[发明专利]一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置及方法

权利要求书

1.一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，该协调控制装置由MMC型统一电能质量调节器与协调控制器相连组成；其中，

MMC型统一电能质量调节器包括串联耦合变压器、串联侧MMC和并联侧MMC；

中压交流配电网系统通过交流母线与串联耦合变压器相连；

中压交流配电网系统经交流母线后通过信号线与协调控制器相连；

串联侧MMC与串联耦合变压器相连；

串联侧MMC和并联侧MMC通过公共直流母线相连；

并联侧MMC与负荷相连；

协调控制器通过光纤分别与串联侧MMC和并联侧MMC相连；

负荷通过信号线与协调控制器相连。

2.根据权利要求1所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，串联侧MMC由三个相同的第一上桥臂、第二上桥臂和第三上桥臂以及三个相同的第一下桥臂、第二下桥臂和第三下桥臂组成；其中，

第一上桥臂与第一下桥臂相连后接交流电a相；

第二上桥臂与第二下桥臂相连后接交流电b相；

第三上桥臂与第三下桥臂相连后接交流电c相；

并联侧MMC由三个相同的第四上桥臂、第五上桥臂和第六上桥臂，以及三个相同的第四下桥臂、第五下桥臂和第六下桥臂组成；其中，

第四上桥臂与第四下桥臂相连后接交流电a相；

第五上桥臂与第五下桥臂相连后接交流电b相；

第六上桥臂与第六下桥臂相连后接交流电c相。

3.根据权利要求2所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，第一上桥臂、第二上桥臂、第三上桥臂、第一下桥臂、第二下桥臂、第三下桥臂、第四上桥臂、第五上桥臂、第六上桥臂、第四下桥臂、第五下桥臂、第六下桥臂结构相同，均由子模块与桥臂电抗串联而成，上桥臂和下桥臂用来在接入与切除子模块时拟合出期望的交流输出电流。

4.根据权利要求3所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，子模块由第一IGBT、第一二极管、第二IGBT、第二二极管和子模块电容组成；其中，

子模块电容分别与第一IGBT、第二IGBT、第一二极管和第二二极管分别相连；

第一IGBT和第二IGBT串联；

第一二极管反相与第二IGBT并联；

第二二极管反相与第二IGBT并联。

5.根据权利要求1所述一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制装置，其特征在于，所述协调控制器由直流电压偏差量生成模块、外环PI调节模块、限流模块、并联侧MMC参考电压生成模块、串联侧MMC参考电压生成模块、底层三相PWM调制模块以及锁相环模块组成；其中，

直流电压偏差量生成模块与外环PI调节模块和MMC型统一电能质量调节器相连；

限流模块分别与外环PI调节模块、并联侧MMC参考电压生成模块以及负荷侧相连；

并联侧MMC参考电压生成模块分别与锁相环模块、串联侧MMC参考电压生成模块、底层三相PWM调制模块、直流电压偏差量生成模块、负荷侧和MMC型统一电能质量调节器相连；

底层三相PWM调制模块分别与MMC型统一电能质量调节器和串联侧MMC参考电压生成模块相连；

串联侧MMC参考电压生成模块分别与锁相环模块、中压交流配电网系统侧和负荷侧相连；

锁相环模块与中压交流配电网系统侧相连。

6.一种MMC型统一电能质量调节器的协调控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

步骤1：协调控制器进行初始化，初始化后限流模块采集负荷侧三相电流i_loada、i_loadb和i_loadc，通过傅里叶变换分解得出负荷侧三相电流中基波分量的有效值I_load1，根据串联耦合变压器二次侧允许通过的最大电流I_{s2_max}和串联耦合变压器变比n_T，由下式计算得到限流模块中的有功电流偏差量最大值I_pmax：

