CN103095167A - 一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法

技术领域

本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法。

背景技术

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1)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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法，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。

本发明提供的一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法，其改进之处在于，所述方法包括如下步骤：

（1）计算每相桥臂环流指令值i_zrefj；

（2）计算每相上桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej和下桥臂子模块电容电压平均值u_cnavej；

（3）计算每相实际的桥臂环流i_zj和用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压u_zrefj；

（4）计算每相上桥臂电压的指令值u_prefj和下桥臂电压的指令值u_nrefj；

（5）计算每相上桥臂投入模块数指令值n_prefj和下桥臂投入模块数指令值n_nrefj；

（6）根据步骤（5）得到的上桥臂投入模块数指令值n_prefj、下桥臂投入模块数指令值n_nrefj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（1）所述计算每相桥臂环流指令值i_zrefj的步骤为；

1）换流器交流侧输出电压正序分量e_refj ⁺和交流输出电流指令i_srefj的相乘得到瞬时功率p_refj ⁺；

2）求解步骤1）得到的瞬时功率p_refj ⁺的直流分量p_0refj ⁺；

3）根据所述直流分量p_0refj ⁺和直流电压指令值u_dcref求解桥臂环流直流正序分量指令值i_zrefj ⁺；

4）换流器交流侧输出电压负序分量e_refj ^-和交流输出电流指令i_srefj的相乘得到瞬时功率p_refj ^-；

5）求解步骤4）得到的瞬时功率p_refj ^-的直流分量p_0refj ^-；

6）根据所述直流分量p_0refj ^-和直流电压指令值u_dcref求解桥臂环流直流负序分量指令值i_zrefj ^-；

7）根据所述桥臂环流直流正序分量指令值i_zrefj ⁺和所述桥臂环流直流负序分量指令值i_zrefj ^-；求取三相桥臂环流指令值i_zrefj。

其中，步骤（2）所述上桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej和下桥臂子模块电容电压平均值u_cnavej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i_zj由该相上下桥臂电流i_pj和i_nj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u_zrefj是将每相桥臂环流指令值i_zrefj与所述实际的每相桥臂环流i_zj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u_prefj的计算方法是将1/2的直流电压指令值u_dcref/2减去换流器交流侧输出电压指令值e_refj后，再减去步骤（3）中得到的调制电压u_zrefj后得到。

其中，步骤（4）所述每相下桥臂电压的指令值u_nrefj的计算方法是将1/2的直流电压指令值u_dcref/2加上换流器交流侧输出电压指令e_refj后，再减去步骤（3）中得到的调制电压u_zrefj后得到；

其中，步骤（5）所述计算每相上桥臂投入模块数指令值n_prefj的方法是将步骤（4）得到的指令值u_prefj除以步骤（2）得到的此相上桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej，并通过四舍五入得到。

其中，步骤（5）所述计算每相下桥臂投入模块数指令值n_nrefj的方法是将步骤（4）得到的指令值u_nrefj除以步骤（2）得到的此相下桥臂子模块电容电压平均值u_cnavej，，并通过四舍五入得到。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明最大程度上实现了桥臂谐波环流的抑制，不仅实现了模块化多电平换流器的相间能量平衡，而且保证了上下桥臂和总的子模块电容电压的平衡。所提出控制方法对交流对称及不对称工况均适用；

本发明明确了模块化多电平换流器期间桥臂环流稳态及暂态控制目标，便于实现对桥臂环流的直接控制；

本发明可同时并有效解决上下桥臂间、相间以及总的子模块能量平衡控制问题，有效避免了暂态期间子模块电容电压可能出现的过压或欠压现象；

本发明的桥臂环流抑制具有较高暂态控制性能，鲁棒性强，对于不对称故障也适用；

本发明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。

附图说明

图1为本发明提供的模块化多电平换流器结构示意图。

图2为本发明提供的桥臂环流指令值的计算步骤示意图。

图3为本发明提供的能量平衡控制策略示意图。

图4为本发明提供的直接环流控制下的桥臂环流示意图，其中横轴为时间（单位秒），纵轴为桥臂环流（单位千安）。

图5为本发明提供的A相上桥臂子模块电压平均值示意图，其中横轴为时间（单位秒），纵轴为A相上桥臂子模块电压平均值（单位千伏）。

图6为本发明提供的A相下桥臂子模块电压平均值示意图，其中横轴为时间（单位秒），纵轴为A相下桥臂子模块电压平均值（单位千伏）。

图7为本发明提供的三相子模块电压和（uall）与与桥臂输出电压和（upn），其中u_all为三相子模块电压和，u_pn为桥臂输出电压和，横轴为时间（单位秒），纵轴为电压值（单位兆伏）。

