一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法技术

本发明专利技术提出了一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，本发明专利技术通过电流换相调制和电容电压补偿控制来扩展AAMC能量平衡的最佳点限制，扩展调压范围。除此以外，本发明专利技术能够解决由于桥臂电感造成的换向区间对能量平衡的影响。首先，通过电流换向调制法来调节桥臂中的开关模块，使其在桥臂电流过零点进行切换。并通过解析表达式详细分析和推导了电流换向过程。并进一步阐明了整流过程引起电容电压跌落的机理，为控制器的设计提供了理论依据。在此基础上，提出了电容电压跌落的电压补偿控制，以实现电容在四个象限内的正常工作。最后，通过仿真及实验结果验证了所提出的调制和控制策略在不同条件下的有效性。调制和控制策略在不同条件下的有效性。调制和控制策略在不同条件下的有效性。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法


[0001]本专利技术属于柔性直流输配电
，具体涉及一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法。

技术介绍

[0002]模块化多电平转换器由于具有高模块化、高鲁棒性和高可控性的优势，近来在高压直流传输系统中受到广泛关注。但是对于传统半桥型的模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)来说，其所需子模块数量多，无直流故障穿越能力。
[0003]基于此，学术界提出了多种混合型模块化多电平换流器，即桥臂由子模块与功率器件混合构成。该拓扑具有MMC的结构特点和优势，且具备直流故障阻断能力，采用桥臂交替导通的工作方式，桥臂间不存在换流，同时其所需要的功率器件数量较少，成本较低。对于该类型拓扑，由于桥臂换流的工作模式，需要考虑桥臂能量平衡问题，而在计及桥臂电感的情况下，换流过程中出现桥臂交叠导通区间，上下桥臂存在能量交换，由此导致子模块电容直流分量受换流交叠角的影响，存在幅值跌落现象，该现象在桥臂电感较大时更为显著。针对该现象，需要研究模块化多电平换流器的子模块电容电压补偿控制策略。

