CN103368432A - 柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法及控制装置先通过对功率和电压电流的闭环控制得到三相调制波，根据三相调制波或收到的直流控制保护系统下发的调制波、子模块个数与由子模块额定电压计算得到的低频每个桥臂应投入子模块个数及每个桥臂子模块投入个数的插值增量，通过高频FPGA运算器在低频桥臂投入子模块个数上叠加一个高频插值增量，得到高频率的桥臂调制指令，实现高电平数的输出。本发明可以可满足柔性直流输电多电平换流器的调制要求，可节约软硬件资源，突破DSP等传统数字控制器控制周期长、频率低、输出电平数低等限制，实现低控制频率下高电平数甚至全电平的输出，可显著降低输出电压谐波，提高输出电能质量。
Description
技术领域
本发明属于涉及电力系统柔性输配电、电力电子和用户电力技术领域，具体涉及一种柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法及控制装置。
背景技术
随着全控型电力电子器件的发展和电力电子技术在电力系统中的应用，基于电压源换流器的柔性直流输电（VSC-HVDC）技术日益受到重视。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter)是VSC-HVDC系统中应用的电压源换流器的一种，它由多个半桥或全桥式子模块按照一定的方式连接而成，通过分别控制各个子模块IGBT组件的投入和切除状态使换流器输出的交流电压逼近正弦波，实现能量的高效传输。
多电平变换器的PWM控制技术与多电平变换器拓扑结构的提出是共生的，因为它不仅决定多电平变换器的实现与否，而且对多电平变换器的电压输出波形质量、系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。多电平变换器功能的实现，不仅要有适当的电路拓扑结构做基础，还要有相应的PWM控制方式作为保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。
阶梯波调制法实际上是对作为模拟信号的参考电压的一个量化逼近过程，它对功率半导体器件的开关频率没有很高的要求，所以可以用于低开关频率的大功率器件，如GTO实现，控制上硬件实现方便。由于开关频率较低，输出电压谐波含量较大，常用于电力系统直流输电和无功补偿等场合。这类方法的代表应属特定次谐波消去法(Selective Harmonic Elimination,SHE)，它的特点是触发角度先根据欲消去的任意某些次谐波离线计算出来，使得器件的开关频率很低、效率提高并可以使用空冷。其缺点是触发角度的计算是基于稳态波形的傅里叶级数，通过求解一系列超越方程组得到的。所以，对于较高电平换流器(如用于直流输电和无功补偿的MMC)，对应非线性超越方程组的阶数比电平数还要高，有时几乎是无法求解的。
中国专利申请号201010565126.5公开了一种基于非线性规划的阶梯波脉宽调制方法，根据调制度的增大或减小，相应地计算出所需投入或切除部分子模块个数，达到所要的交流电压输出；然后通过选取触发角的初值，再借助理论输出阶梯波形的傅里叶变换结果，以换流器输出的阶梯波中基波分量相对于给定的调制波的逼近误差最小为目标，建立该调制方法的非线性规划数学模型；最后即可得到相应电平数和调制度下触发角的解。但是这种调制方法是以牺牲总谐波畸变率为代价实现在线实时计算以满足高电压大功率任意电平换流器的运行需要的，是精度和速度的折中。
为了对潮流和电压进行准确的控制，模块化多电平换流器先通过对功率、直流电压等闭环控制，计算出换流器每一相需输出的交流电压波，即调制波，然后再使用传统调制方法由调制波得到每个子模块上开关器件的开通和关断信号。现有调制控制装置包括阀控DSP控制器和桥臂控制器，且阀控DSP控制器与桥臂控制器直接控制连接，由于控制系统需要进行的运算量大，阀控制器中的主要控制器件DSP控制器的控制频率与直流控制保护的控制频率都被限制在一个较低的程度上，所计算出的调制波分辨率低，因此模块化多电平变流器所能输出的电平数也被限制在一个较低的水平下，多电平输出电压谐波低的优势也不能体现。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法，通知提供一种使用该调制方法的控制装置，以解决现有调制方法输出电平数低的问题。