图8为本发明提供的桥臂环流指令及其响应，其中I_zA为A相环流的实际响应值，I_zAref为A相环流的指令值，I_zB为B相环流的实际响应值，I_zBref为B相环流的指令值，I_zC为C相环流的实际响应值，I_zCrf为C相环流的指令值，横轴为时间（单位秒），纵轴为环流指令值（单位千安）。

图9为本发明提供的三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

针对模块化多电平换流器内部能量平衡控制问题，本实施例提供了一种三相模块化多电平换流器上下桥臂间、相间以及总的子模块电容电压平衡控制方法。在本实施例中，通过所设计的控制方法生成用于动态跟踪所预估的桥臂环流指令值的附加调制信号，再通过最近电平调制方法在桥臂电压中实现该附加控制信号。所设计的控制方法，对于对称交流电网及不对称交流电网均适用，实现了上下桥臂，相间及总的子模块电容电压平衡，弥补了现有技术存在的不足。

本实施例提供的一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法，其流程图如图9所示，具体包括如下步骤：

（1）计算每相桥臂环流指令值i_zrefj；其中j=A，B，C分别代表A，B，C三相（下同）；

计算每相桥臂环流指令值i_zrefj的过程如图2所示，具体包括如下步骤：

1）换流器交流侧输出电压正序分量e_refj ⁺和交流输出电流指令i_srefj的相乘得到瞬时功率p_refj ⁺；

2）求解步骤1）得到的瞬时功率p_refj ⁺的直流分量p_0refj ⁺；

3）根据所述直流分量p_0refj ⁺和直流电压指令值u_dcref求解桥臂环流直流正序分量指令值i_zrefj ⁺；

4）换流器交流侧输出电压负序分量e_refj ^-和交流输出电流指令i_srefj的相乘得到瞬时功率p_refj ^-；

5）求解步骤4）得到的瞬时功率p_refj ^-的直流分量p_0refj ^-；

6）根据所述直流分量p_0refj ^-和直流电压指令值u_dcref求解桥臂环流直流负序分量指令值i_zrefj ^-；

7）根据所述桥臂环流直流正序分量指令值i_zrefj ⁺和所述桥臂环流直流负序分量指令值i_zrefj ^-；求取每相桥臂环流指令值i_zrefj。

所述的e_refj ⁺、e_refj ^-分别为换流器交流侧输出电压正序分量和负序分量，i_srefj为交流输出电流指令；e_refj ⁺、e_refj ^-和i_srefj均可以用过已有的外环功率控制方法和内部电流控制方法生成，也可以用过其他已有的非线性控制方法生成；e_refj ⁺、e_refj ^-主要是换流器交流侧电压特性的信号，i_srefj主要是用于控制换流器交流侧电流特性的信号，两者对本发明提出的能量平衡控制方法不产生影响；e_refj ⁺和i_srefj的乘积得到正序电压e_refj ⁺所对应的瞬时功率p_refj ⁺，e_refj ^-和i_srefj的乘积得到负序电压e_refj ^-所对应的瞬时功率p_refj ^-，p_0refj ⁺、p_0refj ^-分别为p_refj ⁺和p_refj ^-的直流分量；i_zrefj ⁺、i_zrefj ^-分别对应p_0refj ⁺、p_0refj ^-的桥臂环流直流分量指令值。

（2）计算各桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej、u_cnavej；p代表上桥臂，n代表下桥臂（下同）；

所述的桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej、u_cnavej由各桥臂子模块电容电压加权平均而得，各子模块电容电压实际值可通过子模块控制器反馈给换流阀阀级控制等设备获得。

（3）计算每相实际的桥臂环流i_zj由该相上下桥臂电流i_pj和i_nj相加后除以2得到；将桥臂环流指令值i_zrefj与实际值i_zj作差，并通过一个电流跟踪算法处理后，得到用于跟踪桥臂环流指令值的附加调制电压u_zrefj；

所述的电流跟踪可以由已有的电流控制技术得到。

（4）计算每相上桥臂电压的指令值u_prefj和每相下桥臂电压的指令值u_nrefj；其步骤为：

所述每相桥臂电压的指令值u_prefj的计算方法是将1/2的直流电压指令值u_dcref/2减去换流器交流侧输出电压指令值e_refj后，再减去步骤（3）中得到的调制电压u_zrefj后得到。

所述每相下桥臂电压的指令值u_nrefj的计算方法是将1/2的直流电压指令值u_dcref/2加上换流器交流侧输出电压指令e_refj后，再减去步骤（3）中得到的调制电压u_zrefj后得到。