I_pmax=I_{s2_max}/n_T-I_load1；

则限流模块中有功电流偏差量的上限为+I_pmax，限流模块中有功电流偏差量的下限为-I_pmax；

步骤2：直流电压偏差量生成模块根据采集到的公共直流母线电压U_dc，以及直流母线电压参考值U_{dc_ref}，由下式计算得到直流电压偏差量ΔU_dc：

ΔU_dc=U_dc-U_{dc_ref}；

步骤3：外环PI调节模块根据直流电压偏差量生成模块提供的直流电压偏差量ΔU_dc，由下式计算得到含有直流电压信息的实际有功电流偏差量i_p：

i_p=k_pΔU_dc+k_i∫ΔU_dcdt；

其中，k_p为外环PI调节模块的比例系数，k_i为积分系数；

步骤4：限流模块接收外环PI调节模块输入的实际有功电流偏差量i_p，并根据步骤1得到的有功电流偏差量的上限+I_pmax和有功电流偏差量的下限-I_pmmx，对实际有功电流偏差量i_p进行判断，若+I_pmax≥i_p≥-I_pmax则输出的有功电流偏差量i_{p_ref}=i_p；否则，输出的有功电流偏差量i_{p_ref}=I_pmax；

步骤5：并联侧MMC参考电压生成模块接收限流模块输入的有功电流偏差量i_{p_ref}，，并根据检测到的负荷侧三相电流i_loada、i_loab和i_loadc以及并联侧MMC出口侧三相电流i_pa、i_pb、i_pc计算并联侧MMC的三相电压参考信号u_paref、u_pbref、u_pcref；串联侧MMC参考电压生成模块根据检测到中压交流配电网系统侧三相电压u_sa、u_sb和u_sc，以及中压交流配电网的额定三相电压u_Na、u_Nb和u_Nc计算串联侧MMC的三相电压参考信号u_saref、u_sbref和u_scref；

(1)并联侧MMC参考电压生成模块检测到负荷侧三相电流i_loada、i_loadb和i_loadc，通过傅里叶变换分解得出负荷侧三相电流的基波分量i_loada1、i_loadb1和i_loadc1，根据下式得到负荷侧三相电流中的补偿分量Δi_loada、Δi_loadb和Δi_loadc，

Δiloada=iloada-iloada1Δiloadb=iloadb-iloadb1Δiloadc=iloadc-iloadc1;]]>

(2)将负荷侧三相电流中的补偿分量Δi_loada、Δi_loadb、Δi_loadc进行abc-dq坐标变换，根据下式通过abc-dq坐标变换后得到负荷侧三相电流中的补偿分量Δi_loada、Δi_loadb、Δi_loadc在dq两相坐标系下的d相电流i′_d和q相电流i′_q：

id′iq′=TabcdqΔiloadaΔiloadbΔiloadc,]]>其中，Tabcdq=23sinθsin(θ-2π/3)sin(θ+2π/3)-cosθ-cos(θ-2π/3)-cos(θ+2π/3);]]>

其中，为从abc三相坐标系变换到dq两相坐标系的变换矩阵，θ是由锁相环模块根据中压交流配电网系统侧相电压u_sa、u_sb、u_sc得出的同步角度；

(3)并联侧MMC参考电压生成模块检测到并联侧MMC出口侧三相电流i_pa、i_pb和i_pc，

根据下式通过abc-dq坐标变换后得到并联侧MMC出口侧三相电流i_pa、i_pb和i_pc在dq两相坐标系下的d相电流i_d和q相电流i_q：

idiq=Tabcdqipaipbipc,]]>其中，Tabcdq=23sinθsin(θ-2π/3)sin(θ+2π/3)-cosθ-cos(θ-2π/3)-cos(θ+2π/3);]]>

其中，为从abc三相坐标系变换到dq两相坐标系的变换矩阵；

(4)并联侧MMC参考电压生成模块检测到负荷侧三相电压u_loada、u_loadb和u_loadc，

根据下式通过abc-dq坐标变换后得到负荷侧三相电压u_loada、u_loadb和u_loadc在dq两相坐标系下的d相电压u_d和q相电压u_q：

uduq=Tabcdquloadauloadbuloabc,]]>其中，Tabcdq=23sinθsin(θ-2π/3)sin(θ+2π/3)-cosθ-cos(θ-2π/3)-cos(θ+2π/3);]]>

