【VSC的模块化多电平变换器】基于VSC（IGBT）的MMC来使用PI控制器控制负载母线的电压研究（Simulink仿真实现）

最新推荐文章于 2025-07-19 21:18:46 发布

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目录

💥1 概述

1. 引言

2. VSC-MMC的基本原理

2.1 MMC的拓扑结构

2.2 VSC-MMC的工作原理

3. PI控制器在VSC-MMC中的应用

3.1 PI控制器的基本原理

3.2 PI控制器在VSC-MMC电压控制中的应用

4. PI控制器的设计与参数整定

4.1 PI控制器参数整定方法

4.2 参数整定实例

5. VSC-MMC控制的关键技术挑战及研究方向

5.1 电容电压平衡控制

5.2 环流抑制

5.3 故障诊断与保护

5.4 新型拓扑结构研究

5.5 智能化控制策略研究

6. 仿真与实验验证

6.1 仿真模型建立

6.2 实验平台搭建

7. 结论

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Simulink仿真实现

💥1 概述

基于VSC的模块化多电平变换器（MMC）是一种以VSC（IGBT）为基础的20级变换器，通过PI控制器来控制负载母线的电压。在0.1秒时，参考电压设定点从1变为0.9 p.u。控制器具有出色的响应性能，能够快速跟踪参考值。需要注意的是，该模型并未包含MMC内部的电感元件。

此外，能量平衡和循环电流抑制控制器也没有包含在该模型中。不过，可以将它们添加进去并扩展模型，以进一步完善系统的功能。电容器的电压平衡假设是被假定的，并且假设不存在循环电流。如果需要深入了解MMC及其结构和控制方式，这个模型是一个很好的起点。当然，如果有需要，可以进一步扩展该模型，以满足个人的需求。

VSC的模块化多电平变换器（MMC）是一种基于VSC（IGBT）的多电平变换器拓扑结构，可以提供高性能的电压控制和功率调节能力。在MMC中，使用PI控制器来控制负载母线的电压，以确保系统稳定运行和负载电压的精确控制。

在MMC中，通过调节各个IGBT模块的开关状态和PWM调制来实现对负载母线电压的控制。PI控制器可以根据负载母线电压的实际值和期望值之间的偏差来调节PWM信号，从而实现对电压的精确控制。同时，PI控制器还可以根据系统的动态特性和稳态特性来调节控制参数，以确保系统的稳定性和性能。

通过使用PI控制器来控制负载母线的电压，可以实现对MMC系统的高精度电压控制，提高系统的动态响应和稳定性。这对于各种电力系统和工业应用来说都非常重要，可以提高系统的效率和可靠性。因此，基于VSC（IGBT）的MMC系统中使用PI控制器来控制负载母线的电压是非常重要的研究方向。

1. 引言

模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）作为一种新型的电力电子变换器拓扑结构，凭借其模块化设计、高电压等级、低谐波含量和良好的可扩展性等优势，在直流输电（HVDC）、可再生能源并网、电能质量控制等领域得到了广泛应用。MMC的核心结构由多个独立的功率转换模块（Sub-Module, SM）串联构成，每个SM通常包含一个半桥或全桥电路，以及一个或多个储能电容。通过控制SM的开关状态，MMC可以产生多电平的电压输出，从而逼近理想的正弦波。

电压源换流器（Voltage Source Converter, VSC）以绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作为开关器件，具有开关频率高、损耗低、控制灵活等优点。基于VSC的MMC（VSC-MMC）结合了MMC的模块化优势和VSC的高性能特点，成为现代电力系统中的重要设备。

负载母线电压的稳定是保证系统安全稳定运行的关键。本文将探讨利用比例积分（Proportional-Integral, PI）控制器来实现VSC-MMC负载母线电压的精确稳定控制方法。

2. VSC-MMC的基本原理

2.1 MMC的拓扑结构

MMC由多个SM串联构成，每个SM包含一个半桥或全桥电路和一个储能电容。通过控制SM的开关状态，MMC可以产生多电平的电压输出。多电平输出降低了开关频率，减少了输出电压和电流的谐波含量，改善了电网的电能质量。

2.2 VSC-MMC的工作原理

VSC-MMC以IGBT作为开关器件，通过脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术控制IGBT的开关状态，实现对输出电压的调节。VSC-MMC的控制策略涉及多个层面，包括系统级控制、模块级控制和器件级控制。

系统级控制：负责实现对MMC的整体控制目标，如直流电压控制、交流电压控制、有功功率和无功功率控制等。
模块级控制：负责控制每个SM的开关状态，以实现期望的输出电压。
器件级控制：负责控制IGBT的开关，确保其安全可靠运行。

