CN103248261A - 模块化多电平换流器的环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

模块化多电平换流器的环流抑制方法，属于电力电子领域，本发明为解决现有多电平换流器适用范围有局限性的问题。本发明通过检测各子模块的电容电压，利用前馈控制使各子模块输出电压不受电容电压波动的影响，进而主动消除环流的发生源。同时利用反馈控制来进一步增加环流控制的精度，增强控制系统的稳定性。本方法能够实现环流的准确控制，降低换流器的损耗和功率器件的电流应力，减小子模块电容电压的波动幅度。并且本方法能够解决现有环流抑制技术无法适用于单相系统以及三相不对称系统的问题。

Description

模块化多电平换流器的环流抑制方法

技术领域

本发明涉及模块化多电平换流器的环流抑制方法，属于电力电子领域。

背景技术

近年来，模块化多电平换流器(Modular Multilevel Convener，MMC)作为新兴的高压大功率交直流变换技术受到人们的广泛关注。其拓扑结构是由多个结构相同的子模块堆叠而成，三相模块化多电平换流器如图1所示，单相模块化多电平换流器如图2所示，图1和图2中的每个子模块由一个半桥拓扑和一组电容器构成，如图3所示，相比传统的两电平、三电平变换器，MMC通过增加子模块数可灵活地扩展到高电压大功率，能工作在较低的开关频率，具备很高的转换效率、很小的电压电流尖峰，以及非常低的输出电压谐波含量等优点，使其十分适用于柔性直流输电等高压大功率电能变换的场合。

MMC换流器每一相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感和若干个结构相同的子模块堆叠而成，每个子模块含有一个半桥功率单元和一组电容器。稳态工作时，在桥臂电流的作用下，每个子模块中的电容器都会进行周期性的充放电，使得该电容电压含有一定的纹波，而该纹波又会影响到各子模块的输出电压，造成上下桥臂输出电压之和不能恒等于MMC的直流侧电压，该电压差进而将在桥臂电感上引发环流。此环流为二次基波频率，沿着MMC每相中的上下桥臂流过。环流的存在将增大MMC桥臂电流的峰值，使功率器件的电流应力加大、损耗上升，此外还会增大各子模块电容电压的波动幅度。

针对MMC中的环流问题，可通过增大桥臂电感量的方法对其进行抑制，但该方法并不能从根本上消除环流，且过大的电感量会降低MMC的响应速度、增大装置的体积、增加投资成本。在先申请的中国专利《一种三相模块化多电平换流器环流抑制方法》，公开号为CN101854061A，公开日期为2010年10月6日，该专利中利用二倍频负序旋转坐标系将三相环流进行dq变换，进而通过比例积分控制器，达到较好的环流抑制的效果。但该方法需要进行坐标变换等复杂的计算，且仅适用于三相对称系统当中。当三相电压电流不对称或MMC各相之间电容和电感参数不一致时，该方法将失效，同时该方法也无法应用在如图2所示的单相MMC换流器中，有一定的局限性。

发明内容

本发明目的是为了解决现有多电平换流器适用范围有局限性的问题，提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制方法。

本发明所述模块化多电平换流器的环流抑制方法，该方法涉及的模块化多电平换流器为单相模块化多电平换流器或三相模块化多电平换流器，单相模块化多电平换流器由两组上桥臂和两组下桥臂构成单相全桥结构，三相模块化多电平换流器由三组上桥臂和三组下桥臂构成三相全桥结构，每个上桥臂和每个下桥臂的结构相同，均由n个子模块和一个电感L串联构成，每个子模块由一个半桥功率单元和一组电容器C构成，半桥功率单元包括第一IGBT晶体管S1和第二IGBT晶体管S2;

第一IGBT晶体管S1的集电极和电容C的一端相连;

第一IGBT晶体管S1的发射极连接第二IGBT晶体管S2的集电极，连接点引出线作为子模块的正极端;

第二IGBT晶体管S2的发射极和电容C的另一端相连，并作为子模块的负极端;

第一IGBT晶体管S1和第二IGBT晶体管S2均为带反并联二极管的IGBT;

模块化多电平换流器中每相的子模块调制方法相同，模块化多电平换流器的任意一相中共有2n个子模块，

该方法包括以下步骤:

