差量生成模塊提供的直流電壓偏差量AUdc,由下式計算得到含有直流電壓信息的實際有功電流偏差量ip:
[0044]ip = kp Δ Udc+ki f A Udcdt ；
[0045]其中，kp為外環PI調節模塊的比例系數，ki為積分系數；
[0046]步驟4:限流模塊接收外環PI調節模塊輸入的實際有功電流偏差量ip，并根據步驟I得到的有功電流偏差量的上限+Ipmax和有功電流偏差量的下限-1pmax，對實際有功電流偏差量ip進行判斷，若+Ipmax ^ Ip^ -1pmax則輸出的有功電流偏差量ip—μ = ip ;否則，輸出的有功電流偏差量ip—= Ipmax ;
[0047]步驟5:并聯側MMC參考電壓生成模塊接收限流模塊輸入的有功電流偏差量ip Mf，并根據檢測到的負荷側三相電流ilMda、iloadb和ilMd。以及并聯側MMC出口側三相電流ipa、ipb、iP。計算并聯側MMC的三相電壓參考信號upaMf、upbMf、up_f ;串聯側MMC參考電壓生成模塊根據檢測到中壓交流配電網系統側三相電壓usa、usl^P Us。，以及中壓交流配電網的額定三相電壓uNa、UNb和uN。計算串聯側MMC的三相電壓參考信號usaMf、Usbref和Usc^f ；[0048](I)并聯側MMC參考電壓生成模塊檢測到負荷側三相電流ilMda、Iloadb和ilMd。，通過傅里葉變換分解得出負荷側三相電流的基波分量ilMdal、Iloadbl和i—，根據下式得到負荷側三相電流中的補償分量Λ iloada、八 ^loadb 和八 Iloadcj
【權利要求】
1.一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置，其特征在于，該協調控制裝置由MMC型統一電能質量調節器與協調控制器相連組成；其中， MMC型統一電能質量調節器包括串聯耦合變壓器、串聯側MMC和并聯側MMC ； 中壓交流配電網系統通過交流母線與串聯耦合變壓器相連； 中壓交流配電網系統經交流母線后通過信號線與協調控制器相連； 串聯側MMC與串聯耦合變壓器相連； 串聯側MMC和并聯側MMC通過公共直流母線相連； 并聯側MMC與負荷相連； 協調控制器通過光纖分別與串聯側MMC和并聯側MMC相連； 負荷通過信號線與協調控制器相連。
2.根據權利要求1所述一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置，其特征在于，串聯側MMC由三個相同的第一上橋臂、第二上橋臂和第三上橋臂以及三個相同的第一下橋臂、第二下橋臂和第三下橋臂組成；其中， 第一上橋臂與第一下橋臂相連后接交流電a相； 第二上橋臂與第二下橋臂相連后接交流電b相； 第三上橋臂與第三下橋臂相連后接交流電c相； 并聯側MMC由三個相同的第四上橋臂、第五上橋臂和第六上橋臂，以及三個相同的第四下橋臂、第五下橋臂和第六下橋臂組成；其中， 第四上橋臂與第四下橋臂相連后接交流電a相； 第五上橋臂與第五下橋臂相連后接交流電b相； 第六上橋臂與第六下橋臂相連后接交流電c相。
3.根據權利要求2所述一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置，其特征在于，第一上橋臂、第二上橋臂、第三上橋臂、第一下橋臂、第二下橋臂、第三下橋臂、第四上橋臂、第五上橋臂、第六上橋臂、第四下橋臂、第五下橋臂、第六下橋臂結構相同，均由子模塊與橋臂電抗串聯而成，上橋臂和下橋臂用來在接入與切除子模塊時擬合出期望的交流輸出電流。
4.根據權利要求3所述一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置，其特征在于，子模塊由第一 IGBT、第一二極管、第二 IGBT、第二二極管和子模塊電容組成；其中， 子模塊電容分別與第一 IGBT、第二 IGBT、第一二極管和第二二極管分別相連； 第一 IGBT和第二 IGBT串聯； 第一二極管反相與第二 IGBT并聯； 第二二極管反相與第二 IGBT并聯。
