權(quán)利要求書： 1.一種基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)變流器控制方法，其特征在于所述的基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)由直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)和HMMC組成；

直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)同軸連接，定子有3個(gè)繞組，依次記為R、S、T三相；

所述的HMMC由六個(gè)相同橋臂首尾相連形成一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)，HMMC的每個(gè)橋臂由N+2個(gè)全橋子模塊和一個(gè)橋臂電感L串聯(lián)而成；N+2個(gè)全橋子模塊依次記為：SMx_1，SMx_2，…SMx_N，輔助子模塊1，輔助子模塊2，其中SMx_1，SMx_2，…SMx_N稱為主子模塊，橋臂電感記為Lx；下標(biāo)x＝

1，2，…6，表示第x個(gè)橋臂；每個(gè)子模塊由4個(gè)IGBT管T1、T2、T3、T4和1個(gè)電容C構(gòu)成；T1的發(fā)射極與T2的集電極相連并構(gòu)成子模塊的正端，T3的發(fā)射極與T4的集電極相連并構(gòu)成子模塊的負(fù)端；T1的集電極與T3的集電極相連并構(gòu)成子模塊的正極，T2的發(fā)射極與T4的發(fā)射極相連并構(gòu)成子模塊的負(fù)極；電容C的正極與T1的集電極相連，電容C的負(fù)極與T2的發(fā)射極相連；直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的R、S、T三相和電網(wǎng)的U、、W三相交替連接到變流器的六個(gè)頂點(diǎn)上；將與R相和U相直接連接的橋臂記為橋臂1，將與U相和S相直接連接的橋臂記為橋臂2，將與S相和W相直接連接的橋臂記為橋臂3，將與W相和T相直接連接的橋臂記為橋臂4，將與T相和相直接連接的橋臂記為橋臂5，將與相和R相直接連接的橋臂記為橋臂6；

所述的一種基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)變流器控制方法由風(fēng)機(jī)MPPT控制、能量平衡控制、橋臂電流跟蹤控制組成；

所述的風(fēng)機(jī)MPPT控制由如下步驟組成：

(1)檢測(cè)當(dāng)前風(fēng)速v，通過查詢風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得到葉片半徑R和風(fēng)速v對(duì)應(yīng)的最佳葉尖速比λopt，根據(jù)v、R、λopt計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值ωref：ωref＝λopt×v/R

(2)取機(jī)側(cè)d軸電流參考值imd_ref＝0；檢測(cè)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，將ωref與ω作差，將差值送入第一PI調(diào)節(jié)器，第一PI調(diào)節(jié)器輸出得到機(jī)側(cè)q軸電流參考值imq_ref：imq_ref＝(ωref?ω)×(Kp1+Ki1×(1/s))其中1/s是積分因子，Kp1和Ki1是第一PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

(3)將imd_ref、imq_ref進(jìn)行dq/abc變換得到機(jī)側(cè)三相電流參考值：imr_ref、ims_ref、imt_ref；

所述的能量平衡控制由如下步驟組成：

(1)根據(jù)下式計(jì)算HMMC子模塊電容電壓參考值UC0_ref：UC0_ref＝(N×UC_ref+UC1_ref+UC2_ref)/(N+2)其中UC_ref為每橋臂N個(gè)主子模塊的電容電壓額定值，UC1_ref為輔助子模塊1的電容電壓額定值，UC2_ref為輔助子模塊2的電容電壓額定值；

(2)取網(wǎng)側(cè)q軸電流參考值igq_ref＝0，通過電壓互感器測(cè)量得到所有子模塊的電容電壓，計(jì)算所有子模塊的電容電壓平均值UC_av，將UC0_ref與UC_av作差，將差值送入第二PI調(diào)節(jié)器，第二PI調(diào)節(jié)器輸出得到網(wǎng)側(cè)d軸電流參考值igd_ref：igd_ref＝(UC0_ref?UC_av)×(Kp2+Ki2×(1/s))其中Kp2和Ki2是第二PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