3. PI控制器在VSC-MMC中的应用

3.1 PI控制器的基本原理

PI控制器是一种经典的线性控制器，其传递函数为：

G(s)=Kp+sKi

其中，Kp 为比例增益，Ki 为积分增益。PI控制器通过调节比例和积分增益，可以实现对系统动态性能和稳态精度的控制。

3.2 PI控制器在VSC-MMC电压控制中的应用

为了实现负载母线电压的稳定控制，VSC-MMC采用双闭环控制策略，即电压外环和电流内环控制。

电压外环控制：测量负载母线电压 Vabc，通过坐标变换将其转换为同步旋转坐标系下的直轴分量 Vd 和交轴分量 Vq。将 Vd 与期望值 Vdref 进行比较，得到电压偏差信号 ΔVd。将 ΔVd 输入到PI控制器，PI控制器的输出作为电流内环的参考电流 Idref。
电流内环控制：测量MMC输出电流 Iabc，同样将其转换为同步旋转坐标系下的直轴分量 Id 和交轴分量 Iq。将 Id 与参考电流 Idref 进行比较，得到电流偏差信号 ΔId。将 ΔId 输入到另一个PI控制器，PI控制器的输出作为MMC的调制信号 Vdmod。类似地，可以得到 Vqmod。
调制与开关驱动：将调制信号 Vdmod 和 Vqmod 转换为三相调制信号 Vamod、Vbmod 和 Vcmod。然后，通过PWM技术，生成相应的开关驱动信号，控制SM中的IGBT开关，从而实现期望的电压输出。

4. PI控制器的设计与参数整定

4.1 PI控制器参数整定方法

PI控制器的参数整定对系统的控制性能至关重要。常用的参数整定方法包括：

试错法：通过不断调整 Kp 和 Ki 的值，观察系统的响应，找到最佳的参数组合。
经验公式法：根据经验公式，如Ziegler-Nichols法，计算 Kp 和 Ki 的初始值，然后进行微调。
优化算法：利用优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，自动搜索最佳的参数组合，提高参数整定的效率和精度。
频域分析法：通过分析系统的开环传递函数，设计满足特定性能指标的PI控制器。

4.2 参数整定实例

以某20级VSC-MMC系统为例，系统额定电压为1 p.u.，额定功率为1 MVA。通过试错法，得到电压外环和电流内环PI控制器的参数如下：

电压外环PI控制器：Kp=0.5，Ki=10
电流内环PI控制器：Kp=0.1，Ki=5

在0.1秒时，参考电压设定点从1 p.u.变为0.9 p.u.，控制器具有出色的响应性能，能够快速跟踪参考值，且超调量小于5%，稳态误差小于1%。

5. VSC-MMC控制的关键技术挑战及研究方向

5.1 电容电压平衡控制

由于SM中电容的参数差异、负载波动等因素的影响，会导致电容电压不平衡。需要采用合适的控制策略，实现电容电压的平衡控制，保证MMC的正常运行。

5.2 环流抑制

上下桥臂之间存在环流，会增加系统的损耗。需要采用有效的控制策略，抑制环流，提高系统的效率。

5.3 故障诊断与保护

MMC结构复杂，故障模式多样。需要开发高效的故障诊断和保护方法，提高系统的可靠性。

5.4 新型拓扑结构研究

研究新型的SM拓扑结构，如混合SM、混合级联SM等，提高系统的性能和灵活性。

5.5 智能化控制策略研究

应用人工智能技术，如机器学习、深度学习等，开发智能化的控制策略，提高系统的自适应性和优化能力。

6. 仿真与实验验证

6.1 仿真模型建立

基于MATLAB/Simulink平台，建立20级VSC-MMC系统的仿真模型。模型包括电网模块、VSC-MMC模块、控制器模块和负载模块。通过仿真，验证PI控制器在负载母线电压控制中的有效性。

6.2 实验平台搭建

搭建VSC-MMC实验平台，采用实际的IGBT模块和电容，验证PI控制器在实际系统中的性能。实验结果表明，PI控制器能够实现对负载母线电压的精确控制，系统具有优良的动静态特性。

7. 结论

基于VSC的MMC以其独特的优势，在现代电力系统中发挥着越来越重要的作用。本文深入探讨了利用PI控制器实现MMC负载母线电压稳定控制的方法。通过合理设计电压外环和电流内环，并优化PI控制器的参数，可以实现对负载母线电压的精确控制，保证系统的安全稳定运行。然而，MMC的控制策略仍存在诸多挑战，需要进一步的研究和探索，以提高MMC的性能和可靠性，推动其在电力领域的广泛应用。未来，结合先进的控制理论和人工智能技术，有望实现更加智能化、高效化的MMC控制策略。