一种基于NPC-MMC的新型重复控制器设计方法

技术领域

本发明涉及NPC-MMC领域，特别是涉及一种基于NPC-MMC的新型重复控制器设计方法。

背景技术

低压并网变换器已广泛应用于不间断电源(UPS)中。通常，这些逆变器使用两级拓扑。然而，由于两级逆变器产生大的谐波电压，其需要一个庞大的输出滤波器级联到电网，以保持电网平衡。中点钳位模块化多电平变流器(NPC-MMC)，结合三电平有源中点钳位(ANPC)与模块化多电平变流器(MMC)的优点，既可以实现易拓展，输出多电平的特点，也可以减少MMC内部储能，甚至在相同子模块数情况下，可以输出更多电平。

目前，NPC-MMC在正常运行中，循环电流谐波问题比MMC更突出，特别是新型。现有技术中没有对其循环电流谐波问题进行理论推导，也没有设计出最适合NPC-MMC循环电流谐波的控制器。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于NPC-MMC的新型重复控制器设计方法解决了现有NPC-MMC运行过程中未对循环电流谐波问题进行理论推导，以及未设计出最适合NPC-MMC循环电流谐波的控制器的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种基于NPC-MMC的新型重复控制器设计方法，包括以下步骤：

S1：对NPC-MMC的循环电流谐波进行分析；

S2：基于循环电流谐波的分析，设计环流PI控制器；

S3：设计零相移的陷波滤波器Q(z)；

S4：设计补偿器C(z)和二阶低通滤波器S(z)，完成新型重复控制器的设计。

上述方案的有益效果是：通过上述技术方案，提供了NPC-MMC的环流谐波含量的分析方法，并设计NPC-MMC最优新型重复控制器，解决了现有NPC-MMC运行过程中未对循环电流谐波问题进行理论推导，以及未设计出最适合NPC-MMC循环电流谐波的控制器的问题。

进一步地，S1中分析包括以下公式：

所述NPC-MMC的上臂N

其中，m为调制指数，n为谐波阶次，ω为角频率；

储存在单相中的电荷为

其中，C为子模块电容值，N为子模块数，u

其中，i

经化简得到

将上式分为以下十四种电荷表达式：

Q

其中，K

由于桥臂中储存电荷的常数分量互相抵消，二次谐波电荷f

其中，α为负载的阻抗角，k为谐波阶次相关参数，f

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，为了便于后续分析，将电荷分为14种表达形式，由于桥臂中储存电荷的常数分量可以相互抵消，所以二次谐波电荷为除了Q

进一步地，S2中环流PI控制器包括以下公式：

其中，P(z)为加PI控制器后的闭环传递函数，k

加重复控制器后的开环传递函数G

G

其中，G

上述进一步方案的有益效果是：通过上述技术方案，根据加PI控制器后的闭环传递函数和新型抑制重复控制器传递函数的乘积得到加重复控制器后的开环传递函数。

进一步地，S3中陷波滤波器Q(z)包括以下公式：

调整频率周期的采样点数量N

N

陷波滤波器Q(z)为

其中，f

上述进一步方案的有益效果是：为了设计出偶次抑制效果，采用上式进行调整，并通过上式完成陷波滤波器的设计。

进一步地，S4中补偿器C(z)为

C(z)＝K

其中，K

上述进一步方案的有益效果是：通过上式完成补偿器的设计，补偿器用于补偿相位和幅值，S(z)是为了抑制控制环路带来的高频谐波与干扰，将其设计为二阶低通滤波器，负责补偿幅值，而利用z

附图说明

图1为一种基于NPC-MMC的新型重复控制器设计方法流程图。

图2为NPC-MMC的循环电流控制方案框图。

图3为NPC-MMC加PI控制器后的伯德图。

图4为k1和k2取值曲线图。

图5为新型重复控制器的开环传递函数伯德图。

图6为NPC-MMC循环电流及电流频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，一种基于NPC-MMC的新型重复控制器设计方法，包括以下步骤：

S1：对NPC-MMC的循环电流谐波进行分析；

S2：基于循环电流谐波的分析，设计环流PI控制器，本方案中选择相位差为35°，如图3所示；

S3：设计零相移的陷波滤波器Q(z)，本方案中陷波滤波器的采样频率f

S4：设计补偿器C(z)和二阶低通滤波器S(z)，完成新型重复控制器的设计，本方案中二阶低通滤波器S(z)的自然频率为750Hz，阻尼为0.707，重复增益K

所述S1中分析包括以下公式：

所述NPC-MMC的上臂N

其中，m为调制指数，n为谐波阶次，ω为角频率；

储存在单相中的电荷为

其中，C为子模块电容值，N为子模块数，u

其中，i

经化简得到

将上式分为以下十四种电荷表达式：

Q

其中，K

由于桥臂中储存电荷的常数分量互相抵消，二次谐波电荷f

其中，α为负载的阻抗角，k为谐波阶次相关参数，f

这表明，与MMC相比，NPC-MMC的循环电流谐波含量更高，传统的PI控制器与PR控制器对其循环电流谐波的抑制能力并不明显，因此，NPC-MMC需要一个能够有效抑制循环电流中多余谐波的控制器，以减少开关管的损耗，避免误开关。

S2中环流PI控制器包括以下公式：

其中，P(z)为加PI控制器后的闭环传递函数，k

加重复控制器后的开环传递函数G

G

其中，G

如图2所示，Q(z)是一个零相移的陷波滤波器，其截止频率被设计为3.63kHz。在图2中i

S3中陷波滤波器Q(z)包括以下公式：

调整频率周期的采样点数量N

N

陷波滤波器Q(z)为

其中，f

S4中补偿器C(z)为

C(z)＝K

其中，K

S(z)本身是为了抑制控制环路所带来的高频谐波与干扰，S(z)被设计为二阶低通滤波器，如图4所示，在满足相移要求的情况下，我们取k1和k2两个边界值，从而将k被设计为5，也就是说z

系统的动态响应和稳定性将主要由重复增益K

在本发明的一个实施例中，本方案使用的偶数谐波重复控制器在t1时刻投入使用。图6(a)的t1之前波形和(b)分别表示使用PR控制器控制循环电流后的波形及其频谱。图6(a)t1之后波形和(c)分别表示使用新控制器后的波形和频谱。总的来说，相对于PR控制器，它又减少了27％的电流失真。

本发明相对于基于桥臂电流谐波抑制的传统重复控制器的谐波抑制方法，该种控制环针对低频阶次，也就是2-20倍频的谐波均有抑制效果，抑制次数更高；相对于传统桥臂电流重复控制器，该种控制器在系统中的应用将会减少1/2，系统冗杂度降低，减少了通讯压力。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在发明的保护范围内。