基于微分平滑理论的MMC电容电压波动无源一致性控制方法

薛花; 扈曾辉; 陈程; 王育飞; 杨兴武

doi:10.7500/AEPS20210618002

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于微分平滑理论的MMC电容电压波动无源一致性控制方法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 基于微分平滑理论的MMC电容电压波动无源一致性控制方法
- Passivity-Consensus Based Control Method for Capacitor Voltage Fluctuation Suppression of Modular Multilevel Converter Based on Differential Flatness Theory
- 电力系统自动化 2022年46卷第9期页码：158-170
- 作者机构：
  
  上海电力大学电气工程学院，上海市 200090
- 作者简介：
  
  薛花(1979—)，女，通信作者，博士，副教授，主要研究方向：大功率新能源并网逆变技术、非线性理论与控制方法。E-mail：xuehua@shiep.edu.cn
  扈曾辉(1995—)，男，硕士研究生，主要研究方向：模块化多电平变换器控制技术、新能源并网逆变技术。
  陈程(1996—)，男，硕士研究生，主要研究方向：电力变换应用技术、电能质量分析与控制。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(51007053);上海市科技创新行动计划资助项目(19DZ2204700)
- DOI：10.7500/AEPS20210618002
  中图分类号：
- 收稿：2021-06-18，
  
  修回：2021-11-15，
  
  网络出版：2022-03-21，
  
  纸质出版：2022-05-10
- 稿件说明：
移动端阅览
薛花,扈曾辉,陈程等.基于微分平滑理论的MMC电容电压波动无源一致性控制方法[J].电力系统自动化,2022,46(9):158-170.

XUE Hua,HU Zenghui,CHEN Cheng,et al.Passivity-Consensus Based Control Method for Capacitor Voltage Fluctuation Suppression of Modular Multilevel Converter Based on Differential Flatness Theory[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(9):158-170.
薛花,扈曾辉,陈程等.基于微分平滑理论的MMC电容电压波动无源一致性控制方法[J].电力系统自动化,2022,46(9):158-170. DOI： 10.7500/AEPS20210618002.

XUE Hua,HU Zenghui,CHEN Cheng,et al.Passivity-Consensus Based Control Method for Capacitor Voltage Fluctuation Suppression of Modular Multilevel Converter Based on Differential Flatness Theory[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(9):158-170. DOI： 10.7500/AEPS20210618002.

摘要

以模块化多电平换流器(MMC)电容电压波动抑制为目标，设计了微分平滑控制律，通过构建电容电压波动与注入环流间的非线性平滑映射关系，实现存在不确定性输入干扰或未建模误差情况下注入环流期望轨迹的快速准确求取，解决了数值解析法计算复杂的问题。为实现注入环流期望轨迹快速跟踪，设计了形式简单的无源性控制律，以最小内部能耗满足子模块电容电压波动抑制需求；为提升三相电容电压跟踪同步性，将相邻相的注入环流期望轨迹跟踪误差作为状态误差引入无源性控制律，提出了无源一致性控制方法，实现MMC电容电压波动抑制和三相电容电压均衡双目标，同时确保闭环控制系统全局渐近稳定。基于MATLAB/Simulink仿真结果和基于dSPACE的实验结果验证了所提方法具有计算量小、稳定域宽、鲁棒性强、同步性好的特点。

Abstract

In order to suppress the capacitor voltage fluctuation of the modular multilevel converter (MMC)

the differential flatness based control law is designed. The nonlinear flatness mapping relationship between the capacitor voltage fluctuation and the injected circulating current is constructed to achieve the fast and accurate desired trajectories of the injected circulating currents with the uncertain input interference and unmodeled errors

which solves the complicated calculation problem of the numerical analysis method. The simple passivity-based control law is adopted to realize the fast tracking of the desired trajectories of the injected circulating current. The requirement of submodule capacitor voltage fluctuation suppression can be met with the minimum internal energy consumption. To improve the synchronization of three-phase capacitor voltages

the desired trajectory tracking error of the injected circulating current of adjacent phase is introduced in the passivity-based control law as a state error. The passivity-consensus based control method is proposed to simultaneously achieve two goals of capacitor voltage fluctuation suppression and the balance of three-phase capacitor voltages of the MMC

while the global gradual stability of the closed-loop control system is guaranteed. The simulation results based on MATLAB/Simulink and the experimental results based on dSPACE verify that the proposed method has the characteristics of small calculation amount

wide stability domain

strong robustness and good synchronization.

关键词

Keywords

references

唐英杰，张哲任，徐政 . 有源型模块化多电平换流器桥臂全状态平均值仿真模型［J/OL］. 电力系统自动化： 1 - 14 ［ 2021-06-10 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210609.1334.004.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210609.1334.004.html .

TANG Yingjie ， ZHANG Zheren ， XU Zheng . Full-state arm average value model for simulation of active modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems： 1 - 14 ［ 2021-06-10 ］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210609.1334.004.html http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20210609.1334.004.html .

WANG Z ， PENG L . Grouping capacitor voltage estimation and fault diagnosis with capacitance self-updating in modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2021 ， 36 （ 2 ）： 1532 - 1543 .

董鹏，蔡旭，吕敬 . 大幅减小子模块电容容值的MMC优化方法［J］. 中国电机工程学报， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5369 - 5380 .

DONG Peng ， CAI Xu ， LÜ Jing . Optimized method of MMC for greatly reducing the capacitance of the submodules ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2018 ， 38 （ 18 ）： 5369 - 5380 .

WANG J ， HAN X ， MA H ， et al . Analysis and injection control of circulating current for modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2019 ， 66 （ 3 ）： 2280 - 2290 .

