非理想条件下基于MMC的电力电子变压器的无源滑模控制策略

基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter,MMC)的电力电子变压器(powerelectronictransformers,PET)在输配电过程中发生扰动时,采用传统的PI控制、无源控制等已经难以保证系统的可靠性以及良好的动态响应能力。为了改善非理想条件下系统的可靠性和动态响应,提出基于MMC-PET的无源滑模控制(passivity-basedcontrol–sliding-modecontrol,PBC-SMC)策略。首先,将基于MMC的欧拉-拉格朗日(Euler-Lagrange,EL)模型的无源控制器应用到内环电流控制,再引入滑模控制(sliding-mode control,SMC),可有效解决无源控制过于依赖系统参数的问题,使得控制系统具有更强的抗干扰能力和更快的响应速度;然后,通过移相均压控制来稳定中间隔离级的输出直流电压,并设计输出级逆变器的无源控制器;最后,搭建MMC-PET仿真系统进行实验验证,结果表明在非理想条件下MMC-PET采用PBC-SMC控制方法的有效性和优越性。

基于分离源矩阵变换器的PMSM无源动态演化控制策略

为了改进传统的永磁同步电机驱动器系统及其PID控制的不足,提出了一种无源动态演化控制策略,并应用于永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor,PMSM)和分离源矩阵变换器(split source matrix con-verter,SSMC)中。为打破传统矩阵变换器电压传输比0.866的限制,采用电感、电容和3个二极管代替了双级矩阵变换器中间的支流链路部件,并且证明了分离源网络的升压能力。另外,在矢量控制中,永磁同步电机的转速外环和电流内环都使用了传统PID控制器,但由于PID控制器的参数调节比较困难、控制精度不高、超调量较大和抗干扰能力不强等问题,为此提出了基于动态演化理论和无源理论的控制策略,设计了分离源矩阵变换器和永磁同步电机系统基于互联和阻尼分配(the interconnection and damping assignment,IDA)的无源控制器(passivity-based control,PBC)和动态演化控制器(dynamic evolution controller,DEC)。仿真与实验的结果表明,基于该控制策略的SSMC-PMSM驱动系统能够使永磁同步电机稳定运行在额定转速,并且具有稳定性强、抗干扰能力强和动态响应好等特点。

基于动态开关表的TLDMC-PMSM零共模电压直接转矩控制

针对三电平直接矩阵变换器-永磁同步电机系统采用直接转矩控制(TLDMC-PMSM-DTC)时出现高共模电压的问题,提出基于动态开关表的TLDMC-PMSM零共模电压直接转矩控制方法。TLDMC的部分旋转矢量共模电压为零,该方法利用这部分旋转矢量去构建DTC的开关表,但是旋转矢量的分布随输入电压相位的变化而变化,这会导致控制结构的复杂度变高,因此此控制算法通过高维开关表来实现TLDMC-PMSM的零共模电压。但是由于所用旋转矢量数目少并且选择的矢量误差大,从而导致电机的转速和转矩脉动大,该文在此基础上,引入动态的旋转矢量和零矢量去构建动态开关表来解决脉动大的问题。仿真和实验结果表明,该方法在保证动态响应能力快、电机的转速和转矩脉动小的基础上,实现了TLDMC-PMSM系统的零共模电压和安全稳定运行。

基于干扰观测器的MMC-PET交直流混合微电网并网/离网切换控制策略

针对模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)-电力电子变压器(power electronic transformers,PET)交直流混合微网在并网和离网两种模式下开关切换过程中存在瞬态过流和过压问题,从而影响输电质量并增加设备损耗,为此提出了一种基于扰动观测器(disturbance observer,DO)的并/离网切换控制策略。在该策略中,通过采用DO观测器对并离网切换引起的突变电流跟踪,并将实际电流与理论电流的差值作为等效干扰量,再将其输入到电流内环控制器进行补偿,从而可实现对突变电流的抑制。最后在Matlab/Simulink软件上搭建了MMC-PET交直流混合微网系统,并在并网-离网、离网-并网的两种切换工况下,通过把加入DO观测器与未加入DO观测器两种情况进行仿真对比,验证了所提的切换控制策略的有效性和可行性。