为了实现以上目的，本发明提供的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法技术方案如下，该方法包括如下步骤：
（1）阀控DSP控制器通过闭环控制运算计算得到三相调制波或接收直流控制保护系统下发的调制波；
（2）根据调制波通过阶梯波转化方法计算得到低频每个桥臂应投入子模块个数以及每个桥臂子模块投入个数的插值增量，所述差值增量用于从低频调制到高频调制过程中补偿所述低频时每个桥臂应投入子模块个数；DSP控制器将各桥臂应投入的子模块个数和对应的插值增量传输给高频FPGA运算器；
（3）阀控制器上的高频FPGA运算器在它的每个高频控制周期里，将每个桥臂应投入子模块个数与对应的插值增量相叠加，生成当前高频控制周期里的各桥臂应投入的对应子模块个数Ki，1≤i≤6，并下发给相应的桥臂控制器；
（4）桥臂控制器收到各桥臂应投入子模块个数后，结合桥臂电流方向和桥臂子模块电压的排序结果，将其转化为每个子模块的开关信号，进而控制每个子模块的开关。
所述步骤（4）中各桥臂控制器控制每个子模块的开关过程如下：对任一桥臂i，投入Ki个子模块，若该桥臂为充电电流方向的桥臂，则该Ki个子模块为该桥臂子模块电压由低到高排列的前Ki个子模块，若该桥臂为放电电流方向的桥臂，则该Ki个子模块为该桥臂子模块电压由高到低排列的前Ki个子模块。
所述步骤（1）中DSP控制器的闭环控制在两相同步旋转坐标系dq轴下进行，并对电网电压的相位进行锁相，得到两相坐标系下的闭环控制结果后，再使用电网电压相位进行两相同步旋转坐标系到三相坐标系dq/abc的坐标变换进而得到三相调制波。
所述步骤（1）中由三相调制波计算各桥臂应投入的子模块个数，使每相的输出电压，逼近该相的调制波，同时每相上、下桥臂的投入个数之和相等且等于设定的桥臂子模块个数N，以保证直流电压的恒定。
所述步骤（1）中计算桥臂子模块投入个数的插值增量时，使用当前时刻电网电压相位对当前时刻调制波进行坐标变换abc/dq,再使用补偿了一个控制周期相位的电网电压相位进行坐标变换dq/abc，这样超前得到了下一个控制三相调制波，然后以此来计算出下一周期桥臂应投入子模块个数，再与当前周期的个数相减，并除以阀控DSP控制器的频率和高频FPGA运算器的频率差的倍数，就得到了插值增量。
本发明提供的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制控制装置技术方案如下：包括阀控DSP控制器、高频FPGA运算器和桥臂控制器，所述阀控DSP控制器的输出与高频FPGA运算器控制连接，高频FPGA运算器的输出与桥臂控制器通信连接
本发明的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法及控制装置先通过对功率和电压电流的闭环控制得到三相调制波，根据三相调制波或收到的直流控制保护系统下发的调制波、子模块个数与由子模块额定电压计算得到的低频每个桥臂应投入子模块个数及每个桥臂子模块投入个数的插值增量，由于阀控DSP控制器和高频FPGA运算器存在频率差，FPGA运算器高于阀控DSP控制器，通过高频FPGA运算器在低频桥臂投入子模块个数上叠加一个高频插值增量，得到高频率的桥臂调制指令，就实现高电平数的输出。本发明可以可满足柔性直流输电多电平换流器的调制要求，可节约软硬件资源，突破DSP等传统数字控制器控制周期长、频率低、输出电平数低等限制，实现低控制频率下高电平数甚至全电平的输出，可显著降低输出电压谐波，提高输出电能质量；可以灵活的施加在传统控制方法上，实现方法简单方便。
附图说明
图1为本发明模块化多电平换流器调制方法原理图；
图2为由调制波得到子模块投入个数的最近电平阶梯波调制法的原理图，其中纵坐标已按照桥臂子模块个数进行了标幺处理；
图3为插值增量的计算与高频阶梯波的生成原理图，其中纵坐标已按照桥臂子模块个数进行了标幺处理，即1代表着投入的子模块个数为桥臂模块个数N。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