(3)將igd_ref、igq_ref進(jìn)行dq/abc變換得到網(wǎng)側(cè)三相電流參考值：igu_ref、igv_ref、igw_ref；

(4)根據(jù)測(cè)得的所有子模塊的電容電壓分別計(jì)算奇數(shù)橋臂和偶數(shù)橋臂上子模塊的電容電壓平均值UC1,3,5_av、UC2,4,6_av，將UC1,3,5_av與UC2,4,6_av作差，將差值送入第三PI調(diào)節(jié)器，第三PI調(diào)節(jié)器輸出得到環(huán)流直流分量參考值icir1_ref：icir1_ref＝(UC1,3,5_av?UC2,4,6_av)×(Kp3+Ki3×(1/s))其中Kp3和Ki3是第三PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

(5)計(jì)算得到中性點(diǎn)電壓參考值vst_ref：vst_ref＝(Um×Ug)/(sqrt(2/3)×SHMMC)×icir1_ref其中sqrt()表示開平方函數(shù)，Um、Ug分別為機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)線電壓的額定值，SHMMC為HMMC額定容量；

(6)根據(jù)測(cè)得的所有子模塊的電容電壓分別計(jì)算6個(gè)橋臂子模塊的電容電壓平均值UCx_av，分別將UC1_av與UC6_av、UC3_av與UC2_av、UC5_av與UC4_av作差，將差值分別送入第一比例調(diào)節(jié)器，然后按下式計(jì)算得到環(huán)流低頻分量參考值icir2_ref：icir2_ref＝Kp4×[(UC1_av?UC6_av)×sin(θm)+(UC3_av?UC2_av)×sin(θm?2π/3)+(UC5_av?UC4_av)×sin(θm+2π/3)]

其中Kp4是第一比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，θm通過對(duì)機(jī)側(cè)線電壓鎖相得到；

(7)分別將UC4_av與UC3_av、UC6_av與UC5_av、UC2_av與UC1_av作差，將差值分別送入第二比例調(diào)節(jié)器，然后按下式計(jì)算得到環(huán)流工頻分量參考值icir3_ref：icir3_ref＝Kp5×[(UC4_av?UC3_av)×sin(θg)+(UC6_av?UC5_av)×sin(θg?2π/3)+(UC2_av?UC1_av)×sin(θg+2π/3)]

其中Kp5是第二比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；θg通過對(duì)網(wǎng)側(cè)線電壓鎖相得到；

所述的橋臂電流跟蹤控制由如下步驟組成：

(1)測(cè)量得到各橋臂的電流值ix；將ix經(jīng)帶通濾波器1和帶通濾波器2分別提取橋臂x電流低頻分量iLx、工頻分量iHx；帶通濾波器1中心頻率為ω×np/2πHz，帶寬為5Hz；帶通濾波器

2中心頻率為50Hz，帶寬為5Hz；

(2)通過下式計(jì)算得到各橋臂電流低頻分量參考值iLx_ref、工頻分量參考值iHx_ref：iL1_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_refiH1_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_refiL2_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_refiH2_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_refiL3_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_refiH3_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_refiL4_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_refiH4_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_refiL5_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_refiH5_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_refiL6_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_refiH6_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_ref(3)將iLx_ref與iLx作差，將差值送入第一準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器，第一準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器輸出得到橋臂x的機(jī)側(cè)參考電壓vLx_ref；將iHx_ref與iHx作差，將差值送入第二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器，第二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器輸出得到橋臂x的網(wǎng)側(cè)參考電壓vHx：

2 2

vLx_ref＝(iLx_ref?iLx)×(Kp6+Ksc1×s/(s+2×ωsc1×s+(ω×np)))

