本發(fā)明涉及一種upfc控制器及其控制方法，尤其是一種基于觀測(cè)器和mmc的upfc控制器的控制方法。

背景技術(shù)：

upfc的控制系統(tǒng)分為兩部分即并聯(lián)部分和串聯(lián)部分，其中并聯(lián)部分的控制目標(biāo)是使upfc產(chǎn)生直流電壓并且保持它的穩(wěn)定，而串聯(lián)部分是實(shí)現(xiàn)直流到交流的變換，其控制目標(biāo)是使upfc產(chǎn)生所需要的補(bǔ)償電壓矢量。

自德國(guó)學(xué)者于2002年提出模塊化多電平變換器(modularmultilevelconverter,mmc)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以來，該變換器以其諧波含量少、開關(guān)頻率低、易于模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)受到學(xué)業(yè)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。但mmc也有一定缺陷，大量?jī)?chǔ)能電容隨子模塊的投切不斷進(jìn)行充放電，由此造成了三相橋臂電壓與直流側(cè)不匹配。這將在環(huán)流中引入大量低頻諧波，增加系統(tǒng)損耗，減少開關(guān)器件壽命，降低系統(tǒng)性能及穩(wěn)定性。

維持子模塊電壓穩(wěn)定在于對(duì)mmc直流側(cè)進(jìn)行很好的控制，對(duì)應(yīng)地，可以分為兩個(gè)部分：橋臂平衡和子模塊平衡控制。橋臂平衡控制的目的是維持整相橋臂子模塊電壓之和穩(wěn)定于其參考值，同時(shí)使上下橋臂電壓相等。子模塊平衡控制的目的是維持橋臂內(nèi)部所有子模塊電壓均相等，即橋臂電壓為其內(nèi)部所有子模塊共享。此處以獨(dú)立調(diào)制的cps-pwm方法為例，為每一個(gè)子模塊單元分配一個(gè)均壓控制器，以保證其子模塊電壓是平衡的。注意到，橋臂平衡控制需要采集所有子模塊單元的電壓，并將其反饋至控制器，這將使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)變得復(fù)雜，且給系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制引入大量采樣值傳輸延時(shí)，尤其當(dāng)子模塊數(shù)量眾多時(shí)，該延時(shí)的影響將大大降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制頻率，甚至影響子模塊的電壓平衡。不僅如此，當(dāng)mmc被擴(kuò)展至更高電平/功率等級(jí)時(shí)，為了滿足信號(hào)數(shù)量要求，信號(hào)傳輸系統(tǒng)及控制系統(tǒng)往往需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這無疑增加了基于mmc的upfc系統(tǒng)二次設(shè)計(jì)成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提供一種基于觀測(cè)器和mmc的upfc控制器來解決傳統(tǒng)的子模塊平衡控制以及橋臂平衡控制中存在的問題。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了一種基于觀測(cè)器和mmc的upfc控制器，包括vs觀測(cè)器模塊、環(huán)流指令生成模塊、環(huán)流控制模塊、第一加法器以及第一比較器；vs觀測(cè)器模塊由vs直接計(jì)算單元和誤差反饋單元構(gòu)成；

誤差反饋單元，用于接收無功功率q以及各相的相環(huán)流值idiffk，并將無功功率q以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行分析計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將vs^*與反饋值乘以在第一比較器進(jìn)行比較輸出，輸出相應(yīng)的控制量為：

式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測(cè)誤差值，μ為誤差增益，carm為橋臂電容值，ω0為工頻角速度，r0為橋臂等效阻抗；

vs直接計(jì)算單元，用于接收有功功率p以及相環(huán)流值idiffk，并將有功功率p輸出以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將控制量er與vs送入到第一加法器，進(jìn)行計(jì)算輸出相應(yīng)的控制量為：

環(huán)流指令生成模塊，用于根據(jù)和橋臂電壓參考值計(jì)算出各相環(huán)流參考值i^*diffk；

環(huán)流控制模塊，用于根據(jù)各相的環(huán)流值idiffk以及各相的環(huán)流參考值i^*diffk計(jì)算出各相的橋臂環(huán)流電壓值vdiffk。

本發(fā)明還提供了一種基于觀測(cè)器和mmc的upfc控制器的控制方法，包括如下步驟：

步驟1，由誤差反饋單元接收無功功率q以及各相的相環(huán)流值idiffk，并將無功功率q以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行分析計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將vs^*與反饋值乘以在第一比較器進(jìn)行比較輸出，輸出相應(yīng)的控制量為：

式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測(cè)誤差值，μ為誤差增益，carm為橋臂電容值，ω0為工頻角速度，r0為橋臂等效阻抗；

步驟2，由vs直接計(jì)算單元接收有功功率p以及相環(huán)流值idiffk，并將有功功率p輸出以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將控制量er與vs送入到第一加法器，進(jìn)行計(jì)算輸出相應(yīng)的控制量為：

