一种基于MMC分布式控制结构的具有滤波功能的电容电压分
组轮循回传方法
技术领域
[0001] 本
发明涉及
高压直流输电领域，尤其是针对MMC分布式控制结构。
背景技术
[0002] 目前，在中高压应用领域(例如高压直流输电、中压
电机驱动)，模
块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)因其灵活性、可扩展性、高可靠性等众多特点已成为最有前景的拓扑之一。由于
控制器的控制能
力限制，采用单个控制器的MMC集中式控制结构只能负担子模块(Sub-module，SM)个数较少的MMC的控制任务，对于含有大量子模块的MMC系统，却无能为力。集中式控制结构大大地限制了MMC的灵活性和扩展性。
[0003] 为了解决集中式控制结构的缺点，使之能够维持MMC系统灵活性和扩展性的分布式控制结构近年来逐渐受到国内外研究者的重视。一般的分布式控制结构可以概括为“一主多从”式控制结构，由三部分构成：中央控制器、通信网络、多个地方控制器。其中，中央控制器执行输出
电流控制、环流控制、相平均电容电压控制；地方控制器执行子模块电容电压的均衡控制，中央控制器和地方控制器之间的数据传输依靠通信网络实现。由于中央控制器中相平均电容电压控制的执行需要获知一相所有子模块的电容电压，而电容电压的采集在地方控制器完成，进而需要地方控制器实时向中央控制器回传所有的子模块电容电压，尤其当子模块个数很大时，这将造成巨大的通信负担。所以减小MMC分布式控制系统中的通信负担问题是一项非常有意义的工作。此外，为了避免相平均电容电压中的交流纹波对其他控制目标的干扰，通常在相平均电容电压控制环中添加一个低通滤波环节来滤除交流纹波，但低通滤波环节增大了相平均电容电压控制环的延时，致使控制环的稳定裕度降低。
发明内容
[0004] 鉴于
现有技术的以上不足，本发明的目的是：设计一种新的电容电压回传方法解决MMC分布式控制系统中通信负担大的问题，并利用所提子模块电容电压轮循回传方法的滤波功能，代替相平均电容电压控制环的低通滤波环节，以减小因低通滤波环节而引入的控制延时。
[0005] MMC分布式控制结构仍采用现有的技术结构。如
附图1所示，包括三部分：中央控制器，通信网络和2N个位于每个子模块(SM)的地方控制器(地方控制器1～N位于上桥臂，地方控制器N+1～2N位于下桥臂)。其中，中央控制器执行桥臂电流iu和il的
采样、输出电流控制、环流控制和相平均电容电压控制；各个地方控制器执行本地子模块电容电压的采样、均衡控制、以及PWM
信号的产生；中央控制器和地方控制器之间的协同控制以及信息交换依靠通信网络来实现。
[0006] 为实现发明目的，本发明采用如下的技术手段进行控制子模块电容电压的回传：
[0007] 一种基于MMC分布式控制结构的具有滤波功能的子模块电容电压分组轮循回传方法，在由中央控制器、通信网络和2N个位于子模块的地方控制器构成的MMC分布式控制结构中，将位于上桥臂的N个地方控制器编号为地方控制器1～N，将位于下桥臂的N个地方控制器编号为地方控制器N+1～2N，并依序将一个上桥臂的地方控制器与一个上下桥臂的地方控制器两两组合为一个地方控制器组Gi，i＝1,2,……N；这样，2N个地方控制器构成N个地方控制器组，具体如下，G1：地方控制器1、地方控制器N+1；G2：地方控制器2、地方控制器N+2；G3：地方控制器3、地方控制器N+3；……，GN：地方控制器N、地方控制器2N；2N个地方控制器向中央控制器回传所采集的本地子模块电容电压信息以实现相平均电容电压控制，其子模块电容电压信息的回传以如下分组轮循回传的方法予以实现：在每个回传时刻仅一个地方控制器组向中央控制器回传所采集的本地子模块电容电压信息；地方控制器组由G1～GN依次等时间间隔地轮循回传所采集的本地子模块电容电压信息；N个回传时刻完成后又进入新的周期循环……；以特定的回传时刻T1～TN为例，地方控制器依次回传地方控制器组子模块电容电压信息的顺序为：G1，G2，G3，……，GN；将回传时刻之间的间隔记为Tt，所述回传间隔Tt由下式确定：