九边形模块化多电平变换器的解耦模型与控制策略

九边形模块化多电平变换器(N-MMC)是一种具备多端口、低频性、高可靠性等特点的AC-AC变换器,在海上风电领域应用前景广阔。但是,九边形变换器存在不同频率的电气分量强耦合的问题。为此,该文提出了一种九边形变换器的解耦方法。首先,根据九边形变换器的拓扑结构,分析了其桥臂电压、电流的关系,建立了九边形变换器的解耦模型;然后,在此基础上推导了PI控制策略和非线性的无源控制(PBC)策略;最后,在Matlab仿真平台和RT-Lab半物理平台上进行了多种工况的仿真和实验验证,对比了解耦后采用PBC控制、PI控制、未解耦直接采用准比例谐振(QPR)控制的效果,验证了所提解耦模型与PBC控制的可行性与优越性。

不平衡电压下基于Y源双级矩阵变换器的微分平滑控制策略

当电网电压产生不平衡工况时,电流电压会出现较大的波动,YSTSMC采用传统PI控制器难以调节电能质量。为了完善不平衡电网电压下Y源双级矩阵变换器(YSTSMC)的输入控制,提出了微分平滑控制(DFC)策略,并利用动态调制系数降低不平衡工况下有功功率所产生的高次谐波波动。仿真实验结果表明,基于DFC控制策略可以使系统的响应速度和输出电能质量得到提高。

电网电压不平衡下六边形变换器的微分平坦控制策略

六边形变换器(Hexverter)作为一种具备多端口、低频性、高可靠性等特点的AC/AC变换器的拓朴结构,能够适用于海上风电领域。但当Hexverter应用于海上风电时,由于自身的非线性特性,线性的PID控制策略的控制效果不佳。将非线性的微分平坦控制(DFC)与Hexverter相结合,通过分析其稳定性,提出了Hexverter的微分平坦控制策略。在Matlab环境和RT-LAB半物理实验平台中建立了Hexverter的微分平坦控制系统对多种工况进行仿真对比,验证了本文所提出微分平坦控制策略的可行性。

基于并联型有源电力滤波器的无源控制方法

由于并联型有源电力滤波器(shunt active power filter,SAPF)为非线性、时变的多变量对象,目前常用的一些控制方法难以达到令人满意的控制效果,为此提出了一种基于SAPF的无源性控制(passivity-based control,PBC)策略。该控制策略首先利用系统的总增加的能量少于外部注入的能量的无源性原理,让每个控制变量逐渐达到其预期值;同时,为了提高收敛速度,采用阻尼注入方法来加速系统的能量耗散;最后,利用仿真和硬件实验验证了基于SAPF的PBC策略和传统的比例积分控制(proportional integral controller, PI)策略相比,不仅能够有效保持直流母线电压的稳定性和对电流谐波、无功功率、不平衡电流和中性点电流进行补偿,同时在电网不平衡时无需处理谐波电流的正序和负序分量,而且响应速度更快和补偿效果更好。

不平衡电网模块化多电平矩阵换流器的控制策略

为了减少输电线路损耗,在海上风力发电等背景下,低频交流输电系统应运而生,它通过模块化多电平矩阵换流器(modular multilevel matrix converter,M^(3)C)直接实现从低频到工频的AC/AC变换。研究了基于M3C的AC/AC系统在发生不对称故障时的控制策略。首先分析了M^(3)C的电路结构和工作原理,然后针对系统故障不对称的情况,对电压电流进行正负序分离,再基于M^(3)C系统双αβ0变换的数学模型与输入侧、输出侧系统的无源性,推导出输入侧和输出侧的无源控制规律,且通过调节循环电流实现桥臂电容电压控制。最后在仿真实验平台上,在两种不同工况下对所提的不平衡电网下M^(3)C的两侧无源控制策略进行实验,仿真实验结果表明了所提的M3C无源控制策略的正确性和有效性。

Y型模块化多电平换流器电流的微分平坦控制策略研究

Y型模块化多电平换流器(Y-type modular multilevel converter, Y-MMC)为一种具备大功率、低成本、高电压特性的三相交流-交流变换器,能够适用于海上风电领域。目前Y-MMC低频侧及工频侧电流一般均采用PI控制,而PI控制用于Y-MMC这种非线性复杂对象的控制效果并不理想。为此,提出了Y-MMC低频侧及工频侧电流的微分平坦控制策略来解决此问题。首先根据Y-MMC的拓扑结构,推导出其解耦模型;然后,推导正、负序微分平坦控制的数学表达式,并利用Lyapunov理论证明其全局渐进稳定性;最后,在Matlab/Simulink仿真平台上和在RT-LAB半物理平台上进行仿真和实验验证,结果表明所提微分平坦控制方法的正确性和有效性。

