M3C柔性分频发电系统

１、M3C柔性分频输电简介

M3C(modular multilevel matrix converter，M3C)：模块化多电平矩阵式变换器。

M3C柔性分频输电是西安交通大学王锡凡院士于1994年在“IEE Japan Power&Annual Energy‘94”会议上提出的新型输电方式，采用50/3Hz输电，降低了架空线的输电阻抗，可大幅度提高输电容量，在新能源远距离外送领域具有独特优势。

柔性分频输电技术，通过电力电子型变频装备，拓宽了分频输电系统的运行频率范围，实现大规模新能源的低频汇集与外送，对于解决我国远距离、大容量水电以及风电等新能源接入系统等具有重要的实际意义。

2、M3C柔性分频输电系统拓扑结构

本系统由风力拖动发电机旋转产生16Hz等频率的低频电能，M3C变换器输出50Hz能量接入电网。或者直接用电网模拟器输出16Hz等频率的低频电能模拟新能源输出，再经过M3C变换器输出50Hz能量接入电网。核心控制算法如下：

通过对M3C换流器系统的稳态及动态工作特性进行了详细的分析，对M3C的3个子换流器分别进行αβ0 坐标变换发现：

1）3个子换流器桥臂中的非零序分量只与输入侧的电压电流分量有关，与输出频率分量无关。可以分别对3个子换流器中的非零序分量进行与输入侧同频的dq旋转坐标变换，然后在该旋转坐标系下进行输入侧有功无功的独立控制；

2）每个子换流器的零序分量只与输出侧电气量有关，与输入侧频率分量无关。并且3个子换流器中的3个零序分量将组成一个与输出侧频率相同的三相正序向量，从而可对此三相正序向量进行与输出侧频率相同的dq旋转坐标变换，然后在旋转坐标系下进行输出侧有功无功独立控制。

3、M3C柔性分频输电系统实物展示

M3C柔性分频输电系统如图所示：

（1）低频侧可以接入低频电网模拟器，电机对拖风力发电平台，电阻模拟器等设备；

（2）工频侧直接接入电网或者接入电网模拟器；

（3）机柜内部集成基于RTUBOX206的M3C控制，36全桥功率模块以及光纤驱动，电压电流采样，9个桥臂电感，工频低频两端的软起功率电路；

（4）M3C监控平台可以实时监控系统内部所有电压电流数据或者波形。

系统主要参数

4、M3C柔性分频输电系统算法解析

完整模型算法展示

（1）电压电流ADC采集

此部分模块展示ADC模块采集各个子模块及电流电压传感器的电压电流信息。

工频电源线电压Uuv，Uvw，Uwu，工频并网电流Iu,Iv,Iw;

低频电源线电压Uab，Ubc，Uca，工频并网电流Ia,Ib,Ic;

36个功率模块直流电容电压Udcxy1，Udcxy2，Udcxy3，Udcxy4（x=u,v,w;y=a,b,c）;

9个桥臂的电流Ixy（x=u,v,w;y=a,b,c）。

然后将电压电流组成向量，方便后期算法计算。

(2)PWM使能控制

此部分模块展示FPGAPWM的使能和输出。其中ENable为RTUbox206计算输出PWM的使能信号，DO_ENable是功率模块的输出使能信号。保证M3C控制和功率模块脉冲稳定可靠输出。

(3)继电器软起动控制

此部分模块展示软起动的使能和输出。M3C柔性分频发电系统上电后，工频侧通过软起电阻对所有功率模块直流电容充电。Enable使能RTUBOX206的PWM信号输出，同时合工频侧软起接触器，短接软起电阻；DO_Enable使能功率模块输出，同时合低频侧接触器，接入低频负载或者电网。

(4)M3C核心算法

此部分模块展示M3C核心算法：工频侧PLL锁相和DQ变换，低频侧PLL锁相和DQ变换，工频电流并网控制，低频电压闭环控制，双变换桥臂电压均衡控制，双变换桥臂电流控制，桥臂内部电压均衡控制。

(a)工频侧PLL锁相和DQ变换：将线电压Vuvw_line转化为相电压Vuvw，利用DQ变换做PLL锁相输出Wt_uvw并计算Vd_m和Vq_m。

（b）低频侧PLL锁相和DQ变换：将线电压Vabc_line转化为相电压Vabc，利用DQ变换做PLL锁相输出Wt_abc并计算Vd_s和Vq_s。

（c）工频电流并网控制:控制直流母线电压输出工频有功电流分量参考值，工频无功电流分量设定为0，电流内环PI控制叠加电压前馈，输出工频侧电压参考值DQ分量，经过iclark变换输出电压参考值的V0_alfa_ref和V0_beta_ref。

（d）低频电压闭环控制：控制低频侧电压电流输出，经过PI控制和前馈输出低频侧电压参考值DQ分量，经过iclark变换输出电压参考值的V_alfa0_ref和V_beta0_ref。

（e）双变换桥臂电压均衡控制：对9个桥臂电压和的3*3直流电压矩阵做双变换，输出桥臂电流平均值和桥臂环流电流参考。

（f）双变换桥臂电流控制：对9个桥臂电流做双变换，对桥臂环流做比例控制输出环流控制参考分量，和上面的输出参考组成3*3输出参考矩阵，经过双变换最终输出的参考电压。

（g）桥臂内部电压均衡控制：对每个桥臂内4子模块的电压做均压控制，生成最终的PWM占空比。

(5)M3C脉冲分配

核心算法生成了全桥模块的PWM信号，采用单极性调制脉冲，左侧IGBT半桥采用PWMA脉冲，右侧半桥使用PWMB=1-PWMA。PWMA和PWMB占空比范围是[0, 1]。

(6)M3C脉冲载波移相控制

M3C共有9个桥臂，每个M3C桥臂有4个IGBT全桥，PWM频率10kHz，PWM1~PWM4分别移相0°，45°，90°，135°。

(7)电压电流保护设置

此部分模块对工频三相电流、低频三相电流载电流、桥臂电流，全桥子模块直流电压进行保护，超出设定阈值，跳开工频和低频侧的接触器，保证系统持续稳定运行。

(8)波形观测设置

1、wave模块可以将过程中的任意变量输出，并通过上位机软件观察。

2、Wave rec模块达到触发条件后记录波形并保存，也可再通过上位机软件观察。每条曲线记录20K个点，完整实现故障录波分析。

3、可以实时在线显示工频三相侧电压电流，低频三相侧电压电流，9个桥臂电流，36个子模块直流电压以及算法内部变量的波形。

5、实验数据记录及波形展示

(1)工频侧电压和低频电流波形

(2)低频侧电压和低频电流波形

(3)算法运行时间75us，36个子模块直流电压目标设定80V，最大直流电压82.37V，最小直流电压77.37V。波形是工频电压波形，低频电压波形，工频电流波形

(4)算法运行时间75us，36个子模块直流电压目标设定40V，最大直流电压38.7V，最小直流电压41.5V。波形是工频电压波形，低频电压波形。