2 2

vHx＝(iHx_ref–iHx)×(Kp7+Ksc2×s/(s+2×ωsc2×s+(100π)))其中Kp6和Ksc1分別是第一準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和諧振系數(shù)，Kp7和Ksc2分別是第二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和諧振系數(shù)；ωsc1和ωsc2分別是第一、二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的截止角頻率；np為直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，通過查詢直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)銘牌參數(shù)獲得；

(4)橋臂x電流的剩余分量為：

iSx＝ix?iLx?iHx；

將icir1_ref與iSx作差，將差值送入第四PI調(diào)節(jié)器，第四PI調(diào)節(jié)器輸出得到橋臂x的微調(diào)參考分量vSx_ref：

vSx_ref＝(icir1_ref–iSx)×(Kp8+Ki4×(1/s))其中Kp8和Ki4是第四PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；

(5)將步驟3得到的vLx_ref代入下式計(jì)算得到Nx1：Nx1＝fix(vLx_ref/UC_ref)其中fix()為向零取整函數(shù)；

(6)將Nx1代入下式計(jì)算得到vLx_ref/UC_ref的小數(shù)部分mx：mx＝vLx_ref/UC_ref?Nx1(7)由測(cè)量得到橋臂x輔助子模塊1的電容電壓值Uax1，將Uax1和UC1_ref分別接入第一滯環(huán)比較器的正向、反向輸入端，第一滯環(huán)比較器的環(huán)寬為δ1；當(dāng)Uax1?UC1_ref>δ1，第一滯環(huán)比較器輸出為1；當(dāng)Uax1?UC1_ref<?δ1，第一滯環(huán)比較器輸出為?1；輔助子模塊2控制方法相同，第二滯環(huán)比較器的環(huán)寬為δ2；

(8)當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且0

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝1；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且7/8

(9)當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且0

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝1；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且7/8

(10)當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1和2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1

(11)當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1和2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1

(12)將vHx、vSx_ref、vst_ref帶入下式計(jì)算得到Nx3：x

Nx3＝round(vHx+vSx_ref+(?1) ×vst_ref)/UC_ref)其中round()為四舍五入取整函數(shù)；

(13)計(jì)算需要投入的主子模塊總數(shù)Nx＝Nx1+Nx2+Nx3，采用NLM調(diào)制策略選擇橋臂x上的Nx個(gè)主子模塊投入，即當(dāng)Nx≥0時(shí)，控制這些主子模塊的T1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān)斷，當(dāng)Nx<0時(shí)，控制這些主子模塊的T2和T3導(dǎo)通，T1和T4關(guān)斷；并切除剩下的主子模塊，即控制剩下主子模塊的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)變流器控制方法，其特征在于每個(gè)橋臂主子模塊個(gè)數(shù)N為12，機(jī)側(cè)線電壓額定值Um為3.3k，網(wǎng)側(cè)線電壓額定值Ug為35k，HMMC額定容量SHMMC為5MW，子模塊電容C大小為20mF，主子模塊電容電壓額定值UC_ref為3000，輔助子模塊1電容電壓額定值UC1_ref為1500，輔助子模塊2電容電壓額定值UC2_ref為750，橋臂電感Lx為10mH，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)np為54，控制周期T為0.0002s；

Kp1＝150、Ki1＝150000；Kp2＝70000、Ki2＝500000；Kp3＝1、Ki3＝12；Kp4＝6；Kp5＝6；Kp6＝100、Ksc1＝1、ωsc1＝5rad/s；Kp7＝100、Ksc2＝1、ωsc2＝5rad/s；Kp8＝6、Ki4＝50；δ1＝30；δ2＝15。

說明書： 一種基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)變流器控制方法技術(shù)領(lǐng)域[0001] 本發(fā)明屬于電力電子變流領(lǐng)域，特別涉及一種基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)變流器控制方法。

背景技術(shù)[0002] 在全球化石能源日益緊缺的情況下，探索一條清潔、可持續(xù)發(fā)展的新能源道路是人類的共同目標(biāo)。在可再生能源的開發(fā)利用中，世界風(fēng)力資源儲(chǔ)存總量巨大，作為一種清潔

