一种三相模块化多电平换流器环流抑制方法技术

本发明专利技术公开了一种三相模块化多电平换流器的环流抑制方法，利用二倍基波频率的负序旋转坐标变换，对检测到的桥臂电流进行处理后，再通过信号处理和前馈补偿环节，得到用于抑制环流的附加控制信号。然后用直流电压值的二分之一减去该附加控制信号，并与已有的换流器交流侧输出电压参考信号叠加得到桥臂电压参考值，再进行脉宽调制得到换流器各桥臂的触发脉冲，使换流器输出相应的电压。采用该环流抑制方法，可以在不增加桥臂电感大小的情况下，将换流器内部环流抑制在非常低的水平，基本消除桥臂电流的畸变而使其恢复正弦波形。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力
，具体涉及三相 模块化多电平换流器的环流抑制方法。
技术介绍
模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC)是近几年备受关注 的一种多电平换流器拓扑结构。它采用多个子模块(subm0dule，SM)级联的方式，通过分别 控制各个子模块的投入和切除状态，可以使得换流器输出的交流电压波形包含很多的电压 阶梯以最大限度的逼近正弦波，从而降低输出电压中的谐波含量，减小波形畸变，以满足电 网的谐波要求。三相模块化多电平换流器的基本结构(如图1所示)是由三相六个桥臂构成，每 相有上、下两个桥臂。每个桥臂分别由一个桥臂串联电感k和若干个结构相同的子模块级 联而成。每个子模块包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和 直流电容并联的第二电力电子开关。由于MMC的三相桥臂相当于并联在直流侧，而稳态运行时各个桥臂间的电压又不 可能完全一致，因此必然会在MMC的三相桥臂间产生内部环流，从而使本来正弦的桥臂电 流波形发生畸变。屠卿瑞等人的“模块化多电平换流器型直流输电内部环流机理分析”(高 电压技术，2010，36 (02)，547 552)对内部环流的产生机理进行了详细的研究，指出其为2 倍基波频率，且为负序性质，同时还给出了桥臂电感值和环流大小的计算公式，指出可以通 过适当增大桥臂电感的取值，将内部环流的大小限制在一定的范围内。但上述仅仅采用增大桥臂电感取值来抑制环流的方式，只是被动地增大了环流阻 抗，不可能完全消除环流，并且这种增大桥臂电感的方法需要增加设备投资，在实际工程 中，特别是在高压大容量的应用场合，增大高压电抗器中电感的取值需要付出非常高昂的 成本。
技术实现思路
本专利技术提供了一种三相模块化多电平换流器的环流抑制方法，在不增加桥臂串联 电感大小的情况下，仅通过设计的控制方法生成用于抑制环流的附加控制信号，再通过已 有的脉宽调制方法在桥臂电压中实现该附加控制信号，就可以将MMC内部环流抑制在非常 低的水平，从而解决上述现有技术中存在的问题。—种三相模块化多电平换流器的环流抑制方法，该三相模块化多电平换流器由三 相六个桥臂构成，每个桥臂由一个电感和若干个结构相同的子模块级联而成，每个子模块 包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和直流电容并联的第 二电力电子开关，所述的环流抑制方法包括以下步骤(1)计算三相各自的内部电流i_，每相内部电流isunj由该相的上、下桥臂电流iw. 和inj相加后除以二得到；其中j = a, b，c，分别代表abc三相，p表示上桥臂，n表示下桥3臂； (2)将三相的内部电流iSUffl1按a-c-b的相序排列，进行二倍频负序坐标变换，即乘以变换矩阵Ta。