其中，为从abc三相坐标系变换到dq两相坐标系的变换矩阵，θ是由锁相环模块根据中压交流配电网系统侧相电压u_sa、u_sb和u_sc得出的同步角度；

(5)并联侧MMC参考电压生成模块将根据步骤3中计算得到含有直流电压信息的实际有功电流偏差量i_p，负荷侧三相电压u_loada、u_loadb和u_loadc变换得到的d相电压u_d和q相电压u_q，并联侧MMC出口侧三相电流i_pa、i_pb、i_pc变换得到的d相电流i_d和q相电流i_q，以及负荷侧三相电流中的补偿分量Δi_loada、Δi_loadb、Δi_loadc的d相电流i′_d和q相电流i′_q，

根据下式得到并联侧MMC的三相电压参考信号u_paref、u_pbref和u_pcref，

uparefupbrefupcref=Tdqabcud-kp1(id′+ip-id)-ki1∫(id′+ip-id)dt+ωLiqud-kp2(id′-iq)-ki2∫(id′-iq)dt+ωLid,]]>其中，Tdqabc=sinθ-cossin(θ-2π/3)-cos(θ-2π/3)cos(θ+2π/3)cos(θ+2π/3),]]>

其中，为从dq两相坐标系变换到abc三相坐标系的变换矩阵，t为时间；θ是由锁相环模块根据中压交流配电网系统侧相电压u_sa、u_sb和u_sc得出的同步角度，k_p1，k_p2为比例系数，k_i1，k_i2为积分系数，L为桥臂电抗值；

(6)串联侧MMC参考电压生成模块根据检测到中压交流配电网系统侧三相电压u_sa、u_sb和u_sc，以及中压交流配电网的额定三相电压u_Na、u_Nb和u_Nc，

根据下式得到中压交流配电网系统侧三相暂降电压偏差量Δu_sa、Δu_sb和Δu_sc，

Δusa=usa-uNaΔusb=usb-uNbΔusc=usc-uNc;]]>

(7)串联侧MMC参考电压生成模块将中压交流配电网系统侧三相暂降电压偏差量Δu_sa、Δu_sb、Δu_sc进行abc-dq坐标变换，

根据下式通过abc-dq坐标变换后得到中压交流配电网系统侧三相暂降电压偏差量Δu_sa、Δu_sb和Δu_sc在dq两相坐标系下的d相电压u_dref和q相电压u_qref：

udrefuqref=TabcdqΔusaΔusbΔusc,]]>其中，Tabcdq=23sinθsin(θ-2π/3)sin(θ+2π/3)-cosθ-cos(θ-2π/3)-cos(θ+2π/3);]]>

其中，为从abc三相坐标系变换到dq两相坐标系的变换矩阵；

(8)串联侧MMC参考电压生成模块检测到中压交流配电网系统侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc，以及负荷侧三相电压u_loada、u_loadb、u_loadc，

根据下式得到中压交流配电网系统侧与负荷侧之间的三相电压偏差量Δu`<sub>sa</sub>、Δu`_sb和Δu`_sc，

Δusa′=usa-uNaΔusb′=usb-uNbΔusc′=usc-uNc,]]>

(9)串联侧MMC参考电压生成模块将中压交流配电网系统侧与负荷侧之间的三相电压偏差量Δu`<sub>sa</sub>、Δu`_sb和Δu`<sub>sc</sub>，根据下式通过abc-dq坐标变换后得到中压交流配电网系统侧与负荷侧之间的三相电压偏差量Δu`_sa、Δu`<sub>sb</sub>和Δu`_sc在dq两相坐标系下的d相电压u_sd和q相电压u_sq：

uduq=TabcdqΔusa′Δusb′Δusc′,]]>其中，Tabcdq=23sinθsin(θ-2π/3)sin(θ+2π/3)-cosθ-cos(θ-2π/3)-cos(θ+2π/3);]]>