能源，可循環(huán)利用，風(fēng)力發(fā)電已成為最具大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的利用方式之一。

[0003] 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，變流器多采用交直交的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，風(fēng)能經(jīng)兩級(jí)變換，效率較低，并且變流器輸出電壓還需經(jīng)變壓器升壓來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，升壓變壓器的使用使得風(fēng)電系統(tǒng)

的體積和成本大幅增加，因此有必要設(shè)計(jì)一種無需變壓器即可實(shí)現(xiàn)高效并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電系

統(tǒng)。

[0004] 一種中壓大功率風(fēng)電機(jī)組變流系統(tǒng)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)經(jīng)過兩個(gè)背靠背模塊化多電平變流器后直接接入中壓交流電網(wǎng)。但由于風(fēng)機(jī)的低轉(zhuǎn)速特性，低頻工況時(shí)存在子模塊電壓

波動(dòng)劇烈的問題。

發(fā)明內(nèi)容[0005] 針對(duì)背景技術(shù)所述的缺陷和不足，本發(fā)明提出了一種基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)變流器控制方法，具有低頻特性好、子模塊電容電壓波動(dòng)小、無變壓器并網(wǎng)、有效

抑制機(jī)側(cè)低壓信號(hào)被網(wǎng)側(cè)高壓信號(hào)湮沒的優(yōu)勢(shì)。

[0006] 本發(fā)明所提供的技術(shù)方案如下：[0007] (1)系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)對(duì)風(fēng)能進(jìn)行捕獲，拖動(dòng)同軸連接的直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)發(fā)出電能經(jīng)由HMMC直接AC/AC并入交流電網(wǎng)；HMMC由六個(gè)相同橋臂首尾相連形成六邊形結(jié)構(gòu)，每個(gè)

橋臂由N+2個(gè)相同的全橋子模塊和一個(gè)橋臂電感L串聯(lián)而成；直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的R、S、

T三相和電網(wǎng)的U、、W三相交替連接到HMMC的六個(gè)頂點(diǎn)上；

[0008] (2)風(fēng)機(jī)側(cè)采用最大功率追蹤控制得到機(jī)側(cè)三相電流參考值；通過控制HMMC所有子模塊電容電壓的穩(wěn)定得到網(wǎng)側(cè)三相電流參考值；對(duì)奇偶橋臂能量平衡控制得到環(huán)流直流

分量參考值和中性點(diǎn)電壓分量；通過控制變流器六個(gè)橋臂之間能量平衡得到環(huán)流低頻分量

和工頻分量參考值；對(duì)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)電流參考值進(jìn)行疊加得到各橋臂電流低頻、工頻分量參考

值，通過對(duì)橋臂電流跟蹤控制可以得到各橋臂機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)參考電壓。對(duì)輔助子模塊的電壓

進(jìn)行檢測(cè)，采用滯環(huán)的方式將輔助子模塊的電壓波動(dòng)限定在一定范圍內(nèi)，根據(jù)輔助子模塊

電壓的大小、機(jī)側(cè)參考電壓正負(fù)號(hào)和電流流向，對(duì)輔助子模塊的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行控制；計(jì)算需

要投入的主子模塊總數(shù)并使用NLM調(diào)制得到主子模塊的開關(guān)信號(hào)。

[0009] 本發(fā)明的有益效果是：1)風(fēng)機(jī)本身運(yùn)行在低頻工況下，本發(fā)明利用HMMC將低頻風(fēng)機(jī)與工頻電網(wǎng)直接耦合相連，使得橋臂子模塊上的電流既包含機(jī)側(cè)低頻分量，也包含網(wǎng)側(cè)

工頻分量，加快了子模塊電容的沖放電，降低了子模塊電容電壓紋波，使得系統(tǒng)具有更好的

低頻特性；2)機(jī)側(cè)低電壓和網(wǎng)側(cè)高電壓通過橋臂直接耦合，在進(jìn)行HMMC調(diào)制時(shí)，低電壓信號(hào)