非理想条件下MMC-SAPF的无源控制策略研究

为了提高传统有源电力滤波器耐压水平和等效开关频率,将电平数目较多的模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)应用于并联型有源滤波器(shunt active power filter,SAPF)。针对三线制电力系统的非理想运行状态,提出基于正负序分离的无源控制器(passivity-based control,PBC)策略,可根据有源滤波器的容量,灵活的选择补偿信号。首先,根据基于模块化多电平变流器型有源滤波器的数学模型,论证其无源性,采用阻尼注入法设计动态性能较高的正负序无源控制规律;其次,加入适用于电网非理想条件下的准PR环流控制、电容电压控制器,以提高系统性能;最后,在电网平衡、负荷投切、负荷不平衡及电网电压跌落状态下,通过Matlab/Simulink软件仿真和硬件实验,验证提出的无源控制系统用于非理想条件下基于模块化多电平变流器型有源滤波器的有效性和优越性。

基于PR控制和滤波电感电流的微网限流新方法

针对传统的限流方法不能适应不同类型的短路故障问题,提出基于比例谐振(PR)控制和滤波电感电流的微网限流的新方法。首先,把微网中分布式发电(DG)变换器作为研究对象,DG变换器的电压电流双环均采用PR控制器;然后,详细推出滤波电感电流的参考值与DG变换器输出的电流和电压之间关系,该关系表明通过调整控制系统参数和滤波电容,DG变换器输出电流可跟随滤波电感电流的参考值;其次,当DG变换器输出的某相电流大于阈值(即发生故障)时,通过改变滤波电感电流的参考值能实现限制故障电流;最后,软件仿真结果验证新型限流方法能够限制故障电流到额定电流约2倍,且与不同的故障电阻、故障类型和故障发生时间无关;新型限流方法中采用的PR控制相比于PI控制,DG变换器输出的电流峰值更小、响应速度更快。

电网电压不平衡条件下MMC的基于Lyapunov函数非线性控制策略

当电网电压发生不平衡时,采用模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)实现的高压直流输电系统会发生交流侧电流不对称、有功/无功功率产生二次脉动等问题。为了解决这些问题,根据MMC的拓扑结构建立了电网不平衡条件下MMC的数学模型,在此基础上建立MMC的Lyapunov模型,制定出了基于Lyapunov函数的非线性控制理论的控制策略,并讨论了关于控制不精确问题及参数选择范围。通过在Matlab/Simulink平台上对所提出的Lyapunov函数控制策略与传统PI控制方法的控制效果进行了对比,表明了所提出的控制方法的有效性和优越性,并在硬件平台上做了进一步实验验证。

基于双载波调制策略的模块化多电平矩阵变换器的优化电平方法

模块化多电平矩阵变换器(modularmultilevelmatrixconverter,MMMC)具备模块化的优点,能实现三相AC-AC的变换,且可用于高电压大功率的场合。但传统的载波移相调制策略在MMMC的模块数为偶数时,会导致桥臂上两两H桥子模块的输出电压发生100%的重合,从而致使桥臂上H桥子模块不能被高效使用。另一方面,桥臂上H桥子模块总输出电平数也会因此锐减,使得MMMC的工作效率低下。为了解决上述问题,提出一种新型的调制策略(即双载波调制策略)能够解决此问题且能大大提高MMMC的输出效果。通过理论分析、推导和在MATLAB/Simulink仿真平台上进行两种调制策略的仿真对比,验证了在MMMC的模块数为偶数时,在同等条件下,采用新型调制策略的输出效果优于采用传统调制策略的输出效果,且新型调制策略仅需传统调制策略一半的模块数就能达到与传统的调制策略一样的效果。因此新型的调制策略具有更高的经济性和应用价值。

模块化多电平矩阵变换器输入侧的无源控制策略

模块化多电平矩阵变换器(M3C)在风力发电中具有突出优势,可实现从低频交流电到工频交流电的AC/AC变换。为了解决比例-积分(PI)控制调节参数多、谐波含量高等问题,文中依据无源控制理论,分析了M3C输入侧数学模型的无源性及稳定性,提出其无源控制策略。通过MATLAB/Simulink建模仿真,验证了所提无源控制策略的正确性和优越性,并且模拟了输入侧频率变化、输出侧负载变化时,通过无源控制策略实现M3C的变频及变负载运行。相比于PI控制,所提无源控制响应更快、调节参数更少、谐波含量更低,整体控制效果更好。

不平衡电网下基于无源控制的MMC-UPQC电能质量综合治理研究

基于模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)的统一电能质量调节器(unified power quality conditioner,UPQC)可用于高电压下电压电流的电能质量综合治理,但当电网电压不平衡时,电流电压相位和幅值发生变化,给综合治理带来困难。将无源控制方法应用到MMC-UPQC中,以解决电网电压不平衡下的电能质量问题。首先,根据MMC-UPQC的拓扑结构,建立其在不平衡电网下的数学模型;然后,根据正负序分离方法,对检测量进行无需锁相环的分离;接着基于无源控制理论,搭建基于E-L模型的无源控制器,并将其应用到多电平、高电压的电能质量补偿系统中;最后,利用串联侧补偿电压和并联侧补偿电流的原理,通过协调控制综合解决不平衡状态下的电网电能质量问题。Matlab/Simulink平台实验结果发现基于所提无源控制器的MMC-UPQC系统响应时间小于0.05 s且总谐波失真度小于5%,验证了其解决电能质量综合治理问题的有效性和优越性。

基于动态转矩滞环的TLDMC-PMSM直接转矩控制

针对矩阵变换器永磁同步电机直接转矩控制系统中定子磁链在扇区分界处出现磁链畸变、幅值失调的现象,提出一种基于动态转矩滞环比较器的三电平直接矩阵变换器永磁同步电机直接转矩控制方法。首先阐述传统矩阵变换器直接转矩控制的原理;其次,分析低速下定子磁链幅值失调的问题,提出动态转矩滞环的方法;然后,为进一步降低转矩脉动和共模电压,将所提方法应用于三电平直接矩阵变换器,并推导出新的开关表;最后,通过Matlab/Simulink仿真软件和硬件实验平台验证所提方法的可行性和优越性。与传统矩阵变换器直接转矩控制方法相比,所提的控制方法对转矩和磁链控制性能有较大提升。

改进型准Z源三电平逆变器建模分析

针对传统Z源逆变器(Z-source inverter, ZSI)电容电压应力大和升压能力不足等缺陷,提出了一种改进型准Z源逆变器(quasi ZSI, QZSI)拓扑结构。首先,对改进型Z源三电平逆变器的稳态工作原理进行深入分析,得到直流链输出电压和电容电压表达式,并与传统Z源三电平逆变器进行对比。理论推导出改进型Z源网络的无源参数,结合改进简单升压控制策略,说明改进型Z源逆变器整体升压能力。最后,通过在Matlab软件仿真和硬件平台上实验结果验证了改进型Z源逆变器具有良好的升压能力,降低电容电压应力以及抑制启动冲击效果。相比于传统的Z源逆变器,提出的改进型Z源逆变器具有电容电压的应力更小、输出电压的升压更高、电感电流的冲击更小等优点。

基于MMC的PET中间隔离级DC-DC变换器的新型模型预测控制策略

针对三级式电力电子变压器(power electronic transformer,PET)中间隔离级DC-DC变换器双侧的模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)控制存在的问题,提出了基于价值函数独立的模型预测控制(model predictive control,MPC)的MMC控制方法,对多个控制目标分别建立独立的价值函数,无须配置MPC中价值函数的权重,解决了价值函数的权重配置难问题,且减小了MPC的计算量。另外,针对现有的三级式PET中间隔离级的DC-DC变流器可靠性低、灵活度差、适应范围较小等问题,设计了基于MMC的PET中间隔离级DC-DC变换器拓扑,通过采用双高频变压器的结构,提高了供电的灵活性,实现了PET不间断供电能力。最后搭建系统模型平台,并通过实验验证了所提控制策略的正确性和有效性。