技术实现思路

[0004]鉴于上述，本专利技术提供了一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，该方法计及桥臂电感的影响设计了电流换向调制，解决了电容电压幅值跌落的问题，保证换流器的稳定输出。
[0005]本专利技术提供了一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，其包括如下步骤：/>[0006](1)解析计及子模块电容、桥臂电感的桥臂电压表达式和桥臂电流表达式，从而获得上下桥臂换流过程中换流交叠角受系统参数影响的关系式，所述的系统参数为电压调制比和功率因数角；
[0007](2)通过桥臂电压调制信号和桥臂电流表达式，获得子模块电容电压直流分量，建立子模块电容电压的数学模型；
[0008](3)设计反馈控制器对子模块电容电压幅值进行补偿，反馈控制器输出与桥臂电压参考信号的直流分量进行叠加，形成控制闭环，实现对混合型模块化多电平换流器电容电压的补偿控制。
[0009]本专利技术所述混合型模块化多电平换流器的桥臂由子模块串联的阀串部分与功率器件串联的开关模块混合串联构成。
[0010]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(1)的具体实现过程如下：
[0011](1.1)计及桥臂电感的影响，上下桥臂换流时会出现交叠，假设桥臂中间点电压为方波，令桥臂在交流电流的过零点进行开关，设计电流换向调制方法；
[0012](1.2)桥臂电压为阀串电压、开关模块电压和电感电压之和；根据电流换向调制方
法得到阀串电压表达式及开关模块调制信号，换流期间阀串电压、电感电压之和等于直流母线电压，根据换流期间阀串电压和电感电压之间的关系，计及子模块电容和桥臂电感，得到电感电压表达式和桥臂电流表达式；
[0013](1.3)由步骤(1.2)得到的桥臂电流表达式，得到桥臂电流直流分量；根据能量平衡，得到交流侧电流与直流母线电流之间的关系式；根据拓扑结构对称性，得到桥臂电流直流分量和直流母线电流之间的关系；联立上述关系式，可得到上下桥臂换流过程中换流交叠角受系统参数影响的关系式。
[0014]所述步骤(1.3)中交流侧电流与直流母线电流之间的关系式为：
[0015][0016]其中，i
dc
为直流母线电流，I1为交流侧电流幅值，为功率因数角，m为电压调制比。
[0017]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(2)的具体实现过程如下：
[0018](2.1)根据桥臂阀串电压表达式可得子模块投入数量，用电容电压波动率、电容电压的直流分量以及上桥臂子模块的投入数量计算上桥臂阀串电压，用电容电压的直流分量、桥臂电流、子模块电容以及下桥臂子模块的投入数量计算下桥臂阀串电压，根据阀串电压、开关模块电压和电感电压之间的关系，获得开关模块电压表达式，进一步得到开关模块电压直流分量的表达式；
[0019](2.2)由于步骤(2.1)中获得的表达式与功率因数角、换流交叠角和电压调制比相关，结合直流母线电压、阀串电压、开关模块电压直流分量之间的关系，获得子模块电容电压在系统参数的影响下的表达式，即子模块电容电压的数学模型，通过该表达式发现模块电容电压在功率因数角、换流交叠角与电压调制比等参数的影响下存在幅值跌落。
[0020]进一步的，所述步骤(2.2)中的子模块电容电压的数学模型为：
[0021][0022]其中，u
dc
为直流母线电压，u
C0
为子模块电容电压的直流分量，β为换流交叠角，L为桥臂电感值，C为桥臂电容值，N为单个桥臂子模块数量，ω为角频率，ε为电容电电压波动率。
[0023]作为本专利技术的优选方案，所述步骤(3)的具体实现过程如下：
[0024](3.1)根据桥臂电压生成桥臂电压参考信号；以子模块电容电压平均值为被控量，根据系统性能要求，选择截止频率及相位裕度，结合阀串电压直流分量、开关模块电压直流分量和直流母线电压之间的关系式，设计反馈控制器；
[0025](3.2)控制器输出与桥臂电压参考信号的直流分量叠加，形成控制闭环，通过调节子模块投切数量控制电容电压。
[0026]进一步的，所述步骤(3)结合以下公式设计反馈控制器：
[0027]u
SM_dc
＝1/2u
dc
‑
u
DS_dc
[0028]其中，u
SM_dc
为阀串电压直流分量，u
DS_dc
为开关模块直流电压分量。
[0029]与现有技术相比，本专利技术基于桥臂电感的影响，设计了电流换向调制，并分析了该调制下的能量交换。本专利技术分析了整流过程中电容电压暂降的机理，并针对电容电压的跌
落提出了电压补偿控制，以保证拓扑在四个象限内的正常工作，通过仿真及实验验证所提调制和控制策略在不同条件下的有效性。本专利技术考虑实际工况下电感的影响，设计了电流换向调制及电压补偿策略，保证了拓扑的有效性，从而充分发挥了混合型模块化多电平换流器相较MMC低成本，高效率的优点。另一方面，本专利技术基于实验平台进行测试，证明在该拓扑在本专利技术提出的调制及控制策略下可以在宽范围调压的情况下稳定运行，通过实际数据有效验证了本专利技术的实用性。
附图说明
[0030]图1为本专利技术实施例中T型桥臂交替导通模块化环流器的拓扑结构图。
[0031]图2为本专利技术实施例中电流换向调制的波形示意图。
[0032]图3为本专利技术实施例中电压调制比、换流交叠角及功率因数的关系图。
[0033]图4为本专利技术实施例中电容电压直流分量、换流交叠角及功率因数的关系图。
[0034]图5为本专利技术控制方法中的电压补偿控制框图。
[0035]图6为本专利技术实施例中电压补偿反馈控制的伯德图。
[0036]图7为本专利技术控制方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)解析计及子模块电容、桥臂电感的桥臂电压表达式和桥臂电流表达式，从而获得上下桥臂换流过程中换流交叠角受系统参数影响的关系式，所述的系统参数为电压调制比和功率因数角；(2)通过桥臂电压调制信号和桥臂电流表达式，获得子模块电容电压直流分量，建立子模块电容电压的数学模型；(3)设计反馈控制器对子模块电容电压幅值进行补偿，反馈控制器输出与桥臂电压参考信号的直流分量进行叠加，形成控制闭环，实现对混合型模块化多电平换流器电容电压的补偿控制。2.根据权利要求1所述的适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，其特征在于，所述混合型模块化多电平换流器的桥臂由子模块串联的阀串部分与功率器件串联的开关模块混合串联构成。3.根据权利要求1所述的适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，其特征在于：所述步骤(1)的具体实现过程如下：(1.1)计及桥臂电感的影响，上下桥臂换流时会出现交叠，假设桥臂中间点电压为方波，令桥臂在交流电流的过零点进行开关，设计电流换向调制方法；(1.2)桥臂电压为阀串电压、开关模块电压和电感电压之和；根据电流换向调制方法得到阀串电压表达式及开关模块调制信号，换流期间阀串电压、电感电压之和等于直流母线电压，根据换流期间阀串电压和电感电压之间的关系，计及子模块电容和桥臂电感，得到电感电压表达式和桥臂电流表达式；(1.3)由步骤(1.2)得到的桥臂电流表达式，得到桥臂电流直流分量；根据能量平衡，得到交流侧电流与直流母线电流之间的关系式；根据拓扑结构对称性，得到桥臂电流直流分量和直流母线电流之间的关系；联立上述关系式，可得到上下桥臂换流过程中换流交叠角受系统参数影响的关系式。4.根据权利要求3所述的适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，其特征在于，所述步骤(1.3)中交流侧电流与直流母线电流之间的关系式为：其中，i
dc
为直流母线电流，I1为交流侧电流幅值，为功率因数角，m为电压调制比。5.适用于混合型模块化多电平换流器的电容电压控制方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体实现过程如下：(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨贺雅，王胤洲，范世源，渠倩楠，向鑫，张笑天，李武华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：