容易被高電壓信號(hào)湮沒，本發(fā)明在每個(gè)橋臂中增加兩個(gè)輔助子模塊，該輔助子模塊僅用于

還原機(jī)側(cè)低電壓信號(hào)，不參與網(wǎng)側(cè)高電壓信號(hào)的調(diào)制，可有效抑制低壓側(cè)信號(hào)被高壓側(cè)信

號(hào)湮沒；3)HMMC采用一級(jí)交交變換將風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能直接并入電網(wǎng)，電能損耗較低且無需

升壓變，節(jié)約系統(tǒng)的空間，降低了成本。

附圖說明[0010] 圖1為基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；[0011] 圖2為基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖；[0012] 圖3為橋臂1子模塊電容電壓波形；[0013] 圖4為網(wǎng)側(cè)相電流iU波形；[0014] 圖5為機(jī)側(cè)相電流iR波形；[0015] 圖6為機(jī)側(cè)線電壓uRS波形。具體實(shí)施方式[0016] 為了使本發(fā)明所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)例僅僅用以解釋本發(fā)

明，并不用于限定本發(fā)明。

[0017] 圖1為基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明中風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)和HMMC構(gòu)成；直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子與風(fēng)力機(jī)同軸連接，定子有3

個(gè)繞組，依次記為R、S、T三相；電網(wǎng)三相依次記為U、、W；HMMC由六個(gè)相同橋臂首尾相連形成

一個(gè)六邊形結(jié)構(gòu)，HMMC的每個(gè)橋臂由N+2個(gè)全橋子模塊和一個(gè)橋臂電感L串聯(lián)而成；N+2個(gè)全

橋子模塊依次記為：SMx_1，SMx_2，…SMx_N，輔助子模塊1，輔助子模塊2，其中SMx_1，SMx_

2，…SMx_N稱為主子模塊，橋臂電感記為Lx；下標(biāo)x＝1，2，…6，表示第x個(gè)橋臂；每個(gè)子模塊

由4個(gè)IGBT管T1、T2、T3、T4和1個(gè)電容C構(gòu)成；T1的發(fā)射極與T2的集電極相連并構(gòu)成子模塊的

正端，T3的發(fā)射極與T4的集電極相連并構(gòu)成子模塊的負(fù)端；T1的集電極與T3的集電極相連

并構(gòu)成子模塊的正極，T2的發(fā)射極與T4的發(fā)射極相連并構(gòu)成子模塊的負(fù)極；電容C的正極與

T1的集電極相連，電容C的負(fù)極與T2的發(fā)射極相連；直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的R、S、T三相和

電網(wǎng)的U、、W三相交替連接到變流器的六個(gè)頂點(diǎn)上；將與R相和U相直接連接的橋臂記為橋

臂1，將與U相和S相直接連接的橋臂記為橋臂2，將與S相和W相直接連接的橋臂記為橋臂3，

將與W相和T相直接連接的橋臂記為橋臂4，將與T相和相直接連接的橋臂記為橋臂5，將與

相和R相直接連接的橋臂記為橋臂6；

[0018] 在本實(shí)例中，每個(gè)橋臂主子模塊個(gè)數(shù)N為12，機(jī)側(cè)線電壓額定值Um為3.3k，網(wǎng)側(cè)線電壓額定值Ug為35k，HMMC額定容量SHMMC為5MW，子模塊電容C大小為20mF，主子模塊電容電

壓額定值UC_ref為3000，輔助子模塊1電容電壓額定值UC1_ref為1500，輔助子模塊2電容電壓

額定值UC2_ref為750，橋臂電感Lx為10mH，直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)np為54，控制周期T

為0.0002s；

[0019] 圖2是基于HMMC的風(fēng)機(jī)直接AC/AC并網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖，控制方法由風(fēng)機(jī)MPPT控制、能量平衡控制、橋臂電流跟蹤控制組成；

