一种模块化多电平换流器的特定消谐方法技术

本发明专利技术提出了一种新型模块化多电平换流器的特定消谐方法。本发明专利技术将特定消谐方法应用于三相模块化多电平换流器，通过合理选择子模块的开关角，改善其输出电压谐波特性，提高波形质量，达到更小的输出电压谐波畸变率。同时针对工程应用，提出了窄脉冲优化策略，以提高其工程适用性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统柔性输配电、电力电子、电力拖动、电机驱动和用户电力
， 具体涉及一种模块化多电平换流器的特定消谐领域。
技术介绍
多电平换流器是近年来比较受欢迎一种大功率电力电子换流器，并且已经成功应用在很 多工业领域，如静止无功补偿器、电力拖动、FACTS、高压直流输电和有源滤波器等。传统 多电平换流器有多种不同的结构，常见的有二极管箝位型(NPC)、飞跨电容型(FLC)和级 联H桥型(CHC)。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,简称MMC)作为一 种新的多电平换流器，兼具了传统多电平换流器开关频率低、开关损耗小、高频噪声低、电 压变化率小的优点。同时，与NPC型和FLC型多电平换流器相比，模块化程度高，开关器 件数量不会随电平数的增加呈现非线性增长，结构设计简单；与CHC型相比，功率可以双向 流动，开关器件也减少了一倍。传统多电平换流器可以采用的调制策略有多种，如正弦脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称PWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)和特定消谐脉宽调制(SHEPWM)。 而SHEPWM是比较受欢迎的一种，它可以消除指定次谐波，减小电压电流波形畸变率。
技术实现思路
为了使得MMC输出电压波形畸变更小、波形质量更好，有必要研究SHEPWM应用于 MMC的方法。针对模块化多电平换流器MMC拓扑结构，本专利技术提出了适用于该拓扑的特定消谐方法。 该方法能在较低的开关频率下优化MMC输出电压谐波特性，提高波形质量。模块化多电平换流器MMC每相上、下半桥臂都是由独立的数个子模块(Submodule)级 联而成，并且每个子模块都可以独立控制开断。利用这一优点，合理选择每个子模块的开关 角，以消除输出电压中特定次谐波，减小波形畸变，提高波形质量。具体方法如下-通过在桥臂输出阶梯波电压中设置特定消谐角度，以消除特定次数的谐波。由于MMC 输出电压具有l/4周期对称性，只需考虑l/4周期内的开关角求解。若每相半桥臂采用2N个 子模块构成所需的多电平阶梯波输出电压时，输出状态发生改变的仅有N个子模块，也就是说只需求解1/4周期内的N个开关角即可。在三相MMC中，某相特定消谐角度确定以后，其它两相的通过互错120°得到，这样 输出线电压中不含三倍频谐波，从而可以消除更多高次谐波。具体步骤如下(1) 由理论分析得出三相MMC输出电压的傅立叶级数展开表达式，表达式中包含N 个子模块的开关角；(2) 令傅立叶级数展开表达式中基波分量等于期望值，N-l个特定次谐波分量等于0， 从而得到N个非线性超越方程；(3) 确定MMC输出电压的基波期望值，计算此时半桥臂对应的N个开关角；(4) 以步骤(3)中的开关角作为初值，求解步骤(2)中的非线性超越方程，得到窄脉 冲优化模型的初值；(5) 对步骤(4)得到的特定消谐角度进行窄脉冲优化，最终得到可用于工程的N个开 关角度。附图说明下面结合附图对本专利技术进一步说明。图1是依据本专利技术的三相MMC的电路示意图2是依据本专利技术的三相MMC单桥臂输出电压波形示意图3是依据本专利技术的特定消谐角度初值的计算方法示意图4是依据本专利技术的在N:5时，MMC输出电压频谱图。具体实施例方式下面是本专利技术的优选实例，以下结合本附图对本专利技术实现的技术方案做进一步说明。 如图1所示是依据本专利技术的三相MMC的电路示意图，模块化多电平换流器MMC由三 相6个半桥臂构成，每相半桥臂由2N个子模块级联而成。每相输出电压为特定消谐方法通过在桥臂输出阶梯波电压的特定位置设置缺口，消除特定次数的谐波。 这些位置就是通常所说的特定消谐角度，然后这些角度一般都是由求解非线性超越方程组来 确定的， 一般用数值方法求解。由于MMC输出电压具有l/4周期对称性，只需考虑l/4周期 内的开关角求解。若每相半桥臂采用2N个子模块构成所需的多电平阶梯波输出电压时，输出状态发生改变的仅有N个子模块，也就是说只需求解1/4周期内的N个开关角即可。模块化多电平换流器MMC输出电压波形如图2所示。对图2的波形用傅立叶级数展开 成式(2)的形式，并令基波分量等于基波期望值，所需消除的谐波等于0，从而构成N个独立 的非线性方程。由于三相MMC各桥臂开关角互错120。，线电压中三倍频谐波相互抵消。(2)"=1,3,5,其中，^为子模块电容电压；N为1/4周期内特定消谐角度的个数；《为第k个特定消谐角度，ik=l、 2、…、N; w为基频角速度。以消除N-1个较低次谐波为例，最高消谐次数可以达到3N-2次谐波。