一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，包括：直流侧电路，交流侧电路，模块化多电平变换装置主电路，调理单元，霍尔单元和控制单元；直流侧电路和交流测电路均与主电路电性连接；主电路通过光纤与控制单元电性连接；控制单元与调理单元电性连接；霍尔单元和控制单元与调理单元电性连接；控制单元执行环路控制算法，从而实现对独立环路均压动态特性与有功传输的解耦，并大幅提升控制参数鲁棒性，解决了模块化多电平变换器运行于低有功工况下均压动态性能差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置
本专利技术涉及电子电路领域，尤其涉及一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置。
技术介绍
模块化多电平变换器(ModularMultilevelConverter,MMC)自提出以来，因其良好的可拓展性，较低的器件开关频率，较高的输出波形质量等特点，在电压源换流站、柔性直流输电等高压应用场合和中低压配电网、电力拖动等中低压应用场合得到了广泛的应用。此外，模块化多电平变换器因为子模块的存在，还具有多种具备应用前景的衍生拓扑，如混合型模块化多电平变换拓扑等。对于MMC，由于其包含众多的悬浮子电容，而输出波形的质量直接与悬浮子电容的电压水平相关，因此子模块电容均压问题属于MMC技术中的重要
现有的主流技术路径主要分为两大类：一是电容电压排序算法；二是子模块独立环路控制。前者主要用于高压场合下，而后者因为固定的开关频率特性、均压效果良好和实现简便等优点在中低压应用场合下得到广泛应用，并且在实际使用中一般结合PWM方法产生开关信号。在众多PWM调制技术中，载波移相调制（Phase-ShiftedCarrierPWM,CPS-PWM）由于在各载波对应的开关信号间具有高对称特性而在多电平变换拓扑中被广泛应用。现有的多数子模块独立环路控制策略均是基于CPS-PWM调制。对于子模块独立环路控制，因为其结构的简单性，已存在的若干独立环路控制策略在原理上均具备较高的重复性。对于现有的独立环路控制方法，在正常工况下，MMC装置均有较好的稳态均压特性。然而，在系统有功功率较低的情况下，传统的子模块独立环路控制方法的均压动态特性将受到很大影响，如果此时出现较为明显的子模块电容偏差，均压控制环路将很难在短时间内使系统回到正常工作状态。这使得现有相关技术将在该工况下受到限制。综上所述，现有采用子模块独立环路控制技术的模块化多电平变换装置在低有功工况下将存在子模块均压能力差、均压动态特性不佳的缺陷。
技术实现思路
有鉴于此，针对以上技术问题，本专利技术提供了一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，具体包括以下：直流侧电路，交流侧电路，模块化多电平变换装置的主电路，调理单元，霍尔单元和控制单元；直流侧电路和交流测电路均与主电路电性连接；主电路通过光纤与控制单元电性连接；控制单元与调理单元电性连接；霍尔单元和控制单元与调理单元电性连接；所述控制单元采用环路控制方法。进一步地，主电路一共三相，每相包含两个桥臂，分别为上桥臂SMpi和下桥臂SMni；每个桥臂由N个半桥型子模块和一个桥臂电感L组成；i为半桥臂编号，i=1，2，3…,N。进一步地，所述半桥型子模块具体包括：第一开关管、第二开关管、第一开关管和第二开关管分别对应的反并联二极管和悬浮电容。进一步地，所述控制单元包括：一个系统控制环节；三个加法器，分别为第一加法器、第二加法器和第三加法器；两个乘法器，分别为第一乘法器和第二乘法器；一个比例控制器、一个限幅环节和一个归一化与调制环节。进一步地，所述环路控制方法具体为：S101：根据霍尔单元采集并经过调理电路滤波处理后输出的系统实际电气量，通过所述系统控制环节获得模块化多电平变换装置运行在当前工况所需的输出电压指令；所述系统实际电气量包括：直流侧母线电压E、目标半桥型子模块的电容电压测量值VCi、目标半桥型子模块所属桥臂的子模块平均电压和目标半桥型子模块对应的桥臂电流iarm；S102：将系统控制环节的输出电压指令、和直流侧母线电压E，并通过第一加法器，形成控制单元的控制信号Vref，如式（1）：（1）式（1）中，“—”是对应控制目标半桥型子模块处于当前相的上桥臂的情形；“+”是对应控制目标半桥型子模块处于当前相的下桥臂的情形；S103：通过第二加法器获取目标半桥型子模块的电容电压测量值VCi与目标半桥型子模块所属桥臂的子模块平均电压的差值，如式（2）：（2）S104：将第二加法器的输出与比例控制器的增益系数Kp相乘，并通过第一乘法器与目标半桥型子模块对应的桥臂电流iarm的倒数相乘后，送入限幅环节；S105：将限幅环节的输出通过第三加法器与常数1相加，得到第三加法器的输出信号；S106：将第三加法器的输出信号与步骤S101中的控制信号Vref通过第二乘法器相乘，得到控制单元的最终输出电压指令；S107：最终输出电压指令经过归一化与调制环节，得到目标半桥型子模块的开关信号；S108：目标半桥型子模块根据步骤S106中的开关信号完成目标半桥型子模块的恒速率均压。进一步地，所述限幅环节的限幅绝对值q小于等于0.05。所述最终输出电压指令的取值范围为：。本专利技术的有益效果是：实现对独立环路均压动态特性与有功传输的解耦，并大幅提升控制参数鲁棒性，解决了模块化多电平变换器运行于低有功工况下均压动态性能差的问题。附图说明图1是本专利技术一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置结构图；图2是本专利技术主电路的结构示意图；图3是本专利技术半桥型子模块示意图；图4是本专利技术环路控制方法的控制框图；图5是本专利技术限幅环节输出指令与桥臂电流的关系曲线图；图6是本专利技术在高有功功率工况（调制比M=0.8，阻性负载）下的均压动态波形；图7是本专利技术在低有功功率工况（调制比M=0.4，阻性负载）下的均压动态波形；图8是本专利技术在取较大独立均压控制参数（比例控制参数=0.3）时的均压动态波形；图9是本专利技术在取较小独立均压控制参数（比例控制参数=0.05）时的均压动态波形。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地描述。请参考图1，一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，包括以下：直流侧电路，交流侧电路，模块化多电平变换装置的主电路，调理单元，霍尔单元和控制单元；直流侧电路和交流测电路均与主电路电性连接；主电路通过光纤与控制单元电性连接；控制单元与调理单元电性连接；霍尔单元和控制单元与调理单元电性连接；所述控制单元采用环路控制方法。图1中各部分之间信号传递方向与箭头指向方向相同；各信号具体内容由由标号给出：直流侧电压和直流侧电流1，开关信号2，子模块电压和桥臂电流3，交流侧电压与交流侧电流4，采集的各类原始电气量5，经过调理后的模拟信号6。控制单元一般采用信号处理器（DSP）+现场可编程门阵列（FPGA）控制架构，本专利技术实施例中，控制算法由DSP执行，脉冲生成和其他辅助功能由FPGA执行。主电路通过霍尔单元采集初始电压电流信息，霍尔单元输出端与调理单元连接；调理单元对霍尔单元采集到的初始电压电流信息进行滤波和简单运算处理后，输出至控制单元，控制单元基于调理单元的输出量执行环路控制算法后得到主电路中开关管的开关信号，并通过光纤传递至模本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，其特征在于：包括：直流侧电路，交流侧电路，模块化多电平变换装置的主电路，调理单元，霍尔单元和控制单元；直流侧电路和交流测电路均与主电路电性连接；主电路通过光纤与控制单元电性连接；控制单元与调理单元电性连接；霍尔单元和控制单元与调理单元电性连接；所述控制单元采用环路控制方法。/n