[0020] 風(fēng)機(jī)MPPT控制由如下步驟組成：[0021] (1)檢測(cè)當(dāng)前風(fēng)速v，通過查詢風(fēng)機(jī)的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得到葉片半徑R和風(fēng)速v對(duì)應(yīng)的最佳葉尖速比λopt，根據(jù)v、R、λopt計(jì)算得到電機(jī)轉(zhuǎn)速參考值ωref：

[0022] ωref＝λopt×v/R[0023] (2)取機(jī)側(cè)d軸電流參考值imd_ref＝0；檢測(cè)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，將ωref與ω作差，將差值送入第一PI調(diào)節(jié)器，第一PI調(diào)節(jié)器輸出得到機(jī)側(cè)q軸電流參考值imq_ref：

[0024] imq_ref＝(ωref?ω)×(Kp1+Ki1×(1/s))[0025] 其中1/s是積分因子，Kp1和Ki1是第一PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；[0026] (3)將imd_ref、imq_ref進(jìn)行dq/abc變換得到機(jī)側(cè)三相電流參考值：imr_ref、ims_ref、imt_ref；

[0027] 所述的能量平衡控制由如下步驟組成：[0028] (1)根據(jù)下式計(jì)算HMMC子模塊電容電壓參考值UC0_ref：[0029] UC0_ref＝(N×UC_ref+UC1_ref+UC2_ref)/(N+2)[0030] 其中UC_ref為每橋臂N個(gè)主子模塊的電容電壓額定值，UC1_ref為輔助子模塊1的電容電壓額定值，UC2_ref為輔助子模塊2的電容電壓額定值；

[0031] (2)取網(wǎng)側(cè)q軸電流參考值igq_ref＝0，通過電壓互感器測(cè)量得到所有子模塊的電容電壓，計(jì)算所有子模塊的電容電壓平均值UC_av，將UC0_ref與UC_av作差，將差值送入第二PI調(diào)節(jié)

器，第二PI調(diào)節(jié)器輸出得到網(wǎng)側(cè)d軸電流參考值igd_ref：

[0032] igd_ref＝(UC0_ref?UC_av)×(Kp2+Ki2×(1/s))[0033] 其中Kp2和Ki2是第二PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；[0034] (3)將igd_ref、igq_ref進(jìn)行dq/abc變換得到網(wǎng)側(cè)三相電流參考值：igu_ref、igv_ref、igw_ref；

[0035] (4)根據(jù)測(cè)得的所有子模塊的電容電壓分別計(jì)算奇數(shù)橋臂和偶數(shù)橋臂上子模塊的電容電壓平均值UC1,3,5_av、UC2,4,6_av，將UC1,3,5_av與UC2,4,6_av作差，將差值送入第三PI調(diào)節(jié)器，

第三PI調(diào)節(jié)器輸出得到環(huán)流直流分量參考值icir1_ref：

[0036] icir1_ref＝(UC1,3,5_av?UC2,4,6_av)×(Kp3+Ki3×(1/s))[0037] 其中Kp3和Ki3是第三PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；[0038] (5)計(jì)算得到中性點(diǎn)電壓參考值vst_ref：[0039] vst_ref＝(Um×Ug)/(sqrt(2/3)×SHMMC)×icir1_ref[0040] 其中sqrt()表示開平方函數(shù)，Um、Ug分別為機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)線電壓的額定值，SHMMC為HMMC額定容量；

[0041] (6)根據(jù)測(cè)得的所有子模塊的電容電壓分別計(jì)算6個(gè)橋臂子模塊的電容電壓平均值UCx_av，分別將UC1_av與UC6_av、UC3_av與UC2_av、UC5_av與UC4_av作差，將差值分別送入第一比例調(diào)