由傅立叶级数可以 写出求解开关角的非线性超越方程组如下，=々cos (5《)+ cos (5《)+…+ cos (56>w ) = 0cos (7《)+ cos (76>2) +…+ cos (7^ ) = 0 (3) cos(/ 《)+ cos(秘2) + -.. + cos(/^) = 0其中，^为子模块电容电压；^,为MMC输出电压的基波期望值；《为第k个特定消谐角度，ik=l、 2、…、N; h为指定消除的谐波次数，且h-l、 5、 7、 11、 13、…、3N-2。 对于三相MMC，构成开关角的方程组共有N个未知数，在确定基波期望值以后，可以选择消除N-1个低次谐波分量。对于每相半桥臂有10个子模块的情况，开关角度数为5，最高的消除的谐波次数为3N-2=13次。从而问题归结为5个非线性超越方程的求解。任意选取初值，进行迭代计算表明，算法不易收敛。必须选择合适的初值，根据MMC基波期望值，可以确定如图3所示的参考波电压"^(纽)。当模块化多电平换流器的输出电平v(/)由k跳变为k+l时，令图3中阴影1与2的面积相等，即可得到第k+l个特定消谐角度的初值0w。对每一个电平跳变时刻进行类似 计算，就能得到迭代的初值。实例证明用此初值进行迭代计算，算法很快收敛。考虑到MMC中开关器件都有一定的开通和关断时间，在开通和关断时都需要一定的时 间，并且导通和关断过程的损耗会使开关器件发热，热积累效应达到一定程度时将引起开关 器件烧损。从而根据开关器件的开通和关断时间确定了 MMC的最小脉冲宽度，即窄脉冲。 并针对窄脉冲提出了如下优化方法(1)计算窄脉冲=(开通时间+关断时间)X360° /20ms;6(2) 如果窄脉冲的宽度不大于最小脉宽的1/2，则省略构成窄脉冲的开关角；(3) 如果窄脉冲的宽度大于最小脉宽的1/2，则展宽窄脉冲至最小脉宽。 通过窄脉冲优化得到的开关角可直接用于工程，并且可以消除3N-2次以内的谐波都限制在非常低的水平内。由图4的在N二5时，MMC输出电压频谱图可以看出，2N40的情况下，13次及以内的谐波含量都非常小。本专利技术原理简单，易于实现。在开关频率为百赫兹时，很好地优化了 MMC输出电压的 谐波特性，降低了线电压的总谐波畸变率。本专利技术按照优选实例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限度本专利技术， 凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本专利技术的保护范围内。权利要求1、一种三相模块化多电平换流器的特定消谐方法，其特征在于该方法通过在桥臂输出阶梯波电压中设置特定消谐角度，以消除特定次数的谐波，由于输出电压具有1/4周期对本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相模块化多电平换流器的特定消谐方法，其特征在于该方法通过在桥臂输出阶梯波电压中设置特定消谐角度，以消除特定次数的谐波，由于输出电压具有１／４周期对称性，只需考虑１／４周期内的开关角求解，当每相半桥臂有２Ｎ个子模块时，在１／４周期内只有Ｎ个子模块动作，也就是说１／４周期内只有Ｎ个开关角，消除除三倍频谐波以外的Ｎ－１个特定次谐波，其中Ｎ为自然数；　在三相模块化多电平换流器中，某相特定的消谐角度确定以后，其它两相的特定消谐角度通过互错１２０°得到，这样输出线电压中不含三 倍频谐波，从而可以消除更多高次谐波，具体步骤如下：　（１）由理论分析得出三相模块化多电平换流器ＭＭＣ输出电压的傅立叶级数展开表达式，表达式中包含Ｎ个子模块的开关角：　ｖ（ωｔ）＝＊［４Ｖ↓［ｄｃ］／π＊ｃｏｓ（ｎθ↓［ｋ］）］. ｓｉｎ（ｎωｔ）／ｎ　其中，Ｖｄ↓［ｃ］为子模块电容电压；Ｎ为１／４周期内特定消谐角度的个数；θ↓［ｋ］为第ｋ个特定消谐角度，且ｋ＝１、２、…、Ｎ；ω为基频角速度；　（２）令傅立叶级数展开表达式中基波分量等于基波期望值，Ｎ－１个 特定次谐波分量等于０，从而得到Ｎ个非线性超越方程：　４Ｖ↓［ｄｃ］／π［ｃｏｓ（θ↓［１］）＋ｃｏｓ（θ↓［２］）＋…＋ｃｏｓ（θ↓［Ｎ］）］＝Ｖ↓［ｒｅｆ］　ｃｏｓ（５θ↓［１］）＋ｃｏｓ（５θ↓［２］）＋…＋ｃｏｓ（５θ↓［ Ｎ］）＝０　ｃｏｓ（７θ↓［１］）＋ｃｏｓ（７θ↓［２］）＋…＋ｃｏｓ（７θ↓［Ｎ］）＝０　┆　ｃｏｓ（ｈθ↓［１］）＋ｃｏｓ（ｈθ↓［２］）＋…＋ｃｏｓ（ｈθ↓［Ｎ］）＝０　其中，Ｖ↓［ｄｃ］为子模块电容电压；Ｖ↓ ［ｒｅｆ］为模块化多电平换流器ＭＭＣ输出电压的基波期望值；θ↓［ｋ］为第ｋ个特定消谐角度，且ｋ＝１、２、…、Ｎ；ｈ为指定消除的谐波次数；　值得注意的是需要消除的Ｎ－１个特定次谐波可以是５、７、１１、１３、１７、…、３Ｎ－２、…次谐波， 即ｈ的取值可以是上述谐波次数中的Ｎ－１个；　（３）确定模块化多电平换流器ＭＭＣ输出电压的基波期望值，计算此时半桥臂对应的Ｎ个开关角；　（４）以步骤（３）中的开关角作为初值，求解步骤（２）中的非线性超越方程，得到窄脉冲优化模型的初 值；　（５）对步骤（４）得到的特定消谐角度进行窄脉冲优化，最终得到可用于工程的Ｎ个开关角度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，贺之渊，苑春明，丁冠军，汤广福，
申请(专利权)人：中国电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]