一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法技术

本发明专利技术提供一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法，其步骤包括：（1）计算每相桥臂环流指令值；（2）计算每相上桥臂子模块电容电压平均值和下桥臂子模块电容电压平均值；（3）计算每相实际的桥臂环流和用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压；（4）计算每相上桥臂电压的指令值和下桥臂电压的指令值；（5）计算每相上桥臂投入模块数指令值和下桥臂投入模块数指令值；（6）根据步骤（5）得到的上桥臂投入模块数指令值、下桥臂投入模块数指令值和桥臂电流方向，控制每相上桥臂和下桥臂的子模块投入或者切除。本发明专利技术在保证内部能量平衡控制的同时，保证了交直流电压输出特性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力系统柔性直流输电
，具体涉及。
技术介绍
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter, MMC)采用目前国际上较为流行的新型多电平拓扑结构。其模块化设计、良好的扩展性等性能在高压直流输电等领域具有广阔的应用前景。其是由多个子模块(Submodule，SM)堆叠而成，如图1所示，通过控制子模块的投入和退出，就可以控制交流侧输出电压，从而实现交直流功率交换。同时，所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，从而减少甚至无需配置滤波装置。模块化多电平换流器的核心单元——子模块(Sub Module, SM)如图1中的3所示，是由半桥结构的IGBT模块和电容器并联构成，每个半桥结构的IGBT模块包括反并联二极管和可自关断的电力电子开关器件IGBT。其基本拓扑结构(如图1)所示，与H桥级联型多电平结构类似，模块化多电平换流器由三个相单元(Phase Module或Phase Unite,图1中的I)组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂(Converter Leg)(如图1中的2所示)，而每个换流桥臂又由多个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。正常运行时，模块化多电平换流器通过控制子模块中两个开关器件的开通关断，合理地控制各相子模块的投入和切除数，可以得到不同的交流输出电压。换流器各相投入的子模块共同构成了直流侧电压。由此可见，换流器内部能量的平衡即子模块电容电压的平衡直接关系到换流器交直流侧输出电压质量。目前关于模块化多电平换流器子模块电容电压平衡控制的研究大多以交流系统对称为前提，根据研究内容可以分为 两类:单桥臂子模块电容电压平衡控制；相间电压平衡控制。其中单桥臂子模块电容电压的平衡控制是相间电压平衡控制的基础。单桥臂子模块电容电压平衡控制的一种主要方法是根据桥臂电流、子模块电容电压大小及当前投入模块数指令，确定各子模块的投入与切出。相间电压平衡控制主要有两种方法:一种控制方式是以相间能量为控制目标的电压平衡控制；此外，由于相间电压的不平衡会产生以二倍频负序为主的谐波环流，另外一种控制方法即通过抑制相间二倍频负序谐波环流来实现相间电压平衡。事实上，模块化多电平换流器的电压平衡应包括各桥臂子模块电容电压平衡控制，各相上下桥臂间电压平衡控制，相间电压平衡控制以及总的子模块电容电压平衡控制。其中各桥臂内部子模块电容电压的平衡是其他三者的基础，上下桥臂间电压的不平衡会产生基频谐波环流，相间电压不平衡会导致二倍频谐波环流，而总的子模块电容电压的平衡会导致交直流功率的不平衡。徐政、屠卿瑞等人的“一种三相模块化多电平换流器环流抑制方法”(申请号:201010162065.8)，提出了一种以抑制桥臂环流二倍频谐波的相间电压平衡控制方法。具体过程为: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指令值；最后，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。此方法只是用于相间电容电压的平衡，对于上下桥臂电容电压的平衡以及总的子模块电容电压的平衡并未涉及。同时，该控制方法是在两相旋转坐标系下实现的，对于交流电网不对称相间电容电压的平衡控制并不适用。徐政、屠卿瑞等人的“三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法”(申请号:201110274735.X)，提出了一种不对称交流电网下，三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法。具体过程为:首先，利用检测到的换流器桥臂电压，计算得到相单元内部的零序电压分量；再次，通过带通滤波算法，得到用于抑制直流母线电压二倍频波动的附加控制信号；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指令值；最后，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。上述控制方法一定程度上消除了总的子模块电容电压二倍频波动对直流侧输出电压的影响，但交流电网不对称期间换流器内部能量的平衡控制并未详细论述。上述两种子模块电容电压平衡控制方法其共同的不足在于:第一，两种控制方式均未设计上下桥臂电容电压的平衡控制，以及总的电容电压平衡；第二，未能对交流系统故障工况下模块化多电平换流器桥臂环流控制目标进行明确。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供，通过控制抑制桥臂环流的谐波电流，以实现换流器上下桥臂、相间以及总的电压平衡控制。