[0008] Tt＝1/ft，ft为实现相平均电容电压滤波的回传
频率。
[0009] 本发明提出的子模块电容电压分组轮循回传方法如图2所示，假设地方控制器组G1～N对应的组内两个子模块电容电压的平均值记为uc_g1～N，相平均电容电压uc_av在每个回传时刻依据回传的一组(2个)子模块电容电压的平均值进行自身更新，更新后的相平均电容电压保持直至下一个回传时刻到来。以TN～TN+2时刻为例来具体解释相平均电容电压值的变化，在回传时刻TN相平均电容电压为uc_av(TN)＝[uc_g1(T1)+uc_g2(T2)+…+uc_gN-1(TN-1)+uc_gN(TN)]/N，该值保持直至下一个回传时刻TN+1，在回传时刻TN+1地方控制器组G1回传所采集的两个本地子模块电容电压值，uc_g1由uc_g1(T1)更新为uc_g1(TN+1)，所以在回传时刻TN+1相平均电容电压值由uc_av(TN)更新为uc_av(TN+1)＝[uc_g2(T2)+…+uc_gN-1(TN-1)+uc_gN(TN)+uc_g1(TN+1)]/N，该值保持直至下一个回传时刻TN+2。依据上述过程，第k个回传时刻的相平均电容电压值uc_av(k)表示如下：
[0010]
[0011] 上式中，uc_av_ripple表示相平均电容电压的交流纹波。考虑上式中uc_av_ripple与回传间隔Tt的关系，如果合理地设置所提出的轮循回传方式下的回传频率ft(ft＝1/Tt)，可以实现相平均电容电压的滤波，也即实现uc_av_ripple恒为0。所以，对实现相平均电容电压滤波功能的回传频率ft求解策略如下：令相平均电容电压中交流纹波的表达式恒等于0，反解出能够实现相平均电容电压滤波的回传频率ft。
[0012] 预设条件如下：
[0013] uc_av_ripple≡0
[0014] 根据三
角函数运
算法则，可得如下关系：
[0015]
[0016] 上式表示的含义相当于对一个频率为2fo的正弦信号进行连续等间隔的N次采样(
采样频率也即回传频率表示为ft＝1/Tt)，N次采样的数据求和所得结果恒为0，也即所得的结果中没有出现该正弦分量，达到对该正弦信号的滤波。
[0017] 首先，根据香农采样定理，N次采样的数据必须保证能够复现该正弦信号，所以必须满足：
[0018] ft≥2*2fo＝4fo
[0019] 其次，再对表达式进行求解，最终求出实现相平均电容电压滤波的回传频率ft：
[0020]
[0021] 其中：[x]表示不超过x的最大整数。
[0022] 采用本发明具有滤波功能的子模块电容电压轮循回传方法，可以有效地解决MMC分布式控制结构中通信负担大的问题，并且所提子模块电容电压轮循回传方法的滤波功能可以取代相平均电容电压控制环中的低通滤波环节，能够减小因低通滤波环节而引入的控制延时。
附图说明
[0023] 图1为MMC分布式控制结构的技术结构图。
[0024] 图2为本发明提出的子模块电容电压分组轮循回传方法的时序图。
具体实施方式
[0025] 在由中央控制器，通信网络和2N个位于每个子模块(SM)的地方控制器构成的MMC分布式控制结构中，如图1所示，本发明提出的子模块电容电压分组轮循回传方法具体实施如下：将位于上桥臂的N个地方控制器编号为地方控制器1～N，将位于下桥臂的N个地方控制器编号为地方控制器N+1～2N。并依序将一个上桥臂的地方控制器与一个下桥臂的地方控制器两两组合为一个地方控制器组Gi，i＝1,2,……N；这样，2N个地方控制器构成N个地方控制器组，具体如下，G1：地方控制器1、地方控制器N+1；G2：地方控制器2、地方控制器N+2；G3：地方控制器3、地方控制器N+3；……，GN：地方控制器N、地方控制器2N。本发明提出的电容电压分组轮循回传方式如附图2所示，在每个回传时刻仅一组地方控制器Gi向中央控制器回传所采集的本地子模块电容电压信息；地方控制器组G1～N依次等间隔地轮循回传所采集的本地子模块电容电压信息；N个时间间隔周期完成后进入新的周期循环……。以特定的回传时刻T1～TN为例，地方控制器依次回传地方控制器组子模块电容电压信息的顺序为：G1，G2，G3，……，GN。
