一種基於觀測器和MMC的UPFC控制器及其控制方法與流程
2024-04-01 03:00:05
本發明涉及一種upfc控制器及其控制方法，尤其是一種基於觀測器和mmc的upfc控制器的控制方法。
背景技術：
upfc的控制系統分為兩部分即並聯部分和串聯部分，其中並聯部分的控制目標是使upfc產生直流電壓並且保持它的穩定，而串聯部分是實現直流到交流的變換，其控制目標是使upfc產生所需要的補償電壓矢量。
自德國學者於2002年提出模塊化多電平變換器(modularmultilevelconverter,mmc)拓撲結構以來，該變換器以其諧波含量少、開關頻率低、易於模塊化設計等特點受到學業界和工業界的廣泛關注。但mmc也有一定缺陷，大量儲能電容隨子模塊的投切不斷進行充放電，由此造成了三相橋臂電壓與直流側不匹配。這將在環流中引入大量低頻諧波，增加系統損耗，減少開關器件壽命，降低系統性能及穩定性。
維持子模塊電壓穩定在於對mmc直流側進行很好的控制，對應地，可以分為兩個部分：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定於其參考值，同時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部所有子模塊電壓均相等，即橋臂電壓為其內部所有子模塊共享。此處以獨立調製的cps-pwm方法為例，為每一個子模塊單元分配一個均壓控制器，以保證其子模塊電壓是平衡的。注意到，橋臂平衡控制需要採集所有子模塊單元的電壓，並將其反饋至控制器，這將使數據採集系統變得複雜，且給系統實時控制引入大量採樣值傳輸延時，尤其當子模塊數量眾多時，該延時的影響將大大降低系統的實時控制頻率，甚至影響子模塊的電壓平衡。不僅如此，當mmc被擴展至更高電平/功率等級時，為了滿足信號數量要求，信號傳輸系統及控制系統往往需要進行重新設計，這無疑增加了基於mmc的upfc系統二次設計成本。
技術實現要素：
本發明的目的在於：提供一種基於觀測器和mmc的upfc控制器來解決傳統的子模塊平衡控制以及橋臂平衡控制中存在的問題。
為了實現上述發明目的，本發明提供了一種基於觀測器和mmc的upfc控制器，包括vs觀測器模塊、環流指令生成模塊、環流控制模塊、第一加法器以及第一比較器；vs觀測器模塊由vs直接計算單元和誤差反饋單元構成；
誤差反饋單元，用於接收無功功率q以及各相的相環流值idiffk，並將無功功率q以及相環流值idiffk進行分析計算，輸出相應的控制量為：
再將vs*與反饋值乘以在第一比較器進行比較輸出，輸出相應的控制量為：
式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測誤差值，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直接計算單元，用於接收有功功率p以及相環流值idiffk，並將有功功率p輸出以及相環流值idiffk進行計算，輸出相應的控制量為：
再將控制量er與vs送入到第一加法器，進行計算輸出相應的控制量為：
環流指令生成模塊，用於根據和橋臂電壓參考值計算出各相環流參考值i*diffk；
環流控制模塊，用於根據各相的環流值idiffk以及各相的環流參考值i*diffk計算出各相的橋臂環流電壓值vdiffk。
本發明還提供了一種基於觀測器和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以及各相的相環流值idiffk，並將無功功率q以及相環流值idiffk進行分析計算，輸出相應的控制量為：
再將vs*與反饋值乘以在第一比較器進行比較輸出，輸出相應的控制量為：
式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測誤差值，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直接計算單元接收有功功率p以及相環流值idiffk，並將有功功率p輸出以及相環流值idiffk進行計算，輸出相應的控制量為：
再將控制量er與vs送入到第一加法器，進行計算輸出相應的控制量為：
步驟3，由環流指令生成模塊根據和橋臂電壓參考值計算出各相環流參考值i*diffk；