節(jié)器，然后按下式計(jì)算得到環(huán)流低頻分量參考值icir2_ref：

[0042] icir2_ref＝Kp4×[(UC1_av?UC6_av)×sin(θm)+(UC3_av?UC2_av)×sin(θm?2π/3)[0043] +(UC5_av?UC4_av)×sin(θm+2π/3)][0044] 其中Kp4是第一比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)，θm通過對(duì)機(jī)側(cè)線電壓鎖相得到；[0045] (7)分別將UC4_av與UC3_av、UC6_av與UC5_av、UC2_av與UC1_av作差，將差值分別送入第二比例調(diào)節(jié)器，然后按下式計(jì)算得到環(huán)流工頻分量參考值icir3_ref：

[0046] icir3_ref＝Kp5×[(UC4_av?UC3_av)×sin(θg)+(UC6_av?UC5_av)×sin(θg?2π/3)[0047] +(UC2_av?UC1_av)×sin(θg+2π/3)][0048] 其中Kp5是第二比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；θg通過對(duì)網(wǎng)側(cè)線電壓鎖相得到；[0049] 所述的橋臂電流跟蹤控制由如下步驟組成：[0050] (1)測(cè)量得到各橋臂的電流值ix；將ix經(jīng)帶通濾波器分別提取橋臂x電流低頻分量iLx、工頻分量iHx；帶通濾波器1中心頻率為ω×np/2πHz，帶寬為5Hz；帶通濾波器2中心頻率

為50Hz，帶寬為5Hz；

[0051] (2)通過下式計(jì)算得到各橋臂電流低頻分量參考值iLx_ref、工頻分量參考值iHx_ref：[0052] iL1_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_ref[0053] iH1_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_ref[0054] iL2_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_ref[0055] iH2_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_ref[0056] iL3_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_ref[0057] iH3_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_ref[0058] iL4_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_ref[0059] iH4_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_ref[0060] iL5_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_ref[0061] iH5_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_ref[0062] iL6_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_ref[0063] iH6_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_ref[0064] (3)將iLx_ref與iLx作差，將差值送入第一準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器，第一準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器輸出得到橋臂x的機(jī)側(cè)參考電壓vLx_ref；將iHx_ref與iHx作差，將差值送入第二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器，第二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)

器輸出得到橋臂x的網(wǎng)側(cè)參考電壓vHx：

[0065] vLx_ref＝(iLx_ref?iLx)×(Kp6+Ksc1×s/(s2+2×ωsc1×s+(ω×np)2))[0066] vHx＝(iHx_ref–iHx)×(Kp7+Ksc2×s/(s2+2×ωsc2×s+(100π)2))[0067] 其中Kp6和Ksc1分別是第一準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和諧振系數(shù)，Kp7和Ksc2分別是第二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和諧振系數(shù)；ωsc1和ωsc2分別是第一、二準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器的截止角頻

率；np為直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)，通過查詢直驅(qū)式永磁同步發(fā)電機(jī)銘牌參數(shù)獲得；

[0068] (4)橋臂x電流的剩余分量為：[0069] iSx＝ix?iLx?iHx；[0070] 將icir1_ref與iSx作差，將差值送入第四PI調(diào)節(jié)器，第四PI調(diào)節(jié)器輸出得到橋臂x的微調(diào)參考分量vSx_ref：

[0071] vSx_ref＝(icir1_ref–iSx)×(Kp8+Ki4×(1/s))[0072] 其中Kp8和Ki4是第四PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù)；[0073] (5)將步驟3得到的vLx_ref代入下式計(jì)算得到Nx1：[0074] Nx1＝fix(vLx_ref/UC_ref)[0075] 其中fix()為向零取整函數(shù)；[0076] (6)將Nx1代入下式計(jì)算得到vLx_ref/UC_ref的小數(shù)部分mx：[0077] mx＝vLx_ref/UC_ref?Nx1[0078] (7)由測(cè)量得到橋臂x輔助子模塊1的電容電壓值Uax1，將Uax1和UC1_ref分別接入第一滯環(huán)比較器的正向、反向輸入端，第一滯環(huán)比較器的環(huán)寬為δ1；當(dāng)Uax1?UC1_ref>δ1，第一滯環(huán)比