【技术特征摘要】
1.一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，其特征在于：包括：直流侧电路，交流侧电路，模块化多电平变换装置的主电路，调理单元，霍尔单元和控制单元；直流侧电路和交流测电路均与主电路电性连接；主电路通过光纤与控制单元电性连接；控制单元与调理单元电性连接；霍尔单元和控制单元与调理单元电性连接；所述控制单元采用环路控制方法。


2.如权利要求1所述的一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，其特征在于：主电路一共三相，每相包含两个桥臂，分别为上桥臂SMpi和下桥臂SMni；每个桥臂由N个半桥型子模块和一个桥臂电感L组成；i为半桥臂编号，i=1，2，3…,N。


3.如权利要求2所述的一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，其特征在于：所述半桥型子模块具体包括：第一开关管、第二开关管、第一开关管和第二开关管分别对应的反并联二极管和悬浮电容。


4.如权利要求1所述的一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，其特征在于：所述控制单元包括：
一个系统控制环节；
三个加法器，分别为第一加法器、第二加法器和第三加法器；
两个乘法器，分别为第一乘法器和第二乘法器；
一个比例控制器、一个限幅环节和一个归一化与调制环节。


5.如权利要求4所述的一种任意有功工况下恒速率均压的模块化多电平变换装置，其特征在于：所述环路控制方法具体为：
S101：根据霍尔单元采集并经过调理电路滤波处理后输出的系统实际电气量，通过所述系统控制环节获得模块化多电平变换装置运行在当前工况所需的输出电压指令；所述系统实际电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王映波，周凌博，张凯，盖忠伟，魏彦，张家贵，吴小丽，程林林，苏锦宏，王俊炎，
申请(专利权)人：武汉杭久电气有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42