其中，为从abc三相坐标系变换到dq两相坐标系的变换矩阵；

(10)串联侧MMC参考电压生成模块将中压交流配电网系统侧三相暂降电压偏差量Δu_sa、Δu_sb和Δu_sc的d相电压u_dref和q相电压u_qref，以及中压交流配电网系统侧与负荷侧之间的三相电压偏差量Δu`<sub>sa</sub>、Δu`_sb和Δu`_sc的d相电压u_sd和q相电压u_sq，根据下式通过dq-abc坐标变换后得到串联侧MMC的三相电压参考信号u_saref、u_sbref和u_scref，

uparefupbrefupcref=Tdqabcudref+kp3(udref-ud)+ki3∫(udref-ud)dtuqref+kp4(uqref-uq)+ki3∫(uqref-uq)dt,]]>其中，Tdqabc=sinθ-cosθsin(θ-2π/3)-cos(θ-2π/3)cos(θ+2π/3)cos(θ+2π/3),]]>

其中，为从dq两相坐标系变换到abc三相坐标系的变换矩阵，k_p3，k_p4为比例系数，k_i3，k_i4为积分系数，L为桥臂电抗值；

步骤6：协调控制器底层三相PWM调制模块接收并联侧MMC参考电压生成模块和串联侧MMC参考电压生成模块输入的三相电压参考信号u_paref、u_pbref、u_pcref、u_saref、u_sbref和u_scref，按照三相载波移相PWM调制方法计算得到MMC型统一电能质量调节器的并联侧MMC和串联侧MMC所有桥臂的所有子模块IGBT的触发信号；

步骤7：MMC型统一电能质量调节器的并联侧MMC和串联侧MMC根据协调控制器底层三相PWM调制模块输入的触发信号，分别向中压交流配电网系统侧和负荷侧输出三相补偿电流值i_c(abc)和三相补偿电压值u_c(abc)；

步骤8：协调控制器串联侧MMC参考电压生成模块采集到的中压交流配电网系统侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc中任意一相电压以及负荷侧对应相电压u_loada或者u_loadb或者u_loadc，通过傅里叶变换分解分别得出中压交流配电网系统侧三相电压u_sa、u_sb、u_sc中任意一相电压基波分量的有效值U_sa1或者U_sb1或者U_sc1以及负荷侧对应相电压u_loada或者u_loadb或者u_loadc的基波分量的有效值U_loada1或者U_loada2或者U_loada3，代入以下三个公式中的任意一个公式，判断中压交流配电网三相电压暂降情况：

U_loada1-U_sa1≥δ

U_loada2-U_sb1≥δ

U_loada3-U_sc1≥δ

如果满足上述公式中任意一公式，则中压交流配电网系统侧仍在发生三相电压暂降，执行步骤9；否则，中压交流配电网系统侧的三相电压暂降已经结束，执行步骤10，其中，δ为中压交流配电网的额定电压u_N(abc)的0.9倍；

步骤9：协调控制器底层三相PWM调制模块根据采集到的三相电压暂降补偿期间公共直流母线电压U_dc以及并联侧MMC与线性和非线性负载相连侧相电压u_load的最大值U_{mout_p}，由下式进行三相电压暂降补偿期间公共直流母线电压降低情况的判断：

U_dc≥2*U_{mout_p}

如果三相电压暂降补偿期间公共直流母线电压U_dc满足上式，判断三相电压暂降补偿期间公共直流母线电压U_dc超过设定值，执行步骤10；否则，判断三相电压暂降补偿期间公共直流母线电压U_dc未超过设定值，执行步骤8；

步骤10：协调控制器底层三相PWM调制模块停止向MMC型统一电能质量调节器中输入触发信号，MMC型统一电能质量调节器的并联侧MMC和串联侧MMC不再向中压交流配电网系统侧和负荷侧输出三相补偿电流值i_c(abc)和三相补偿电压值u_c(abc)，MMC型统一电能质量调节器和协调控制器退出运行。