步驟4，由環流控制模塊根據各相的環流值idiffk以及各相的環流參考值i*diffk計算出各相的橋臂環流電壓值vdiffk。
本發明的有益效果在於：本發明是基於mmc直流側狀態方程，並通過環流值的反饋，構建了橋臂電壓的觀測模型，完成對橋臂電壓的實時估算，環流值的反饋增強了系統對參數誤差的適應性，無論變換器初值處於何種狀態，觀測器均能快速實現對橋臂電壓的精確跟蹤，免去對底層子模塊單元進行數據採集，僅需根據輸出電壓/電流參數和橋臂環流值即可快速實現對橋臂電壓的精確估算，從而消除直流側控制與底層子模塊單元之間的數據交換，將大大提高系統的實時控制頻率。
附圖說明
圖1為本發明的mmc拓撲結構示意圖；
圖2為本發明的upfc控制器應用系統結構示意圖；
圖3為本發明的橋臂環流計算模型示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，為本發明所涉及的mmc的拓撲結構圖，圖中，idiffk為各相橋臂的環流值，ikp為上橋臂電流，ikn為下橋臂電流，k為a、b或c，表示相號。所有電流、電壓與功率參數均採用標麼值：控制器的有功功率參考p*與無功功率參考q*，由操作員運行狀況設定；控制器的橋臂電壓vs的參考vsref值，由操作員運行狀況設定；控制器的橋臂等效感抗l0與r0等效阻抗，由操作員運行狀況設定。
如圖2所示，本發明的基於觀測器和mmc的upfc控制器包括：vs觀測器模塊、環流指令生成模塊、環流控制模塊、第一加法器以及第一比較器；其中，vs觀測器模塊由vs直接計算單元和誤差反饋單元構成；
在本發明的控制器執行相應模塊功能前，需要由各個相電壓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*計算出有功功率p、無功功率q以及控制信號ea、eb和ec；還要採集k相單元中的上橋臂電流ipk和下橋臂電流ink，並在第二加法器中相加再除以2得到相環流值idiffk。
誤差反饋單元，用於接收無功功率q以及各相的相環流值idiffk，並將無功功率q以及相環流值idiffk進行分析計算，輸出相應的控制量為：
再將vs*與反饋值乘以在第一比較器進行比較輸出，輸出相應的控制量為：
式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測誤差值，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直接計算單元，用於接收有功功率p以及相環流值idiffk，並將有功功率p輸出以及相環流值idiffk進行計算，輸出相應的控制量為：
再將控制量er與vs送入到第一加法器，進行計算輸出相應的控制量為：
環流指令生成模塊，用於根據和橋臂電壓參考值計算出各相環流參考值i*diffk；
環流控制模塊，用於根據各相的環流值idiffk以及各相的環流參考值i*diffk計算出各相的橋臂環流電壓值vdiffk。
本發明的基於觀測器和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以及各相的相環流值idiffk，並將無功功率q以及相環流值idiffk進行分析計算，輸出相應的控制量為：
再將vs*與反饋值乘以在第一比較器進行比較輸出，輸出相應的控制量為：
式中，vdc為直流母線電壓，er為vs的觀測誤差值，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直接計算單元接收有功功率p以及相環流值idiffk，並將有功功率p輸出以及相環流值idiffk進行計算，輸出相應的控制量為：
再將控制量er與vs送入到第一加法器，進行計算輸出相應的控制量為：
步驟3，由環流指令生成模塊根據和橋臂電壓參考值計算出各相環流參考值i*diffk，該計算方法為本鄰域的現有技術；
步驟4，由環流控制模塊根據各相的環流值idiffk以及各相的環流參考值i*diffk計算出各相的橋臂環流電壓值vdiffk，該計算方法為本鄰域的現有技術。
本發明的控制器通過測量橋臂環流反饋，構建了橋臂電壓的觀測模型，完成對橋臂電壓的實時估算，免去傳統方法對底層子模塊單元進行數據採集，根據輸出電壓/電流參數和橋臂環流值即可快速實現對橋臂電壓的精確估算，從而消除直流側控制與底層子模塊單元之間的數據交換，將大大提高系統的實時控制頻率。