步骤一、采集某一相中第i个子模块的电容电压u_{C_i}，i＝1，2，...，2n，

并通过低通滤波器得到第i个子模块电容电压的直流成分并按公式

${\mathrm{\δ}}_i\left(t\right)=\stackrel{\‾}{u_{C\_i}}/u_{C\_i}$

获取第i个子模块的修正因子δ_i(t)；

步骤二、将该相中2N个子模块电容电压的直流成分求和，得到

将其与该相总的电容电压给定指令U_C ^*相减，其差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出环流反馈控制的给定指令

步骤三、采集该相的上桥臂电流i_p和下桥臂电流i_n，并根据公式

i_D＝(i_p+i_n)/2

获取该相的环流i_D；

步骤四、将步骤三获取的环流i_D与环流反馈控制的给定指令

做减法，其差值送入第二PI调节器进行调整，第二PI调节器输出参考信号微调指令Δu；

步骤五、按公式u_r＝u_s+Δu获取修正前调制信号u_r，其中，u_s为电压参考信号；

步骤六、令修正前调制信号u_r与第i个子模块的修正因子δ_i(t)相乘后得到第i个子模块进行PWM调制的预调制信号u′_{r_i}，由PWM调制器进行PWM调制，生成第i个子模块的开关信号，对模块化多电平换流器的环流进行抑制。

本发明的优点:本发明提出了一种前馈控制与反馈控制相结合的环流抑制方法。前馈控制通过检测各子模块的电容电压，计算得到一个修正因子，进而从根本上消除了环流的发生源。为了防止前馈控制的性能因电容电压的检测误差而下降，本发明同时采用反馈控制来进一步增加环流控制的精度，增强控制系统的稳定性。本发明与其他现有环流抑制技术相比，环流控制的精度更高、响应更快，且适应性更强，能够适用在任何对称或不对称的三相MMC换流器以及单相MMC换流器当中。

附图说明

图1是背景技术中三相模块化多电平换流器的拓扑结构图;

图2是背景技术中单相模块化多电平换流器的拓扑结构图;

图3是图1和图2的子模块的具体电路图;

图4是模块化多电平变换器其中一相的电路结构示意图;

图5是本发明所述模块化多电平换流器的环流抑制方法的控制原理框图。

具体实施方式

具体实施方式一:下面结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式所述模块化多电平换流器的环流抑制方法，该方法涉及的模块化多电平换流器为单相模块化多电平换流器或三相模块化多电平换流器，单相模块化多电平换流器由两组上桥臂和两组下桥臂构成单相全桥结构，三相模块化多电平换流器由三组上桥臂和三组下桥臂构成三相全桥结构，每个上桥臂和每个下桥臂的结构相同，均由n个子模块和一个电感L串联构成，每个子模块由一个半桥功率单元和一组电容器C构成，半桥功率单元包括第一IGBT晶体管S1和第二IGBT晶体管S2;

第一IGBT晶体管S1的集电极和电容C的一端相连;

第一IGBT晶体管S1的发射极连接第二IGBT晶体管S2的集电极，连接点引出线作为子模块的正极端;

第二IGBT晶体管S2的发射极和电容C的另一端相连，并作为子模块的负极端;

第一IGBT晶体管S1和第二IGBT晶体管S2均为带反并联二极管的IGBT;

模块化多电平换流器中每相的子模块调制方法相同，模块化多电平换流器的任意一相中共有2n个子模块，

该方法包括以下步骤:

步骤一、采集某一相中第i个子模块的电容电压u_{C_i}，i＝1，2，...，2n，

并通过低通滤波器得到第i个子模块电容电压的直流成分并按公式

${\mathrm{\δ}}_i\left(t\right)=\stackrel{\‾}{u_{C\_i}}/u_{C\_i}$

获取第i个子模块的修正因子δ_i(t);

步骤二、将该相中2N个子模块电容电压的直流成分求和，得到将其与该相总的电容电压给定指令U_C ^*相减，其差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出环流反馈控制的给定指令

步骤三、采集该相的上桥臂电流i_p和下桥臂电流i_n，并根据公式

i_D＝(i_p+i_n)/2

获取该相的环流i_D;

步骤四、将步骤三获取的环流i_D与环流反馈控制的给定指令

做减法，其差值送入第二PI调节器进行调整，第二PI调节器输出参考信号微调指令Δu;

步骤五、按公式u_r＝u_s+Δu获取修正前调制信号u_r，其中，u_s为电压参考信号;

步骤六、令修正前调制信号u_r与第i个子模块的修正因子δ_i(t)相乘后得到第i个子模块进行PWM调制的预调制信号u′_{r_i}，由PWM调制器进行PWM调制，生成第i个子模块的开关信号，对模块化多电平换流器的环流进行抑制。

步骤二中对MMC一相中总的电容电压进行闭环控制的主要目的是保证MMC换流器中存储的能量为恒定。

步骤四中环流反馈控制的目的是为了进一步增加环流控制的精度，增强控制系统的稳定性。

PWM调制器最终生成各子模块中功率器件S₁、S₂的开关触发信号，实现MMC换流器中环流的抑制。

通过检测各子模块的电容电压，利用前馈控制使各子模块输出电压不受电容电压波动的影响，进而主动消除环流的发生源。同时利用反馈控制来进一步增加环流控制的精度，增强控制系统的稳定性。本方法能够实现环流的准确控制，降低换流器的损耗和功率器件的电流应力，减小子模块电容电压的波动幅度。并且本方法能够解决现有环流抑制技术无法适用于单相系统以及三相不对称系统的问题。

具体实施方式二:本实施方式对实施方式一作进一步说明，由于各子模块电容电压的前馈控制基本可将环流限制在很小的范围内，因此，第二PI调节器的控制带宽高于环流频率，以提升控制的响应速度。且第一PI调节器的带宽低于第二PI调节器的带宽的1/10。

以上列举的仅是本发明的一个具体实施例，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.模块化多电平换流器的环流抑制方法，该方法涉及的模块化多电平换流器为单相模块化多电平换流器或三相模块化多电平换流器，单相模块化多电平换流器由两组上桥臂和两组下桥臂构成单相全桥结构，三相模块化多电平换流器由三组上桥臂和三组下桥臂构成三相全桥结构，每个上桥臂和每个下桥臂的结构相同，均由n个子模块和一个电感L串联构成，每个子模块由一个半桥功率单元和一组电容器C构成，半桥功率单元包括第一IGBT晶体管S1和第二IGBT晶体管S2;

第一IGBT晶体管S1的集电极和电容C的一端相连;

第一IGBT晶体管S1的发射极连接第二IGBT晶体管S2的集电极，连接点引出线作为子模块的正极端;

第二IGBT晶体管S2的发射极和电容C的另一端相连，并作为子模块的负极端;

第一IGBT晶体管S1和第二IGBT晶体管S2均为带反并联二极管的IGBT;

其特征在于，模块化多电平换流器中每相的子模块调制方法相同，模块化多电平换流器的任意一相中共有2n个子模块，

该方法包括以下步骤:

步骤一、采集某一相中第i个子模块的电容电压u_{C_i}，i＝1，2，...，2n，

并通过低通滤波器得到第i个子模块电容电压的直流成分并按公式

δ_i(t)＝u_{C_i}/u_{C_i}

获取第i个子模块的修正因子δ_i(t);

步骤二、将该相中2N个子模块电容电压的直流成分求和，得到

将其与该相总的电容电压给定指令U_C ^*相减，其差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出环流反馈控制的给定指令

步骤三、采集该相的上桥臂电流i_p和下桥臂电流i_n，并根据公式

i_D＝(i_p+i_n)/2

获取该相的环流i_D;

步骤四、将步骤三获取的环流i_D与环流反馈控制的给定指令

做减法，其差值送入第二PI调节器进行调整，第二PI调节器输出参考信号微调指令Δu;

步骤五、按公式u_r＝u_s+Δu获取修正前调制信号u_r，其中，u_s为电压参考信号;

步骤六、令修正前调制信号u_r与第i个子模块的修正因子δ_i(t)相乘后得到第i个子模块进行PWM调制的预调制信号M′_{r_i}，由PWM调制器进行PWM调制，生成第i个子模块的开关信号，对模块化多电平换流器的环流进行抑制。

2.根据权利要求1所述模块化多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，第二PI调节器的控制带宽高于环流频率，且第一PI调节器的带宽低于第二PI调节器的带宽的1/10。

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