b/dq，得到内部环流的d、q轴分量i 其中，变换矩阵Ta。b/dq的形式为 其中e = 2co0t, 为电网基波角频率，t为时间，变换矩阵的相序为a-c-b;(3)将预设的环流d轴分量参考值i2fd &减去内部环流d轴分量i2fd后得到环流 d轴误差值，对其进行信号处理后与电压前馈量2 丸 i2fq相加，得到附加控制信号的d轴参考值 usumd_ref ；将预设的环流q轴分量参考值i2fq &减去内部环流q轴分量i2fq后得到环流q轴 误差值，对其进行信号处理后减去电压前馈量2 山^ i2fd，得到附加控制信号的q轴参考值 为电网基波角频率，L0为桥臂串联电感；所述的环流d轴分量参考值i2fd M和环流q轴分量参考值i2f(LMf为环流抑制的目 标参考值，本专利技术中，为了完全抑制环流，将环流d轴分量参考值i2fd M和环流q轴分量参 考值i2fq—均设为零；所述的信号处理可以通过现有技术来实现，如通过对所述的环流d、q轴误差值 进行比例调节或比例积分调节来实现，即，将所述的环流d、q轴误差值输入比例调节器，经 比例调节器处理后会产生一个误差放大信号输出；或者，将所述的环流d、q轴误差值输入 比例积分调节器，由于比例积分调节器的输出由两部分相加构成，第一部分是根据输入的 误差值产生一个误差放大信号后得到，第二部分是将输入的误差值对时间积分后得到，因 此经比例积分调节器处理后产生的信号输出为第一、二部分输出的相加。(4)将步骤(3)生成的附加控制信号的d、q轴参考值uSUffld 和us胃,ef进行逆变 换，即乘以逆变换矩阵Tdq/a。b后，得到环流抑制附加控制信号其中，逆变换矩阵Tdq/a。b的形式为cos 6-sin 汐cos(0 + -sin(0 + ~)其中e = 2co0t, 为电网基波角频率，t为时间，逆变换矩阵的相序为a-c-b;(5)用1/2的直流母线电压值Ud。/2减去步骤(4)中生成的环流抑制附加控制信号 uSUfflJ_ref,再减去换流器交流侧输出电压参考值ej &，得到j相上桥臂电压的参考值up用1/2的直流母线电压值Ud。/2减去步骤(4)中生成的环流抑制附加控制信号ij_refsumj_ref后，再加上换流器交流侧输出电压参考值ref,得到j相下桥臂电压的参考值u:nj_ref4其中，换流器交流侧输出电压参考值ejMf可以通过已有应用的外环功率控制方法 和内环电流控制方法生成，也可以通过其他已有的非线性控制方法生成，换流器交流侧输 出电压参考值h 是主要用于控制MMC外部电压电流特性的信号，对本专利技术提出的MMC内 部环流抑制控制方法不产生影响；(6)步骤(5)得到的上下桥臂电压参考值upj Mf和unj Mf，通过脉宽调制后，生成的 触发脉冲来控制相应六个桥臂上各个子模块电力电子开关的开通与关断，使得桥臂电压的 实际值与桥臂电压的参考值相同，实现对各桥臂电压的控制，从而消除环流。换流器每相内部电流均由一个直流电流和二倍基波频率的交流电流叠加而成，这 个二倍基波频率的交流电流就是要消除的桥臂环流。在采用本专利技术的环流抑制方法后，换 流器每相内部电流中的桥臂环流含量迅速下降，桥臂环流的幅值下降明显，抑制效果显著； 同时，换流器每相各桥臂电流迅速从原来的畸变状态恢复为正弦状态。本专利技术的三相模块化多电平换流器环流抑制方法，利用二倍基波频率的负序旋转 坐标变换，对检测到的桥臂电流进行处理后，再通过信号处理(比例调节或比例积分调节) 和前馈补偿环节，得到用于抑制环流的附加控制信号。