本专利技术提供的，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤:(I)计算每相桥臂环流指令值izrefJ ；(2)计算每相上桥臂子模块电容电压平均值UepavM和下桥臂子模块电容电压平均 11.1J=1-以cnavej，(3)计算每相实际的桥臂环流izj和用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压uz_ ；(4)计算每相上桥臂电压的指令值Uprefj和下桥臂电压的指令值Umefj ；(5)计算每相上桥臂投入模块数指令值IVm和下桥臂投入模块数指令值nmrfj ；(6)根据步骤(5)得到的上桥臂投入模块数指令值rvefj、下桥臂投入模块数指令值和桥臂电流方向，分别控制每相上桥臂和下桥臂各子模块投入或者切除的状态。根据现有的单桥臂内部子模块电压平衡控制技术，采用本方法，即便是交流侧出现三相不对称，也可保证子模块电容电压的相对稳定，桥臂环流实际值和指令值保证一致，从而实现了换流器能量平衡控制。其中，步骤(I)所述计算每相桥臂环流指令值iZMfj的步骤为；I)换流器交流侧输出电压正序分量eMfj+和交流输出电流指令iSMfj的相乘得到瞬时功率Pm/;2)求解步骤I)得到的瞬时功率Pm/的直流分量Pteef/ ;3)根据所述直流分量Pteefj+和直流电压指令值Udraef求解桥臂环流直流正序分量指令值izraf/ ；4)换流器交流侧输出电压负序分量eMfj_和交流输出电流指令iSMfj的相乘得到瞬时功率;5)求解步骤4)得到的瞬时功率p___的直流分量Pteefj-;6)根据所述直流分量和直流电压指令值ud_f求解桥臂环流直流负序分量指令值iz_._ ；7)根据所述桥臂环流直流正序分量指令值iZMf/和所述桥臂环流直流负序分量指令值iz,e‘ ；求取三相桥臂环流指令值iz,efJ。其中，步骤(2 )所述上桥臂子模块电容电压平均值和下桥臂子模块电容电压平均值由各桥臂子模块电容电压加权平均得到。其中，步骤(3)所述每相实际的桥臂环流izj由该相上下桥臂电流ipj和inj相加后除以2得到。其中，步骤(3)所述用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压是将每相桥臂环流指令值与所述实际的每相桥臂环流L作差，通过电流跟踪算法计算后得到。其中，步骤(4)所述每相桥臂电压的指令值的计算方法是将1/2的直流电压指令值ud_f/2减去换流器交流侧输出电压指令值后，再减去步骤(3)中得到的调制电压 Uzrefj 后得到。其中，步骤(4)所述每相下桥臂电压的指令值Unr^的计算方法是将1/2的直流电压指令值ud_f/2加上换流器交流侧输出电压指令后，再减去步骤(3)中得到的调制电压Uzraf j后得到；其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：?（1）计算每相桥臂环流指令值izrefj；?（2）计算每相上桥臂子模块电容电压平均值ucpavej和下桥臂子模块电容电压平均值ucnavej；?（3）计算每相实际的桥臂环流izj和用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压uzrefj；?（4）计算每相上桥臂电压的指令值uprefj和下桥臂电压的指令值unrefj；?（5）计算每相上桥臂投入模块数指令值nprefj和下桥臂投入模块数指令值nnrefj；?（6）根据步骤（5）得到的上桥臂投入模块数指令值nprefj、下桥臂投入模块数指令值nnrefj和桥臂电流方向，分别控制每相上桥臂和下桥臂各子模块投入或者切除的状态。

【技术特征摘要】
1.一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤: (1)计算每相桥臂环流指令值iZMfj; (2)计算每相上桥臂子模块电容电压平均值Uepavy.和下桥臂子模块电容电压平均值Ucnavej ， (3)计算每相实际的桥臂环流L和用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压u_fj； (4)计算每相上桥臂电压的指令值和下桥臂电压的指令值Umefj； (5)计算每相上桥臂投入模块数指令值IV&和下桥臂投入模块数指令值n_fj； (6)根据步骤(5)得到的上桥臂投入模块数指令值IV&、下桥臂投入模块数指令值1^&和桥臂电流方向，分别控制每相上桥臂和下桥臂各子模块投入或者切除的状态。2.按权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤(I)所述计算每相桥臂环流指令值的步骤为； 1)换流器交流侧输出电压正序分量erefj+和交流输出电流指令iSMfj的相乘得到瞬时功率 Prefj ; 2)求解步骤I)得到的瞬时功率pMfj+的直流分量Pteef/； 3)根据所述直流分量Pterf/和直流电压指令值Udrarf求解桥臂环流直流正序分量指令 ^zrefj 4)换流器交流侧输出电压负序分量和所述交流输出电流指令的相乘得到瞬时功率; 5)求解步骤4)得到的瞬时功率的直流分量Pttefj-； 6)根据所述直流分量和所述直流电压指令值Udrarf求解桥臂环流直流负序分量指令值izrafJ_ ； 7)根据所述桥臂环流直流正序分量指令值iZMf/和所述桥臂环流直流负序分量指令值Izrefj^ ...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔明，杨杰，林畅，李文津，米琳，阎发友，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，中电普瑞电力工程有限公司，辽宁省电力有限公司大连供电公司，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：