【《变压器MMC控制方法研究及运行仿真分析案例》2500字】

变压器MMC控制方法研究及运行仿真分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u7920变压器MMC控制方法研究及运行仿真分析案例 118811.1MMC数学模型的建立 1130461.2MMC控制策略研究 3209941.2.1调制策略研究 3240351.2.2均压控制 5212821.3运行仿真 6MMC作为变压器三级中的第一级，它的输出将直接作为隔离级的输入，因此MMC控制效果的好坏将直接影响总的输出结果。本章首先建立了输入整流级MMC的数学模型，简单介绍了几种调制策略，在各种调制方法中选择了载波移相调制（CPS-SPWM）作为研究对象，详细介绍了调制原理并在调制的基础上对电容电压进行均压控制最后在MATLAB/SIMULINK中搭建模型进行仿真。1.1MMC数学模型的建立数学模型是\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%A6%E6%A8%A1%E5%9E%8B/_blank"运用\t"/item/%E6%95%B0%E5%AD%A6%E6%A8%A1%E5%9E%8B/_blank"数理逻辑方法和数学语言建构的科学或工程模型REF_Ref5556\h[25]。在对系统进行深入研究并进行控制之前，建立系统的数学模型是实现该目标的基础。由于子模块在投入时的输出电压为，在切除时输出电压为0，因此通过控制MMC桥臂中子模块的投入和切除，使各桥臂子模块的投入总个数不变，就可以使MMC直流输出侧电压保持不变。由于MMC的a、b、c三相的工作原理和组成结构完全相同，因此选取任意一相进行研究即可，下面选择a相进行研究分析REF_Ref5867\h[26]。下REF_Ref25616\h图1.1（a）所示为MMC单相（a相）拓扑结构图，REF_Ref25616\h图1.1（ｂ）为等效电路。（a）单相拓扑结构（b）等效电路图1.SEQ图\*ARABIC\s11MMC拓扑结构图上图中，为a相上桥臂电压，为下桥臂电压，上桥臂电流为，下桥臂电流为，由等效电路图结合基尔霍夫定律可以得电压方程：（1.1）（1.2）（ia为交流测电流）（1.3）得（1.4）设虚拟电动势，，整理（1.1）~（1.3）得到（1.5）由于模块化多电平变换器的a、b、c三相在结构和原理上完全相同，公式（1.5）的推导过程也完全适用于另外两相，因此可以写出其他两相的电压电流外部特性，进而得到表示MMC外部运行特性的三相数学模型：（1.6）1.2MMC控制策略研究1.2.1调制策略研究根据之前的学习我们可以知道，所有跟IGBT相关的系统结构都离不开调制过程，MMC也不例外，由于其所包含众多的子模块，因此更需要通过合适的调制策略使子模块按照我们所期望的规律进行投入、切除，进而使直流侧输出理想的直流波形。目前常用的调制策略有最近电平逼近调制、载波层叠平和载波移相调制等阶梯波脉冲宽度调制以及特定次谐波消除法、空间矢量控制等调制方法，本文选择了一种特别适合于级联多电平逆变器的SPWM方法——载波移相调制策略(CPS—SPWM)REF_Ref6693\h[27]。对于由n个半桥单元SM组成的单相级联多电平整流器，每个半桥单元都采用低开关频率的SPWM调制方法，其基本原理是各桥臂n个单元的正弦调制波均相同，用n组具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度的三角载波分别进行调制，当调制波大于载波时，输出脉冲信号，从而使每个半桥单元输出的SPWM脉冲也错开一定的角度，大大增加了等效开关频率，经过叠加后，最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，通过选择合适的移相角度可以使输出电压的谐波含量大幅度减少。