步驟3，由環(huán)流指令生成模塊根據(jù)和橋臂電壓參考值計(jì)算出各相環(huán)流參考值i^*diffk；

步驟4，由環(huán)流控制模塊根據(jù)各相的環(huán)流值idiffk以及各相的環(huán)流參考值i^*diffk計(jì)算出各相的橋臂環(huán)流電壓值vdiffk。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明是基于mmc直流側(cè)狀態(tài)方程，并通過環(huán)流值的反饋，構(gòu)建了橋臂電壓的觀測(cè)模型，完成對(duì)橋臂電壓的實(shí)時(shí)估算，環(huán)流值的反饋增強(qiáng)了系統(tǒng)對(duì)參數(shù)誤差的適應(yīng)性，無論變換器初值處于何種狀態(tài)，觀測(cè)器均能快速實(shí)現(xiàn)對(duì)橋臂電壓的精確跟蹤，免去對(duì)底層子模塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，僅需根據(jù)輸出電壓/電流參數(shù)和橋臂環(huán)流值即可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)橋臂電壓的精確估算，從而消除直流側(cè)控制與底層子模塊單元之間的數(shù)據(jù)交換，將大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制頻率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的mmc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的upfc控制器應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的橋臂環(huán)流計(jì)算模型示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，為本發(fā)明所涉及的mmc的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，圖中，idiffk為各相橋臂的環(huán)流值，ikp為上橋臂電流，ikn為下橋臂電流，k為a、b或c，表示相號(hào)。所有電流、電壓與功率參數(shù)均采用標(biāo)么值：控制器的有功功率參考p^*與無功功率參考q^*，由操作員運(yùn)行狀況設(shè)定；控制器的橋臂電壓vs的參考vs^ref值，由操作員運(yùn)行狀況設(shè)定；控制器的橋臂等效感抗l0與r0等效阻抗，由操作員運(yùn)行狀況設(shè)定。

如圖2所示，本發(fā)明的基于觀測(cè)器和mmc的upfc控制器包括：vs觀測(cè)器模塊、環(huán)流指令生成模塊、環(huán)流控制模塊、第一加法器以及第一比較器；其中，vs觀測(cè)器模塊由vs直接計(jì)算單元和誤差反饋單元構(gòu)成；

在本發(fā)明的控制器執(zhí)行相應(yīng)模塊功能前，需要由各個(gè)相電壓va、vb、vc以及相電流ia、ib、ic、有功功率參考p^*和無功功率參考q^*計(jì)算出有功功率p、無功功率q以及控制信號(hào)ea、eb和ec；還要采集k相單元中的上橋臂電流ipk和下橋臂電流ink，并在第二加法器中相加再除以2得到相環(huán)流值idiffk。

誤差反饋單元，用于接收無功功率q以及各相的相環(huán)流值idiffk，并將無功功率q以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行分析計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將vs^*與反饋值乘以在第一比較器進(jìn)行比較輸出，輸出相應(yīng)的控制量為：

式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測(cè)誤差值，μ為誤差增益，carm為橋臂電容值，ω0為工頻角速度，r0為橋臂等效電阻；

vs直接計(jì)算單元，用于接收有功功率p以及相環(huán)流值idiffk，并將有功功率p輸出以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將控制量er與vs送入到第一加法器，進(jìn)行計(jì)算輸出相應(yīng)的控制量為：

環(huán)流指令生成模塊，用于根據(jù)和橋臂電壓參考值計(jì)算出各相環(huán)流參考值i^*diffk；

環(huán)流控制模塊，用于根據(jù)各相的環(huán)流值idiffk以及各相的環(huán)流參考值i^*diffk計(jì)算出各相的橋臂環(huán)流電壓值vdiffk。

本發(fā)明的基于觀測(cè)器和mmc的upfc控制器的控制方法，包括如下步驟：

步驟1，由誤差反饋單元接收無功功率q以及各相的相環(huán)流值idiffk，并將無功功率q以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行分析計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將vs^*與反饋值乘以在第一比較器進(jìn)行比較輸出，輸出相應(yīng)的控制量為：

式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測(cè)誤差值，μ為誤差增益，carm為橋臂電容值，ω0為工頻角速度，r0為橋臂等效阻抗；

步驟2，由vs直接計(jì)算單元接收有功功率p以及相環(huán)流值idiffk，并將有功功率p輸出以及相環(huán)流值idiffk進(jìn)行計(jì)算，輸出相應(yīng)的控制量為：

再將控制量er與vs送入到第一加法器，進(jìn)行計(jì)算輸出相應(yīng)的控制量為：

步驟3，由環(huán)流指令生成模塊根據(jù)和橋臂電壓參考值計(jì)算出各相環(huán)流參考值i^*diffk，該計(jì)算方法為本鄰域的現(xiàn)有技術(shù)；

步驟4，由環(huán)流控制模塊根據(jù)各相的環(huán)流值idiffk以及各相的環(huán)流參考值i^*diffk計(jì)算出各相的橋臂環(huán)流電壓值vdiffk，該計(jì)算方法為本鄰域的現(xiàn)有技術(shù)。

本發(fā)明的控制器通過測(cè)量橋臂環(huán)流反饋，構(gòu)建了橋臂電壓的觀測(cè)模型，完成對(duì)橋臂電壓的實(shí)時(shí)估算，免去傳統(tǒng)方法對(duì)底層子模塊單元進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，根據(jù)輸出電壓/電流參數(shù)和橋臂環(huán)流值即可快速實(shí)現(xiàn)對(duì)橋臂電壓的精確估算，從而消除直流側(cè)控制與底層子模塊單元之間的數(shù)據(jù)交換，將大大提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制頻率。