（5）由步骤（4）得到最终的每相上下桥臂输出电压指令值u_prefj、u_nrefj，分别对应除以步骤（2）所得每相上下桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej、u_cnavej，经四舍五入后得到每相上下桥臂投入模块数指令值n_prefj、n_nrefj，如图3所示；

（6）根据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各子模块投入或者切除，实现单桥臂内部子模块电容电压平衡。

单桥臂内部子模块电容电压平衡可通过已有的方法实现。

按照所述的子模块电压平衡控制方法，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，如图5、图6和图7所示，桥臂环流实际值和指令值保证一致，如图8所示，从而实现了换流器能量平衡控制。

特别说明的是如果没有步骤（3）的附加调制电压u_zrefj，桥臂环流中将出现大量的谐波电流，特别当交流系统不对称时，还将出现上下桥臂、相间电压以及总的电压不平衡，直流电压、电流将出现二倍频波动。如果有步骤（3）所述附加调制电压u_zrefj，桥臂环流中谐波分量将大大减少（如图4所示）。

MMC内部能量不平衡，即子模块电容电压的不平衡，将表现为桥臂环流出现谐波分量。在采用本发明的控制方法后，能够使得子模块电容电压及桥臂环流跟随设定值，同时保持交直流输出电压特性不变。所设计的控制方法对交流电网对称及不对称工况均适用。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

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i_zrefj； 

（2）计算每相上桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej和下桥臂子模块电容电压平均值u_cnavej； 

（3）计算每相实际的桥臂环流i_zj和用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压u_zrefj； 

（4）计算每相上桥臂电压的指令值u_prefj和下桥臂电压的指令值u_nrefj； 

（5）计算每相上桥臂投入模块数指令值n_prefj和下桥臂投入模块数指令值n_nrefj； 

（6）根据步骤（5）得到的上桥臂投入模块数指令值n_prefj、下桥臂投入模块数指令值n_nrefj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.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（1）所述计算每相桥臂环流指令值i_zrefj的步骤为； 

1）换流器交流侧输出电压正序分量e_refj ⁺和交流输出电流指令i_srefj的相乘得到瞬时功率p_refj ⁺； 

2）求解步骤1）得到的瞬时功率p_refj ⁺的直流分量p_0refj ⁺； 

3）根据所述直流分量p_0refj ⁺和直流电压指令值u_dcref求解桥臂环流直流正序分量指令值i_zrefj ⁺； 

4）换流器交流侧输出电压负序分量e_refj ^-和所述交流输出电流指令i_srefj的相乘得到瞬时功率p_refj ^-； 

5）求解步骤4）得到的瞬时功率p_refj ^-的直流分量p_0refj ^-； 

6）根据所述直流分量p_0refj ^-和所述直流电压指令值u_dcref求解桥臂环流直流负序分量指令值i_zrefj ^-； 

7）根据所述桥臂环流直流正序分量指令值i_zrefj ⁺和所述桥臂环流直流负序分量指令值i_zrefj ^-；求取三相桥臂环流指令值i_zrefj。 

3.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（2）所述上桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej和下桥臂子模块电容电压平均值u_cnavej由各桥臂子模块电容电压加权平均得到。 

4.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（3）所述每相实际的桥臂环流i_zj由该相上下桥臂电流i_pj和i_nj相加后除以2得到。 

5.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（3）所述用于跟踪桥臂环流指令值的调制电压u_zrefj是将每相桥臂环流指令值i_zrefj与所述实际的每相桥臂环流i_zj作差，通过电流跟踪算法计算后得到。 

6.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（4）所述每相桥臂电压的指令值u_prefj的计算方法是将1/2的直流电压指令值u_dcref/2减去换流器交流侧输出电压指令值e_refj后，再减去步骤（3）中得到的调制电压u_zrefj后得到。 

7.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（4）所述每相下桥臂电压的指令值u_nrefj的计算方法是将1/2的直流电压指令值u_dcref/2加上换流器交流侧输出电压指令e_refj后，减去步骤（3）中得到的调制电压u_zrefj后得到。 

8.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（5）所述计算每相桥臂投入模块数指令值n_prefj的方法是将步骤（4）得到的指令值u_prefj除以步骤（2）得到的此相上桥臂子模块电容电压平均值u_cpavej，并通过四舍五入后得到。 

9.如权利要求1所述的能量平衡控制方法，其特征在于，步骤（5）所述计算下桥臂投入模块数指令值n_nrefj的方法是将步骤（4）得到的指令值u_nrefj除以步骤（2）得到的此相下桥臂子模块电容电压平均值u_cnavej，并通过四舍五入后得到。 

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