5.根據權利要求1所述一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制裝置，其特征在于，所述協調控制器由直流電壓偏差量生成模塊、外環PI調節模塊、限流模塊、并聯側MMC參考電壓生成模塊、串聯側MMC參考電壓生成模塊、底層三相PWM調制模塊以及鎖相環模塊組成;其中， 直流電壓偏差量生成模塊與外環PI調節模塊和MMC型統一電能質量調節器相連； 限流模塊分別與外環PI調節模塊、并聯側MMC參考電壓生成模塊以及負荷側相連； 并聯側MMC參考電壓生成模塊分別與鎖相環模塊、串聯側MMC參考電壓生成模塊、底層三相PWM調制模塊、直流電壓偏差量生成模塊、負荷側和MMC型統一電能質量調節器相連；底層三相PWM調制模塊分別與MMC型統一電能質量調節器和串聯側MMC參考電壓生成模塊相連； 串聯側MMC參考電壓生成模塊分別與鎖相環模塊、中壓交流配電網系統側和負荷側相連； 鎖相環模塊與中壓交流配電網系統側相連。
6.一種MMC型統一電能質量調節器的協調控制方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: 步驟1:協調控制器進行初始化，初始化后限流模塊采集負荷側三相電流ilMda、ilMdb和ilMd。，通過傅里葉變換分解得出負荷側三相電流中基波分量的有效值Iltjadl，根據串聯耦合變壓器二次側允許通過的最大電流Is2 _和串聯耦合變壓器變比ητ，由下式計算得到限流模塊中的有功電流偏差量最大值Ipmax:
Ipmax s2_max//^T 1adl ; 則限流模塊中有功電流偏差量的上限為+Ipmax,限流模塊中有功電流偏差量的下限為-1.ZV ipmax ， 步驟2:直流電壓偏差量生成模塊根據采集到的公共直流母線電壓Udc,以及直流母線電壓參考值Ud。—％，由下式計算得到直流電壓偏差量AUd。:
Δ Udc=Udc-Udc ref ； 步驟3:外環PI調節模塊根據直流電壓偏差量生成模塊提供的直流電壓偏差量AUd。，由下式計算得到含有直流電壓信息的實際有功電流偏差量ip:ip=kp Δ Udc+ki f A Udcdt ； 其中，kp為外環PI調節模塊的比例系數，Iii為積分系數； 步驟4:限流模塊接收外環PI調節模塊輸入的實際有功電流偏差量ip，并根據步驟I得到的有功電流偏差量的上限+Ipmax和有功電流偏差量的下限-1pnmx，對實際有功電流偏差量Ip進行判斷，若+Ipmax ^ Ip ^ -1pmax則輸出的有功電流偏差量ip—Mf=ip ;否則，輸出的有功電流偏差量
ip—ref Ipmax ? 步驟5:并聯側MMC參考電壓生成模塊接收限流模塊輸入的有功電流偏差量ip m，，并根據檢測到的負荷側三相電流ilMda、iloab和ilMd。以及并聯側MMC出口側三相電流ipa、ipb、ipc計算并聯側MMC的三相電壓參考信號upaMf、Upbref, Uprarf ;串聯側MMC參考電壓生成模塊根據檢測到中壓交流配電網系統側三相電壓usa、usl^P Us。，以及中壓交流配電網的額定三相電壓uNa、UNb和uN。計算串聯側MMC的三相電壓參考信號




(1)并聯側MMC參考電壓生成模塊檢測到負荷側三相電流ilMda、ilMdb和ilMd。，通過傅里葉變換分解得出負荷側三相電流的基波分量ilMdal、Iloadbl和i—，根據下式得到負荷側三相電流中的補償分量△ iloada、八 ^loadb 和八 Iloadcj
【文檔編號】H02J3/12GK103427425SQ201310369700
【公開日】2013年12月4日 申請日期:2013年8月22日 優先權日:2013年8月22日
【發明者】陸晶晶, 肖湘寧, 袁敞, 陳罡 申請人:華北電力大學