POU J ， CEBALLOS S ， KONSTANTINOU G ， et al . Circulating current injection methods based on instantaneous information for the modular multilevel converter ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2015 ， 62 （ 2 ）： 777 - 788 .

WANG H ， SU M ， SUN Y ， et al . Active third-harmonic injection indirect matrix converter with dual three-phase outputs ［J］. IET Power Electronics ， 2016 ， 9 （ 4 ）： 657 - 668 .

YANG L M ， LI Y H ， LI Z X ， et al . Loss optimization of MMC by second-order harmonic circulating current injection ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 7 ）： 5739 - 5753 .

KOLLURI S ， GORLA N B Y ， PANDA S K . Capacitor voltage ripple suppression in a modular multilevel converter using frequency-adaptive spatial repetitive-based circulating current controller ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 9 ）： 9839 - 9849 .

杨兴武，杨帆，薛花，等 . 基于占空比调制的模块化多电平换流器模型预测控制［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 17 ）： 134 - 142 .

YANG Xingwu ， YANG Fan ， XUE Hua ， et al . Duty-cycle modulation based model predictive control of modular multilevel converter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 17 ）： 134 - 142 .

SAKINCI Ö C ， BEERTEN J . Equivalent multiple dq -frame model of the MMC using dynamic phasor theory in the αβz -frame ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 2916 - 2927 .

TU Q R ， XU Z ， XU L . Reduced switching-frequency modulation and circulating current suppression for modular multilevel converters ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2011 ， 26 （ 3 ）： 2009 - 2017 .

PANG S Z ， NAHID-MOBARAKEH B ， HASHJIN S A ， et al . Stability improvement of cascaded power conversion systems based on Hamiltonian energy control theory ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2020 ， 57 （ 1 ）： 1081 - 1093 .

BERGNA-DIAZ G ， ZONETTI D ， SANCHEZ S ， et al . PI passivity-based control and performance analysis of MMC multiterminal HVDC systems ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2019 ， 7 （ 4 ）： 2453 - 2466 .

程启明，王玉娇，程尹曼，等 . 非理想条件下MMC-SAPF的无源控制策略研究［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 23 ）： 7023 - 7032 .

CHENG Qiming ， WANG Yujiao ， CHENG Yinman ， et al . Research on passive control strategy of MMC-SAPF under non-ideal conditions ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 23 ）： 7023 - 7032 .

HU P F ， HE Z X ， LI S Q ， et al . Non-ideal proportional resonant control for modular multilevel converters under sub-module fault conditions ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 1741 - 1750 .

FLIESS M ， LÉVINE J ， MARTIN P ， et al . Flatness and defect of non-linear systems： introductory theory and examples ［J］. International Journal of Control ， 1995 ， 61 （ 6 ）： 1327 - 1361 .

薛花，任春雷，王育飞，等 . 基于微分平滑理论的多直流电力弹簧电压平稳控制方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 14 ）： 130 - 140 .

XUE Hua ， REN Chunlei ， WANG Yufei ， et al . Voltage smoothing control method for multiple DC electric springs based on differential flatness theory ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 14 ）： 130 - 140 .

THOUNTHONG P ， PIERFEDERICI S ， MARTIN J P ， et al . Modeling and control of fuel cell/supercapacitor hybrid source based on differential flatness control ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2010 ， 59 （ 6 ）： 2700 - 2710 .

江畅，程启明，马信乔，等 . 不平衡电网电压下基于模块化多电平变流器的统一电能质量调节器的微分平坦控制［J］. 电工技术学报， 2021 ， 36 （ 16 ）： 3410 - 3421 .

JIANG Chang ， CHENG Qiming ， MA Xinqiao ， et al . Differential flat control for unified power quality controller based on modular multilevel converter under unbalanced grid voltage ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2021 ， 36 （ 16 ）： 3410 - 3421 .

UDDIN M N ， ZHAI Z Q ， AMIN I K . Port controlled Hamilton with dissipation-based speed control of IPMSM drive ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2020 ， 35 （ 2 ）： 1742 - 1752 .

林晓冬，雷勇，朱英伟 . 基于PCHD模型的MMC-SMES无源控制策略［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 3 ）： 1073 - 1083 .

LIN Xiaodong ， LEI Yong ， ZHU Yingwei . Passivity-based control strategy of MMC-SMES based on PCHD model ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 3 ）： 1073 - 1083 .

MAZENC F ， NESIC D . Strong Lyapunov functions for systems satisfying the conditions of La Salle ［J］. IEEE Transactions on Automatic Control ， 2004 ， 49 （ 6 ）： 1026 - 1030 .

REDDY G A ， SHUKLA A . Circulating current optimization control of MMC ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2021 ， 68 （ 4 ）： 2798 - 2811 .

薛花，潘哲晓，王育飞，等 . 基于端口受控耗散哈密顿系统模型的模块化多电平变换器无源反步环流抑制方法［J］. 电工技术学报， 2020 ， 35 （ 12 ）： 2596 - 2611 .

XUE Hua ， PAN Zhexiao ， WANG Yufei ， et al . MMC passivity-based and backstepping circulating current suppressing method based on port-controlled Hamiltonian with dissipation model ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2020 ， 35 （ 12 ）： 2596 - 2611 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

电网不平衡下模块化多电平变换器无源一致性控制方法

低频工况下基于桥臂能量补偿的MMC模型预测控制策略

MMC电容能量对交流系统惯量支撑能力分析

用于大规模新能源架空线路送出的储能型柔性直流输电系统