[0026] 实现上述子模块电容电压分组轮循回传方法滤波功能的回传频率ft的获得依据如下：
[0027] 一般地，一个桥臂内部的子模块电容电压是相同的，且子模块电容电压中主要的交流纹波为基频和二倍频分量。上、下桥臂的子模块电容电压表示如下：
[0028]
[0029] 其中：uc1～N表示子模块1～N(位于上桥臂)的电容电压；ucN+1～2N表示子模块N+1～2N(位于下桥臂)的电容电压；uc_dc、uc_1、uc_2分别表示子模块电容电压中的
直流分量、基频分量幅值、二倍频分量幅值；ωo表示MMC交流侧的角频率(ωo＝2πfo，fo为交流侧的频率)；θ1和θ2分别表示子模块电容电压中基频分量和二倍频分量的初始
角位移。相平均电容电压uc_av是上、下桥臂共2N个子模块电容电压的平均值，表示如下：
[0030]
[0031] 假设地方控制器组G1～N对应的组内两个子模块电容电压的平均值记为uc_g1～N，uc_g1～N可以表示如下：
[0032]
[0033] 依据上式，相平均电容电压uc_av可以重新表示为：
[0034]
[0035] 基于上式，相平均电容电压也相当于由N个地方控制器组的组内子模块电容电压平均值进行取平均求出。
[0036] 基于本发明提出的分组轮循回传方式(图2所示)，假设两个连续回传时刻之间的间隔为Tt，相平均电容电压uc_av在每个回传时刻依据回传的一组(2个)子模块电容电压的平均值进行自身更新，更新后的相平均电容电压保持直至下一个回传时刻到来。以TN～TN+2时刻为例来具体解释相平均电容电压值的变化，在回传时刻TN相平均电容电压为uc_av(TN)＝[uc_g1(T1)+uc_g2(T2)+…+uc_gN-1(TN-1)+uc_gN(TN)]/N，该值保持直至下一个回传时刻TN+1，在回传时刻TN+1地方控制器组1回传所采集的两个本地子模块电容电压值，uc_g1由uc_g1(T1)更新为uc_g1(TN+1)，所以在回传时刻TN+1相平均电容电压值由uc_av(TN)更新为uc_av(TN+1)＝[uc_g2(T2)+…+uc_gN-1(TN-1)+uc_gN(TN)+uc_g1(TN+1)]/N，该值保持直至下一个回传时刻TN+2。依据上述过程，第k个回传时刻的相平均电容电压值uc_av(k)表示如下：
[0037]
[0038] 上式中uc_av_ripple表示相平均电容电压的交流纹波。考虑上式中uc_av_ripple与回传间隔Tt的关系，如果合理地设置所提出的轮循回传方式下的回传频率ft(ft＝1/Tt)，可以实现相平均电容电压的滤波，也即实现uc_av_ripple＝0。现假设相平均电容电压的交流纹波为0，反推可以实现滤波功能的回传频率ft。所以预设条件如下：
[0039] uc_av_ripple≡0
[0040] 根据三角函数运算法则，可得如下关系：
[0041]
[0042] 上式表示的含义相当于对一个频率为2fo的正弦信号进行连续等间隔的N次采样(采样频率也即回传频率表示为ft＝1/Tt)，N次采样的数据求和所得结果恒为0，也即所得的结果中没有出现该正弦分量，达到对该正弦信号的滤波。
[0043] 首先，根据香农采样定理，N次采样的数据必须保证能够复现该正弦信号，所以必须满足：
[0044] ft≥2*2fo＝4fo
[0045] 其次，再对表达式进行求解，最终求出实现相平均电容电压滤波的回传频率ft：：
[0046]
[0047] 其中：[x]表示不超过x的最大整数。
[0048] 综上所述，本发明中提出的减小通信负担的电容电压轮循回传方式采用(*)式所设计的回传频率可以实现对相平均电容电压的滤波。