如图1所示为本发明柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法的原理图，由图可知，该调制方法使用的阀控制装置包括阀控制器和桥臂控制器，阀控制器包括阀控制板上的DSP控制器以及控制板上的高频FPGA运算器，且DSP控制器与高频FPGA运算器之间通过双口RAM控制连接以进行数据传输；阀控制器和桥臂控制器通过数据光纤通信连接。
该方法包括如下步骤：
（1）阀控DSP控制器通过闭环控制运算计算得到三相调制波或通过通讯接收直流控制保护系统下发的调制波；
（2）根据调制波通过阶梯波转化方法计算得到低频每个桥臂应投入子模块个数以及每个桥臂子模块投入个数的插值增量，该差值增量用于从低频调制到高频调制过程中补偿所述低频时每个桥臂应投入子模块个数；DSP控制器将各桥臂应投入子模块个数和对应的插值增量通过双口RAM传输给高频FPGA运算器；
如图1所示，模块化多电平换流器阀控制器先在两相同步旋转坐标系dq下，在分别使用当前电网电压相位和补偿了一个控制周期的电网电压相位对dq轴输出进行dq/abc坐标变换，得到了当前时刻对应的三相调制波，与下一周期对应的三相调制波，或由调制波得到低频的桥臂子模块应投入的个数Lowfreq_arm_sm_in，使得每相输出电压逼近调制波，且同一相上下桥臂子模块投入个数值和为N(即桥臂的子模块个数)，每相投入的子模块个数之和相同，直流电压也因此稳定。
DSP控制器的闭环控制在两相同步旋转坐标系dq轴下进行，通过对电压电流的计算，得到dq轴的输出，并对电网电压的相位进行锁相，得到两相坐标系下的闭环控制结果后，再使用电网电压相位进行两相同步旋转坐标系到三相坐标系dq/abc的坐标变换进而得到三相调制波；然后，再由三相调制波或者通过通信得到的直流控制保护系统下发的调制波通过图2(纵坐标按照桥臂子模块个数N标幺)的阶梯波(即桥臂子模块投入个数)转化方法（该方法为现有技术，此处不再赘述），计算得到低频的各桥臂应投入的子模块个数，使每相的输出电压即上下两桥臂连接中点的输出电压逼近该相的调制波，同时每相上、下桥臂的投入个数之和相等且等于设定的桥臂子模块个数N，以保证直流电压的恒定。
如图3所示，在计算桥臂子模块投入个数的插值增量时，使用当前时刻电网电压相位对当前时刻调制波进行坐标变换abc/dq，再使用补偿了一个控制周期相位的电网电压相位进行坐标变换dq/abc，这样超前得到了下一个控制三相调制波，然后以此来计算出下一周期桥臂应投入子模块个数，再与当前周期的应投入子模块个数相减，并除以阀控DSP控制器的频率和高频FPGA运算器的频率差的倍数，就得到了插值增量。
（3）阀控制器上的高频FPGA运算器在它的每个高频控制周期里，将每个桥臂应投入子模块个数与对应的插值增量相叠加，即不断将插值增量步长叠加在前一时刻输出的阶梯波之上，生成当前高频控制周期里的各桥臂应投入的对应子模块个数Ki，1≤i≤6，并通过数据光纤传输将高频的阶梯波下发给六个相应的桥臂控制器；
（4）桥臂控制器收到各桥臂应投入子模块个数后，结合桥臂电流方向和桥臂子模块电压的排序结果，将其转化为每个子模块的开关信号，进而控制每个子模块的开关。
各桥臂控制器控制每个子模块的开关过程如下：对任一桥臂i，投入Ki个子模块，若该桥臂为充电电流方向的桥臂，则该Ki个子模块为该桥臂子模块电压由低到高排列的前Ki个子模块，若该桥臂为放电电流方向的桥臂，则该Ki个子模块为该桥臂子模块电压由高到低排列的前Ki个子模块。
桥臂电流充电方向是指该电流的流向会对所处于投入状态的子模块电容CSM进行充电；子模块投入状态指子模块上开关闭合，下开关断开，子模块电容CSM串联在桥臂中；子模块切除状态指子模块上开关断开，下开关闭合，子模块在桥臂中被旁路；即上桥臂组的桥臂电流由直流端流向交流端为充电方向，下桥臂组的桥臂电流由交流侧流向直流侧为充电方向，反之为放电方向。
Claims (6)
1.一种柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）阀控DSP控制器通过闭环控制运算计算得到三相调制波或接收直流控制保护系统下发的调制波；