（a）上桥臂载波移相示意图（b）下桥臂载波移相示意图图1.SEQ图\*ARABIC\s12载波移相示意图通俗来讲，就是上桥臂所有子模块（共n个）共用一个频率为ft的正弦调制波，每一个子模块都对应一个频率fz的三角载波，fz远大于ft，相邻子模块对应的载波相角相差（载波周期为），除了相角不同外，每个三角载波的频率、幅值均相同，且当调制波大于载波时，输出高电平，由此得到一个脉冲信号。设a相上桥臂有4个子模块，从上到下分别为SM1、SM2、SM3、SM4，调制波选择频率50Hz、幅值为1、周期为0.02的正弦波，载波选择频率为200Hz幅值为1周期为0.005的正弦载波，4个子模块对应4组载波，则第二个载波与第一个载波相差，第三个与一个相差，第四个与第一个相差。每组载波对应一个子模块，一个子模块包括两个IGBT，上管和下管的脉冲信号相反，二个IGBT管交替导通。a相载波移相示意图如REF_Ref1672\h图1.2所示。对于同一相的上、下两桥臂，由于电压方向相反，因此上、下桥臂的调制波相反，每相的上、下桥臂相同位置的子模块对应的载波相位差为，其他两相载波相同，调制波相差三分之一个周期。1.2.2均压控制由于MMC为采用了子模块级联的模块化多电平变流器，尽管每个子模块的结构相同，但直流侧电容之间相互独立，互相之间没有联系，且损耗、开关、充放电时间等因素都会导致各子模块电压不平衡，直接影响到MMC直流侧信号输出，因此若想实现MMC安全稳定运行必须保证子模块电容电压平衡，为实现这一目标需要在现有的调制波基础上叠加均压控制后的电容电压修正量，以此来实现子模块电容电压的平衡。不同的调制策略对应不同的均压控制，当调制策略选择为最近电平逼近调制时，通常选用基于排序算法的控制方法来实现电压平衡，其基本工作原理为依次检测桥臂中子模块电容电压的大小并按照从大到小排列，有选择性的对电容C进行充电或者放电REF_Ref7095\h[28]；但当调制策略选择CPS-SPWM时，一般选择分级均压控制，共分为两部分，包括横向的电容电压平均控制和纵向的电容电压均衡控制REF_Ref7117\h[29]。图1.SEQ图\*ARABIC\s13横向的电容电压平均控制平均控制示意图如REF_Ref3474\h图1.3所示，包括电压外环和电流内环两个控制环节，电压外环通过公式（1.7）（1.7）可以计算出单相子模块电容电压平均值和参考值，二者作差后的差值经过PI调节器后输出作为电流内环的参考值。电流内环的反馈值是环流，通过公式（1.8）得到环流实际值，将其与电压外环得到的电流参考值作差后通过PI调节器得到横向控制下的电压补偿量。纵向电容电压均衡控制如REF_Ref23414\h图1.4是将每个子模块电容电压分别与电容电压参考值相比，差值通过P调节器后得到纵向控制下的电压补偿量。由于电流方向不同时，电容充放电工作状态不同，增加桥臂电流检测环节，当电流为正时，补偿量为正，电流为负时，补偿量为负。将纵向均衡控制和横向平均控制得到的两个补偿量共同叠加到调制波，随后进行载波移相调制，将脉冲信号输入给子模块即可实现均压控制。图1.SEQ图\*ARABIC\s14纵向的电容电压均衡控制1.3运行仿真图1.SEQ图\*ARABIC\s15输入整流级MMC仿真模型图1.SEQ图\*ARABIC\s16CPS-SPWM模块仿真模型图1.SEQ图\*ARABIC\s17电压平均控制模型图1.SEQ图\*ARABIC\s18电压均衡控制模型上REF_Ref24282\h图1.5~REF_Ref24308\h图1.8为在MATLAB中利用SIMULINK搭建的输入整流级MMC及其主要控制模块的仿真模型，控制方法选择载波移相调制（CPS-SPWM）以及电容均压控制策略。搭建模型中，子模块个数为4