CN102332809B - 三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法，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，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。采用该直流电压波动抑制方法，可以在交流系统发生不对称故障的情况下，消除直流母线电压中的二次谐波，避免这个二次谐波流入对端换流器造成危害。

Description

三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法

技术领域

本发明涉及电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体涉及三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法。

背景技术

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(submodule，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L₀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。

由于在交流系统不对称故障的情况下，交流系统中可能会出现负序分量和零序分量，从而产生大量的谐波注入换流器和直流系统，可能会引起电力电子设备的过电压和过电流等现象，危及到设备的安全运行。

刘钟淇等人的“采用MMC变流器的VSC-HVDC系统故障态研究”(电力电子技术，2010，44(09)，69～71)，借鉴二电平电压源换流器的正负零序控制器结构，提出了针对MMC故障时的系统正负零序控制器。虽然该控制器可以将交流系统电流中的负序和零序分量消除，但并不能消除故障情况下MMC内部相单元总电压中的零序二倍频分量。由于内部相单元总电压与直流电压密切相关，因此故障时的直流电压和直流电流中仍然存在二次谐波分量。这个谐波分量会在直流线路上传递，带来不必要的损耗，同时还会传递到对端换流器，从而危害对端系统的安全。

发明内容

针对交流系统故障情况下换流器直流母线电压存在二次谐波(二倍频波动)的问题，本发明提供了一种三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法。本发明中，通过设计的控制方法生成用于抑制直流电压波动的附加控制信号，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，从而消除交流系统故障情况下MMC型直流输电系统的直流电压中的二次谐波，防止其传递到对端系统并造成危害，从而解决上述现有技术中存在的问题。

一种三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法，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，所述的直流电压波动抑制方法包括以下步骤：

(1)将三相上、下桥臂电压u_pj、u_nj(共六个桥臂电压)相加后除以三，获得三个相单元内部的零序电压u_diff0，其中j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相，p表示上桥臂，n表示下桥臂；

(2)将所述的零序电压u_diff0通过一个带通滤波算法处理后，获得用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相，这里a、b、c三相的附加控制信号相等，即u_{diffa_ref}＝u_{diffb_ref}＝u_{diffc_ref}；

(3)用1/2的直流母线电压值U_dc/2减去步骤(2)中生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}后，再减去所述的三相模块化多电平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}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相；

用1/2的直流母线电压值U_dc/2减去步骤(2)中生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}后，再加上所述的三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}，得到j相下桥臂电压的参考值u_{nj_ref}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相；

(4)由步骤(3)得到的j相上、下桥臂电压参考值u_{pj_ref}和u_{nj_ref}，通过脉宽调制后生成触发脉冲，以控制相应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，从而可以在交流系统不对称故障的情况下，消除MMC直流电压的二倍频波动，相应直流电流中的二倍频波动也同时被消除。

步骤(2)中，所述的带通滤波算法可以用传递函数表示为：

其中，K₀为零序分量的比例增益系数，ω_c为截止频率，为抑制直流电压中的二次谐波，这里取为两倍的基波频率，即ω_c＝2ω₀，ω₀为基波频率，ξ为阻尼比，s为拉普拉斯算子；

步骤(3)中，所述的三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}可以通过已有技术产生，比如通过外环功率控制技术和内环电流控制技术生成，也可以通过其他已有的非线性控制技术生成。所述的三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}是用于控制MMC外部交流侧电压电流特性的信号，对本发明提出的MMC直流电压波动抑制方法不产生影响，但由于e_{j_ref}是保证MMC正常运行的基础，因此在生成最后的桥臂电压参考值u_{pj_ref}和u_{nj_ref}时，还必须考虑此信号。

需要特别说明的是，如果步骤(3)中没有加入本发明提出的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}，而仅仅只考虑1/2直流母线电压值U_dc/2和交流侧输出电压参考值e_{j_ref}，即：用1/2的直流母线电压值U_dc/2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；同时用1/2的直流母线电压值U_dc/2加上换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}，得到j相下桥臂电压的参考值，并将这两个桥臂电压参考值用于脉宽调制，那么，此时，在交流系统不对称情况下，只能保证MMC交流侧电压和电流达到要求，而直流侧电压和电流中则仍会出现严重的二次谐波，可能会使三相模块化多电平换流器无法正常运行，并产生不必要的损耗和干扰。而本发明通过加入用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}，则可以消除上述情况下直流侧电压和电流中存在的二次谐波。

MMC换流器的直流电压在正常情况下不存在二倍频的波动，但当交流系统发生不对称故障的情况下，MMC的直流电压中就会产生二倍频的波动分量。在采用本发明的直流电压波动抑制方法后，消除了换流器直流母线电压中的二次谐波，由此二次谐波电压引起的直流母线中的二次谐波电流也同时被消除，从而可以有效防止其传递到对端系统而造成危害。

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为本发明的三相模块化多电平换流器直流电压波动抑制方法的示意图。

图3为本发明的用于抑制直流电压波动的附加控制信号的生成过程。

图4为未采用本发明的抑制方法时，三相模块化多电平换流器直流母线的电压波形的示意图。

图5为采用本发明的直流电压波动抑制方法后，三相模块化多电平换流器直流母线电压波形的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所述具体实施例所限。