然后用直流电压值的二分之一减去 该附加控制信号，再与已有的换流器交流侧输出电压参考信号叠加后，得到桥臂电压参考 值，而后进行脉宽调制得到模块化多电平换流器各个桥臂的触发脉冲，使换流器输出相应 的电压(即，使换流器桥臂电压的实际值与参考值相同)，并实现对各桥臂电压的控制，从 而消除环流。本专利技术的三相模块化多电平换流器的环流抑制方法，可以在不增加桥臂串联电感 大小的情况下，将三相模块化多电平换流器的内部环流抑制在非常低的水平，基本消除了 桥臂电流的畸变而使其恢复正弦，从而可以降低三相模块化多电平换流器的建设成本，避 免为了抑制环流而被迫增大桥臂电感所带来的造价的增加。附图说明图1为三相模块化多电平换流器基本结构示意图；图2为本专利技术的三相模块化多电平换流器的环流抑制方法的示本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相模块化多电平换流器的环流抑制方法，该三相模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个桥臂串联电感和若干个结构相同的子模块级联而成，每个子模块包括与直流电容串联的第一电力电子开关以及与第一电力电子开关和直流电容并联的第二电力电子开关，其特征在于，所述的环流抑制方法包括以下步骤：（１）计算三相各自的内部电流ｉ↓［ｓｕｍｊ］，每相内部电流ｉ↓［ｓｕｍｊ］由该相的上、下桥臂电流ｉ↓［ｐｊ］和ｉ↓［ｎｊ］相加后除以二得到；其中ｊ＝ａ，ｂ，ｃ，分别代表ａｂｃ三相，ｐ表示上桥臂，ｎ表示下桥臂；（２）将三相的内部电流ｉ↓［ｓｕｍｊ］按ａ－ｃ－ｂ的相序排列，进行二倍频负序坐标变换Ｔ↓［ａｃｂ／ｄｑ］得到内部环流的ｄ、ｑ轴分量ｉ↓［２ｆｄ］、ｉ↓［２ｆｑ］；其中，Ｔ↓［ａｃｂ／ｄｑ］为变换矩阵，如下式所示：＊＊＊其中θ＝２ω↓［０］ｔ，ω↓［０］为电网基波角频率，ｔ为时间，变换矩阵的相序为ａ－ｃ－ｂ；（３）将预设的环流ｄ轴分量参考值ｉ↓［２ｆｄ＿ｒｅｆ］减去内部环流ｄ轴分量ｉ↓［２ｆｄ］得到环流ｄ轴误差值，对其进行信号处理后与电压前馈量２ω↓［０］Ｌ↓［０］.ｉ↓［２ｆｑ］相加，得到附加控制信号的ｄ轴参考值ｕ↓［ｓｕｍｄ＿ｒｅｆ］；将预设的环流ｑ轴分量参考值ｉ↓［２ｆｑ＿ｒｅｆ］减去内部环流ｑ轴分量ｉ↓［２ｆｑ］后得到环流ｑ轴误差值，对其进行信号处理后减去电压前馈量２ω↓［０］Ｌ↓［０］.ｉ↓［２ｆｄ］，得到附加控制信号的ｑ轴参考值ｕ↓［ｓｕｍｑ＿ｒｅｆ］；其中，ω↓［０］为电网基波角频率，Ｌ↓［０］为桥臂串联电感；所述的信号处理通过比例调节或比例积分调节来实现；（４）将步骤（３）生成的附加控制信号的ｄ、ｑ轴参考值ｕ↓［ｓｕｍｄ＿ｒｅｆ］、ｕ↓［ｓｕｍｑ＿ｒｅｆ］进行逆变换Ｔ↓［ｄｑ／ａｃｂ］后，得到环流抑制附加控制信号ｕ↓［ｓｕｍｊ＿ｒｅｆ］；其中，Ｔ↓［ｄｑ／ａｃｂ］为逆变换矩阵，如下式所示：＊＊＊其中θ＝２ω↓［０］ｔ，ω↓［０］为电网基波角频率，ｔ为时间，逆变换矩阵的相序为ａ－ｃ－ｂ；（５）用１／２的直流母线电压值Ｕ↓［ｄｃ］／２减去步骤（４）中生成的环流抑制附加控制信号ｕ↓［ｓｕｍｊ＿ｒｅｆ］，再减去换流器交流侧输出电压参考值ｅ↓［ｊ＿ｒｅｆ］，得到ｊ相上桥臂电压的参考值ｕ↓［ｐｊ＿ｒｅｆ］；用１／２的直流母线电压值Ｕ↓［ｄｃ］／２减去步骤（４）中生成的环流抑制附加控制信号ｕ↓［ｓｕｍｊ＿ｒｅｆ］后，再加上...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：徐政，屠卿瑞，翁华，黄弘扬，薛英林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：86[中国|杭州]