較器輸出為1；當(dāng)Uax1?UC1_ref<?δ1，第一滯環(huán)比較器輸出為?1；輔助子模塊2控制方法相同，第

二滯環(huán)比較器的環(huán)寬為δ2；

[0079] (8)當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且0[0080] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

[0081] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

[0082] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝1；

[0083] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

[0084] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8[0085] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8[0086] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且7/8[0087] (9)當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且0[0088] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

[0089] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

[0090] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

[0091] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝1；

[0092] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8[0093] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8[0094] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且7/8[0095] (10)當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1/8[0096] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8[0097] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8[0098] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

[0099] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

[0100] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1和2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

[0101] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

[0102] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1[0103] (11)當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1/8[0104] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8[0105] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8[0106] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

[0107] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；輔助子模塊2的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；Nx2＝0；

[0108] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為1時(shí)，控制輔助子模塊1的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；輔助子模塊2的T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷；Nx2＝?1；

[0109] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滯環(huán)比較器輸出為?1時(shí)，控制輔助子模塊1和2的T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷；Nx2＝0；

[0110] 當(dāng)橋臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1[0111] (12)將vHx、vSx_ref、vst_ref帶入下式計(jì)算得到Nx3：[0112] Nx3＝round(vHx+vSx_ref+(?1)x×vst_ref)/UC_ref)[0113] 其中round()為四舍五入取整函數(shù)；[0114] (13)計(jì)算需要投入的主子模塊總數(shù)Nx＝Nx1+Nx2+Nx3，采用NLM調(diào)制策略選擇橋臂x上的Nx個(gè)主子模塊投入，即當(dāng)Nx≥0時(shí)，控制這些主子模塊的T1和T4導(dǎo)通，T2和T3關(guān)斷，當(dāng)Nx<0

時(shí)，控制這些主子模塊的T2和T3導(dǎo)通，T1和T4關(guān)斷；并切除剩下的主子模塊，即控制剩下主子

模塊的T2、T4導(dǎo)通，T1、T3關(guān)斷；

[0115] 上述步驟中，Kp1＝150、Ki1＝150000；Kp2＝70000、Ki2＝500000；Kp3＝1、Ki3＝12；Kp4＝6；Kp5＝6；Kp6＝100、Ksc1＝1、ωsc1＝5rad/s；Kp7＝100、Ksc2＝1、ωsc2＝5rad/s；Kp8＝6、Ki4

＝50；δ1＝30；δ2＝15。

[0116] 圖3為橋臂1子模塊電容電壓波形，橋臂1主子模塊電容電壓均穩(wěn)定在3000，波動(dòng)幅度都小于4％；輔助子模塊1的電容電壓穩(wěn)定在1500，波動(dòng)幅度稍大，但也在4％以內(nèi)；輔

助子模塊2的電容電壓穩(wěn)定在750，波動(dòng)幅度在3％以內(nèi)，滿足要求；其余各橋臂子模塊電壓

波形也能達(dá)到相似效果。

[0117] 圖4為網(wǎng)側(cè)相電流iU波形，其峰值為115.7A，F(xiàn)FT分析其諧波畸變率為3.95％，滿足并網(wǎng)要求；其余兩相電流波形也能達(dá)到相似效果。

[0118] 圖5為機(jī)側(cè)相電流iR波形，其峰值為1265A，F(xiàn)FT分析其諧波畸變率為0.62％，諧波含量較少；其余兩相電流波形也能達(dá)到相似效果。

[0119] 圖6為機(jī)側(cè)線電壓uRS波形，其峰值為4585，F(xiàn)FT分析其諧波畸變率為0.45％，諧波含量較少；其余線電壓波形也能達(dá)到相似效果。