如图1所示，三相模块化多电平换流器由a、b、c三相共六个桥臂构成，其中每相均有上下两个桥臂。每个桥臂1分别由一个桥臂串联电感L₀和N个子模块2级联而成。子模块SM1～SMN结构相同，每个子模块2由第一电力电子开关T₁、第二电力电子开关T₂(T₁、T₂选用具有自关断能力的电力电子开关，通常为IGBT、IGCT、GTO等，本实施例采用IGBT)、与第一电力电子开关反并联的二极管D₁、与第二电力电子开关反并联的二极管D₂以及直流电容C构成。其中，电容C与第一电力电子开关T₁串联后，再与第二电力电子开关T₂并联。每相的上桥臂中由N个子模块的输出电压之和构成桥臂电压u_pj，每相的下桥臂中由N个子模块的输出电压之和构成桥臂电压u_nj，下标p和n分别表示上桥臂和下桥臂；下标j＝a，b，c，分别表示a，b，c三相。桥臂电压的参考方向如图1中所示。

如图2所示的三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法的示意图中，u_pj和u_nj为测得的桥臂电压值，u_{diffj_ref}为按图3所示的方法和过程生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号。e_{j_ref}为三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值，可以由外环功率控制技术和内环电流控制技术得到，也可以由其他非线性控制技术得到，属于现有技术。U_dc为直流母线电压。最后分别得到j相上桥臂和下桥臂电压的参考值u_{pj_ref}和u_{nj_ref}，将它们送入脉宽调制环节(现有技术中多采用多电平载波相移或载波层叠调制算法)，生成相应的触发脉冲来控制各个子模块电力电子开关T₁、T₂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，从而消除直流母线电压中的二次谐波。

如图2和图3所示，一种三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法，具体步骤如下：

(1)测量每相的上、下桥臂电压u_pj和u_nj，其中，下标p表示上桥臂，下标n表示下桥臂，下标j＝a，b，c，分别表示a、b、c三相；将三相上、下桥臂共六个桥臂的桥臂电压相加(u_pa+u_na+u_pb+u_nb+u_pc+u_nc)后除以三，获得三个相单元内部的零序电压u_diff0；

(2)将此零序电压u_diff0通过一个带通滤波算法处理后，即可获得用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相，这里a、b、c三相的附加控制信号相等，即u_{diffa_ref}＝u_{diffb_ref}＝u_{diffc_ref}；

该带通滤波算法可以用传递函数表示为：

其中，K₀为零序分量的比例增益系数，ω_c为截止频率，为抑制直流电压中的二次谐波，这里取为两倍的基波频率，即ω_c＝2ω₀，ω₀为基波频率，ξ为阻尼比，s为拉普拉斯算子；

(3)用1/2的直流母线电压值U_dc/2减去步骤(2)中生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}后，再减去三相模块化多电平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}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相；

用1/2的直流母线电压值U_dc/2减去步骤(2)中生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}后，再加上三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}，得到j相下桥臂电压的参考值u_{nj_ref}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相；

其中，三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}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e_{j_ref}是主要用于控制MMC外部交流电压电流特性的信号，对本实施例中的MMC直流电压波动抑制方法不产生影响；

(4)由步骤(3)得到的j相上、下桥臂电压参考值u_{pj_ref}和u_{nj_ref}，通过脉宽调制后生成触发脉冲，用来控制相应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，从而可以在交流系统不对称故障的情况下，消除MMC直流电压的二倍频波动，相应直流电流中的二倍频波动也同时被消除。

图4是未采用本发明的直流电压波动抑制方法的情况下，三相模块化多电平换流器直流母线电压的波形。从图4中可以看出，在1.0秒时由于交流系统发生了不对称故障，MMC的直流电压中出现了明显的二倍频波动(二次谐波)。这个谐波分量会带来不必要的损耗和干扰，同时会传递到对端换流器，危害整个系统的安全运行。

图5是采用本发明的直流电压波动抑制方法后，换流器直流母线电压的波形。与图4对比后发现，同样在1.0秒时交流系统发生了不对称故障，由于应用本发明的直流电压波动抑制方法，换流器直流电压中的二次谐波被完全消除，从而减小了这个有害的谐波分量对换流器运行安全的威胁。

以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法，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，所述的直流电压波动抑制方法包括以下步骤：

(1)将三相上、下桥臂电压u_pj、u_nj相加后除以三，获得三个相单元内部的零序电压u_diff0，其中j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相，p表示上桥臂，n表示下桥臂；

(2)将所述的零序电压u_diff0通过一个带通滤波算法处理后，获得用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相，这里a、b、c三相的附加控制信号相等，即u_{diffa_ref}＝u_{diffb_ref}＝u_{diffc_ref}；

(3)用1/2的直流母线电压值U_dc/2减去步骤(2)中生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}后，再减去所述的三相模块化多电平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}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相；

用1/2的直流母线电压值U_dc/2减去步骤(2)中生成的用于抑制直流电压波动的附加控制信号u_{diffj_ref}后，再加上所述的三相模块化多电平换流器交流侧输出电压参考值e_{j_ref}，得到j相下桥臂电压的参考值u_{nj_ref}，其中，j＝a，b，c，分别代表a、b、c三相；

(4)由步骤(3)得到的j相上、下桥臂电压参考值u_{pj_ref}和u_{nj_ref}，通过脉宽调制后生成触发脉冲，以控制相应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。

2.如权利要求1所述的三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的带通滤波算法用传递函数表示为：

其中，K₀为零序分量的比例增益系数，ω_c为截止频率，取值为两倍的基波频率，ξ为阻尼比，s为拉普拉斯算子。

Images