（2）根据调制波通过阶梯波转化方法计算得到低频每个桥臂应投入子模块个数以及每个桥臂子模块投入个数的插值增量，所述差值增量用于从低频调制到高频调制过程中补偿所述低频时每个桥臂应投入子模块个数；DSP控制器将各桥臂应投入的子模块个数和对应的插值增量传输给高频FPGA运算器；
（3）阀控制器上的高频FPGA运算器在它的每个高频控制周期里，将每个桥臂应投入子模块个数与对应的插值增量相叠加，生成当前高频控制周期里的各桥臂应投入的对应子模块个数Ki，1≤i≤6，并下发给相应的桥臂控制器；
（4）桥臂控制器收到各桥臂应投入子模块个数后，结合桥臂电流方向和桥臂子模块电压的排序结果，将其转化为每个子模块的开关信号，进而控制每个子模块的开关。
2.根据权利要求1所述的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于：所述步骤（4）中各桥臂控制器控制每个子模块的开关过程如下：对任一桥臂i，投入Ki个子模块，若该桥臂为充电电流方向的桥臂，则该Ki个子模块为该桥臂子模块电压由低到高排列的前Ki个子模块，若该桥臂为放电电流方向的桥臂，则该Ki个子模块为该桥臂子模块电压由高到低排列的前Ki个子模块。
3.根据权利要求2所述的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于：所述步骤（1）中DSP控制器的闭环控制在两相同步旋转坐标系dq轴下进行，并对电网电压的相位进行锁相，得到两相坐标系下的闭环控制结果后，再使用电网电压相位进行两相同步旋转坐标系到三相坐标系dq/abc的坐标变换进而得到三相调制波。
4.根据权利要求3所述的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于：所述步骤（1）中由三相调制波计算各桥臂应投入的子模块个数，使每相的输出电压，逼近该相的调制波，同时每相上、下桥臂的投入个数之和相等且等于设定的桥臂子模块个数N，以保证直流电压的恒定。
5.根据权利要求4所述的柔性直流输电模块化多电平换流器的调制方法，其特征在于：所述步骤（1）中计算桥臂子模块投入个数的插值增量时，使用当前时刻电网电压相位对当前时刻调制波进行坐标变换abc/dq,再使用补偿了一个控制周期相位的电网电压相位进行坐标变换dq/abc，这样超前得到了下一个控制三相调制波，然后以此来计算出下一周期桥臂应投入子模块个数，再与当前周期的个数相减，并除以阀控DSP控制器的频率和高频FPGA运算器的频率差的倍数，就得到了插值增量。
6.一种柔性直流输电模块化多电平换流器的调制控制装置，其特征在于：包括阀控DSP控制器、高频FPGA运算器和桥臂控制器，所述阀控DSP控制器的输出与高频FPGA运算器控制连接，高频FPGA运算器的输出与桥臂控制器通信连接。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: XUJI ELECTRIC CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: XUJI GROUP CO., LTD. Effective date: 20131128 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20131128 Address after: No. 1298 Xuchang City, Henan province 461000 XJ Avenue Applicant after: Xuji Electric Co., Ltd. Applicant after: Xi'an XJ Power Electronics Technology Co., Ltd. Address before: No. 1298 Xuchang City, Henan province 461000 XJ Avenue Applicant before: Xuji Group Co., Ltd. Applicant before: Xi'an XJ Power Electronics Technology Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |