CN111521946A - 级联型变流器子模块工况模拟系统及其电流控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种级联型变流器子模块工况模拟系统的控制方法,其中,所述系统包括:系统参数模型、电流发生器、待测对象、端口电压采样器、低通滤波器、电流控制器、电压控制器。所述方法通过在电流控制器内补偿前馈电压,抵消了待测对象端口的脉冲电压干扰,具体为,采样待测对象端口的电压信号,并对其进行低通滤波,将滤波后的信号补偿到电流发生器的控制器的输出端,抵消待测对象端口脉冲电压对控制器的干扰,从而抑制了待测级联型变流器中的桥臂电流畸变。通过本发明提供的级联型变流器子模块工况模拟系统以及其电流控制方法,可以较好地实现基于最近电平逼近调制的级联型变流器子模块的工况模拟。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,具体地,涉及一种级联型变流器子模块的工况模拟系统(模拟测试电路)及其电流控制方法。
背景技术
近年来,级联型变流器凭借其模块化、易扩展等特点,在中高压输电场合得到广泛的应用。随着级联型变流器容量和电压等级的不断提升,级联变流器在运行过程中可靠性的评估和检测受到了越来越广泛的关注。早期为了对级联型变流器进行可靠性的评估和检测,往往需要搭建完整的级联变流器系统,但由于级联型变流器的可靠性主要取决于级联型变流器子模块的可靠性,因此通过级联变流器子模块工况模拟测试电路来评估级联系统的可靠性,成为了更加高效且节约成本的方法。
目前,级联型变流器的调制方法主要为最近电平逼近调制法。在该调制方法下,级联型变流器子模块输出的脉冲电压具有脉冲幅值大,脉宽较宽等的特点,子模块可能会长时间的开通或关断,这使得子模块脉冲电压对电流控制器产生了较大干扰,从而使得电流控制器难以稳定地控制电流。
在传统的基于最近电平逼近调制的级联变流器子模块工况模拟测试电路中,为了消除子模块输出脉冲电压的影响,一般需要添加额外的辅助电路,并控制辅助电路与子模块协同运行,从而抵消子模块脉冲电压对电流控制器带来的干扰。但额外的控制电路增加了控制的复杂性以及模拟测试电路的制造成本。因此,亟需一种更简便,更节约成本的级联变流器子模块工况模拟系统和对应的电流控制方法。
目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道,也尚未收集到国内外类似的资料。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述问题,提出了一种级联型变流器子模块工况模拟系统及其电流控制方法。
本发明是通过以下技术方案实现的。
根据本发明的一个方面,提供了一种述级联型变流器子模块工况模拟系统,包括:
系统参数模型,根据待模拟的实际级联型变流器的桥臂电流、桥臂电压以及电容电压,向电流控制器和电压控制器输出参考电流信号和参考电压信号。
电流发生器,用于接收由电流控制器输入的开关序列,并输出工况模拟系统所需的桥臂电流;
待测对象,包括级联型变流器的逆变型待测子模块组和整流型待测子模块组,逆变型和整流型待测子模块组分别由工作在逆变状态和整流状态的若干子模块组成,并与所述电流发生器串联在工况模拟系统的主电路中,它们分别接收由电流发生器输入的桥臂电流以及由电压控制器输入的开关序列,并输出其内部子模块的电容电压信号;
电压采样器,对两待测子模块组端口的电压差信号,即节点1与节点2之间的电压差信号进行采样,并输出采样得到的电压差信号;
低通滤波器,接收由端口电压采样器输入的电压差信号,对接收到的电压差信号进行低通滤波,并将滤波后的电压差信号输给电流控制器;
电流控制器,接收由电流发生器输入的桥臂电流信号、接收由低通滤波器输入的经滤波后的两待测子模块组端口的电压差信号,即滤波后的节点1与节点2之间的电压差信号、以及接收由系统参数模型输入的参考电流信号,并通过控制器和调制器环节输出用于控制电流发生器的开关序列,使得待测系统中桥臂电流跟踪参考电流信号;
电压控制器,接收待测对象中子模块的电容电压信号、接收由电流发生器实际输入的桥臂电流信号、以及接收由系统参数模型输入的参考电压信号,并输出用于控制待测子模块的开关序列,从而使得待测对象两个子模块组中的子模块电容电压追踪参考电压信号。
优选地,所述级联型变流器子模块工况模拟系统的电压调制方法包括但不限于:最近电平逼近调制法(Nearest Level Control,NLC)以及载波移相调制法(Carrier PhaseShift-Sinusoidal Pulse Width Modulation)。
优选地,所述电流发生器包括直流电源和可控的全桥或半桥型开关电路,通过控制全桥或半桥电路的通断,进而控制工况模拟系统中的桥臂电流。
优选地,所述待测对象中,逆变型和整流型待测子模块组中所包含的子模块数目,根据实际需要在所模拟的实际级联型变流器单个桥臂的子模块总数内调整,且逆变型和整流型待测子模块组所包含的子模块数目不必相等;同时,逆变型和整流型待测对象中子模块的电路结构可选用全桥结构或半桥结构。
优选地,由于待测子模块与电流发生器的开关死区将导致电压采样器采样得到的电压信号具有高频的电压脉冲,因此,所述低通滤波器的截止频率可选为高频电压脉冲频率的1/10至1/100。
优选地,所述低通滤波器可通过模拟电路或数字电路的方式实现。
优选地,所述电流控制器中的控制方法采用比例积分谐振控制(ProportionalIntegral Resonance,PIR),调制方法采用正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse WidthModulation,SPWM)。
优选地,所述电压控制器输出开关序列的方法为:采样待测对象中所有子模块的电容电压,将电压参考信号中的电容电压参考信号与获取到的逆变型待测子模块组和整流型待测子模块组电容电压的平均值做差,将差值输入比例积分调节器(ProportionalIntegral,PI),再将比例积分调节器的输出补偿到电压参考信号中的桥臂电压参考信号,最后根据补偿后的调制电压,通过NLC(最近电平逼近调制法)或CPS-PWM(载波移相调制法)生成开关序列,以控制待测对象中所有子模块的电容电压。
根据本发明的另一个方面,提供了一种上述任意一项或任意多项级联型变流器子模块工况模拟系统的电流控制方法,通过在电流控制器内补偿前馈电压,抵消待测对象端口的脉冲电压干扰;包括:
通过电压采样器采样待测对象端口的电压差信号,即节点1与节点2之间的电压差信号,对采样得到的电压差信号进行低通滤波后,将其补偿到电流控制器的比例积分谐振调节器的输出端,抵消待测对象端口的脉冲电压对比例积分谐振调节器的干扰,从而抑制脉冲电压干扰带来的电流畸变。
优选地,根据权利要求8所述的电流控制方法,其特征在于,在电流控制器内补偿前馈电压,抵消测对象的脉冲电压干扰的方法中,其控制过程表达式为:
式中,为流入子模块的桥臂电流参考值,iarm为桥臂电流信号,Δi为桥臂电流参考值与桥臂电流信号的差值,uPIR为比例积分谐振调节器的输出值,u'DUT为经低通滤波后的待测对象两端的电压信号,um为电流发生器的调制电压,ω1为电流频率一,ω2电流频率二,KPi为电流控制器的比例控制系数,KIi为电流控制器的积分控制系数,Kri1为电流控制器对应电流频率一的谐振控制系数,Kri2为电流控制器对应电流频率二的谐振控制系数。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供的级联型变流器子模块工况模拟系统及其电流控制方法,直接通过补偿前馈电压的方式,抵消了子模块脉冲电压对电流控制器的干扰,无需增加额外的辅助电路,从而降低了控制的复杂性,节约了模拟电路的制造成本,是极具价值的技术改进。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明一优选实施例中所提供的级联型变流器子模块的工况模拟系统的结构示意图;
图2为本发明一优选实施例中所提供的级联型变流器子模块的工况模拟系统中主电路的拓扑结构示意图;
图3为本发明一优选实施例中所提供的级联型变流器子模块的工况模拟系统中电流控制器的示意性框图;
图4为本发明一优选实施例中所提供的级联型变流器子模块的工况模拟系统的电流控制环路框图;
图5为本发明一优选实施例中所提供的级联型变流器子模块的工况模拟系统中电压控制器的示意性框图;
图中:1-电流发生器;2-待测对象;3-电流控制器;4-端口电压采样器;5-低通滤波器;6-电压控制器;7-系统参数模型。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供了一种级联型变流器子模块工况模拟系统。如图1所示,为本发明实施例中所搭建的级联型变流器子模块的工况模拟系统(简称模拟测试电路)的结构示意图。包括:
系统参数模型7,根据待模拟的实际级联型变流器的桥臂电流、桥臂电压以及电容电压,向电流控制器和电压控制器输出参考电流信号和参考电压信号。
电流发生器1,用于接收由电流控制器输入的开关序列,并输出工况模拟系统所需的桥臂电流;
待测对象2,包括级联型变流器的逆变型待测子模块组和整流型待测子模块组,逆变型和整流型待测子模块组分别由工作在逆变状态和整流状态的若干子模块组成,并与所述电流发生器串联在工况模拟系统的主电路中,它们分别接收由电流发生器输入的桥臂电流以及由电压控制器输入的开关序列,并输出其内部子模块的电容电压信号;
端口电压采样器4,对两待测子模块组端口的电压差信号进行采样,并输出采样得到的电压差信号;
低通滤波器5,接收由端口电压采样器输入的电压差信号,对接收到的电压差信号进行低通滤波,并将滤波后的电压差信号输给电流控制器;
电流控制器3,接收由电流发生器输入的桥臂电流信号、由低通滤波器输入的滤波后的电压差信号,以及由系统参数模型输入的参考电流信号,并通过控制器和调制器环节输出用于控制电流发生器的开关序列,使得待测系统中桥臂电流跟踪参考电流信号;
电压控制器6,接收待测对象中子模块的电容电压信号、由电流发生器实际输入的桥臂电流信号以及由系统参数模型输入的参考电压信号,并输出用于控制待测子模块的开关序列,从而使得待测对象两个子模块组中的子模块电容电压追踪参考电压信号。
进一步地,所述级联型变流器子模块工况模拟系统的电压调制方法包括但不限于:最近电平逼近调制法(Nearest Level Control,NLC)以及载波移相调制法(CarrierPhase Shift-Pulse Width Modulation,CPS-PWM)。
进一步地,电流控制器接收电流参考信号、桥臂电流信号以及经过低通滤波后的待测子模块组两端的电压差信号,输出开关序列,以控制电流发生器输出所需的电流。从而使得工况模拟系统中的桥臂电流与所模拟的实际级联型变流器系统中的桥臂电流相同。
进一步地,电流控制器,其具体的工作过程为,电流控制器将读取到的桥臂参考电流信号与采样得到的工况模拟系统中的桥臂电流信号的差值输入比例积分谐振(Proportional Integral Resonance,PIR)控制器,再将读取到的经低通滤波后的待测子模块组两端的电压信号补偿到比例积分谐振控制器的输出端,最后根据补偿后的调制电压,通过SPWM调制生成对应的开关序列,以控制电流发生器。
进一步地,电压控制器接收待测子模块组的电容电压信号、桥臂电流信号以及所模拟的系统的电容电压参考值和桥臂电压参考值,基于最近电平逼近调制法,输出待测子模块的开关信号。
进一步地,电压控制器,其具体工作过程为采样待测对象中所有子模块的电容电压信号,并将其输入到电压控制器。在电压控制器内,将电容电压参考值与读取到的逆变和整流型待测子模块组电容电压的平均值做差,将差值输入比例积分调节器,再将比例积分调节器的输出补偿到桥臂电压参考值,最后根据补偿后的调制电压,通过最近电平逼近的调制方法生成开关序列,以控制待测对象中的子模块。
进一步地,电流发生器包括直流电源和可控的全桥或半桥型开关电路,通过控制全桥或半桥电路的通断,来控制工况模拟系统中的桥臂电流。
进一步地,测对象由逆变型待测子模块组和整流型待测子模块组组成,两个待测子模块组又分别由若干工作在逆变和整流状态下的待测子模块组成。
进一步地,系统参数模拟根据实际级联型变流器的桥臂电流,桥臂电压以及电容电压,给定级联型变流器工况模拟系统的参考电流和参考电压。
本实施例中,所搭建的工况模拟系统用于模拟实际级联型变流器中子模块的工作状况,使得工况模拟系统中待测子模块(即待测对象)的电气特性与实际级联型变流器中的子模块相同,从而可以通过所搭建的工况模拟系统来评估实际级联型变流器中子模块的工况。
本实施例中,所提供的级联型变流器子模块的工况模拟系统的电压调制方法可采用但不限于最近电平逼近调制法(Nearest Level Control,NLC),可模拟但不限于的级联变流器,所模拟的子模块结构包括但不限于半桥、全桥型模块化多电平变流器(ModularMultilevel Converter,MMC)以及级联H桥型变流器(Cascaded H-Bridge Converter,CHB)。
在本实施例中,电压控制器接收待测对象的电容电压信号、桥臂电流信号以及所模拟的系统的电容电压参考值和桥臂电压参考值,基于最近电平逼近调制法,输出待测对象的开关信号。
具体地,采样待测对象2中所有子模块的电容电压信号,并将其输入到电压控制器6。如图5所示,在电压控制器内,将电容电压参考值与读取到逆变型和整流型待测子模块组电容电压的平均值做差,将差值输入比例积分调节器,再将比例积分调节器的输出补偿到桥臂电压参考值,最后通过最近电平逼近的调制方法控制待测对象2,个控制过程可用公式表达为:
对应整流型待测子模块组的公式为:
其中,n为待测对象中所有子模块的数量,ucinv_i与ucrec_i分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中的第i个子模块的电容电压信号,与分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中i个子模块电容电压信号的平均值,与分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中子模块电容电压参考值,Δuinv与Δurec分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中电容电压参考值与子模块电容电压信号平均值的差值,uPI_inv与uPI_rec分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中比例积分调节器的输出信号,与分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中的桥臂电压参考值,um_inv与um_rec分别为逆变型待测子模块组与整流型待测子模块组中用于最近电平逼近的调制电压值,KPu为电压控制器的比例控制系数,KIu为电压控制器的积分控系数。需要说明的是,之所以需要将所模拟系统电容电压参考值与待测对象电容电压的差值,经比例积分调节器补偿到桥臂电压参考值,是因为在工况模拟系统运行过程中,子模块电压在一个周期内的充放电总量可能不完全相等,这会使得子模块的电容电压均值持续上升或下降,因此,需要补偿电容电压与参考电容电压的偏差值,以稳定子模块的电容电压。
基于本发明实施例所提供的级联型变流器子模块工况模拟系统,本发明实施例同时提供了一种上述级联型变流器子模块工况模拟系统的电流控制方法,通过对电流控制器补偿前馈电压的方法,抵消待测对象的脉冲电压干扰;
所述补偿前馈电压以抵消电压干扰的方法包括,读取级联变流器子模块工况模拟系统待测子模块组两端的电压信号,对采样得到的电压信号进行低通滤波后,将其补偿到电流控制器的比例积分谐振调节器的输出端,抵消了待测子模块组两端脉冲电压对比例积分谐振调节器的干扰,从而抑制了脉冲电压干扰带来的电流畸变。
所述补偿前馈电压以抵消电压干扰的方法,可应用于,但不局限于最近电平逼近调制法。在级联型变流器子模块工况模拟系统采用最近电平逼近调制法时,开关死区会导致待测子模块组两端的电压信号产生高频的电压脉冲,这类高频脉冲的脉宽极窄对电流控制器的干扰很小,但如果将这些高频的电压脉冲采样并补偿到电流控制器,反而会由于补偿的高频脉冲电压与实际高频脉冲电压存在的延时,而对电流控制器造成更大的干扰,因此在采样得到待测子模块组两端电压后,通过低通滤波器对采样得到的信号进行低通滤波,从而在补偿电压内消除高频脉冲电压。
具体地,电压采样器4采样了待测对象端口之间,即图2中节点1与节点2之间的电压信号,并将采样所得到的电压信号输入低通滤波器5进行滤波,再将滤波后的电压信号补偿到电流控制器中比例积分谐振控制器的输出端,最后根据补偿后的控制器信号进行正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)输出相应的开关序列,用于控制电流发生器1。整个控制过程可用公式表达为:
其中,为流入子模块的桥臂电流参考值,iarm为桥臂电流信号,Δi为桥臂电流参考值与桥臂电流信号的差值,uPIR为比例积分谐振调节器的输出值,u'DUT为经低通滤波后的待测对象两端的电压信号,um为电流发生器的调制电压,ω1为电流频率一,ω2电流频率二,KPi为电流控制器的比例控制系数,KIi为电流控制器的积分控制系数,Kri1为电流控制器的对应电流频率一的谐振控制系数,Kri2为电流控制器的对应电力频率二的谐振控制系数。
整个桥臂电流控制环路的框图如图4所示,可以明显看出再加入补偿电压后,待测对象两端脉冲电压对电流控制环的影响被补偿电压抵消,因此可以抑制脉冲电压的干扰,从而稳定追踪参考电流。这里需要说明的是,之所以需要对采样得到的待测对象两端电压信号进行低通滤波,是因为两端电压可能存在高频的电压脉冲,这类脉冲的脉宽极窄对电流控制器的干扰很小,但如果将这些高频的电压脉冲采样并补偿到电流控制器,反而会由于补偿的高频脉冲电压与实际高频脉冲电压存在的延时(延时大小由电压采样器的采样频率决定),而对电流控制器造成更大的干扰,因此需要对采样得到待测对象两端脉冲电压进行低通滤波。
相较与现有的在级联型变流器子模块工况模拟系统中应用的电流控制方法,本发明上述实施例提供的电流控制方法,直接通过补偿前馈电压的方法,抵消了子模块脉冲电压对电流控制器的干扰,无需增加额外的辅助电路,从而降低了控制的复杂性,节约了工况模拟系统的制造成本,是极具价值的技术改进。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。
Claims (10)
1.一种级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,包括:
系统参数模型,根据待模拟的实际级联型变流器的桥臂电流、桥臂电压以及电容电压,向电流控制器和电压控制器输出参考电流信号和参考电压信号。
电流发生器,用于接收由电流控制器输入的开关序列,并输出工况模拟系统所需的桥臂电流;
待测对象,包括级联型变流器的逆变型待测子模块组和整流型待测子模块组,逆变型和整流型待测子模块组分别由工作在逆变状态和整流状态的若干子模块组成,并与所述电流发生器串联在工况模拟系统的主电路中,它们分别接收由电流发生器输入的桥臂电流以及由电压控制器输入的开关序列,并输出其内部子模块的电容电压信号;
端口电压采样器,对两待测子模块组端口的电压差信号进行采样,并输出采样得到的电压差信号;
低通滤波器,接收由端口电压采样器输入的电压差信号,对接收到的电压差信号进行低通滤波,并将滤波后的电压差信号输给电流控制器;
电流控制器,接收由电流发生器输入的桥臂电流信号、由低通滤波器输入的滤波后的电压差信号,以及由系统参数模型输入的参考电流信号,并通过控制器和调制器环节输出用于控制电流发生器的开关序列,使得待测系统中桥臂电流跟踪参考电流信号;
电压控制器,接收待测对象中子模块的电容电压信号、由电流发生器实际输入的桥臂电流信号以及由系统参数模型输入的参考电压信号,并输出用于控制待测子模块的开关序列,从而使得待测对象两个子模块组中的子模块电容电压追踪参考电压信号。
2.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述级联型变流器子模块工况模拟系统的电压调制方法包括:最近电平逼近调制法以及载波移相调制法。
3.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述电流发生器包括直流电源和可控的全桥或半桥型开关电路,通过控制全桥或半桥电路的通断,进而控制工况模拟系统中的桥臂电流。
4.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述待测对象中,逆变型和整流型待测子模块组中所包含的子模块数目,根据实际需要在所模拟的实际级联型变流器单个桥臂的子模块总数内调整;和/或
逆变型和整流型待测对象中子模块的电路结构选用全桥结构或半桥结构。
5.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述低通滤波器的截止频率选为高频电压脉冲频率的1/10至1/100。
6.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述低通滤波器通过模拟电路或数字电路的方式实现。
7.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述电流控制器中的控制方法采用比例积分谐振控制,调制方法采用正弦脉宽调制。
8.根据权利要求1所述的级联型变流器子模块工况模拟系统,其特征在于,所述电压控制器输出开关序列的方法为:
采样待测对象中所有子模块的电容电压,将电压参考信号中的电容电压参考信号与获取到的逆变型待测子模块组和整流型待测子模块组电容电压的平均值做差,将差值输入比例积分调节器,再将比例积分调节器的输出补偿到电压参考信号中的桥臂电压参考信号,最后根据补偿后的调制电压,通过最近电平逼近调制法或载波移相调制法生成开关序列,以控制待测对象中所有子模块的电容电压。
9.一种级联型变流器子模块工况模拟系统的电流控制方法,其特征在于,通过在电流控制器内补偿前馈电压,抵消待测对象端口的脉冲电压干扰;包括:
通过电压采样器采样待测对象端口的电压差信号,对采样得到的电压差信号进行低通滤波后,将其补偿到电流控制器的比例积分谐振调节器的输出端,抵消待测对象端口的脉冲电压对比例积分谐振调节器的干扰,从而抑制脉冲电压干扰带来的电流畸变。
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