CN103944431B

CN103944431B - 一种模块化多电平换流器的控制方法

Info

Publication number: CN103944431B
Application number: CN201410163943.6A
Authority: CN
Inventors: 王跃; 丛武龙; 曹穆; 付建国
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Nissin Electric Wuxi Co Ltd
Priority date: 2014-04-22
Filing date: 2014-04-22
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2034-04-22
Also published as: CN103944431A

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器控制方法，在获取各相中上桥臂及下桥臂所需投入的模块数时，通过先通过对交流侧的模块化多电平换流器进行离散化，得到价值函数，然后根据各相中投入的模块数通过组合的方式得到所有组合下上桥臂及下桥臂可能出现的电压值，然后将所有可能出现的电压值带入到价值函数中，从而得到当价值函数取最小值时上桥臂及下桥臂投入的模块数量，然后再根据桥臂电流的方向在上桥臂及下桥臂中选取需要投入的模块投入使用，本发明可以使模块化多电平换流器具有良好的稳态及暂态性能。

Description

一种模块化多电平换流器的控制方法

技术领域

本发明属于柔性直流输领域，具体涉及一种模块化多电平换流器控制方法。

背景技术

随着直流输电技术的不断发展，基于电压源换流器的高压直流输电(VSC-HVDC)由于其在可再生能源并网、无源网络供电、城市电网供电、异步交流电网互联等领域的独特优势正取代传统基于晶闸管的直流输电方式。模块化多电平换流器(MMC)由于其模块化，易扩展，谐波含量低等特点已成为柔性直流输电领域最受欢迎的电压源换流器拓扑。

模块化多电平换流器正常运行时需要完成对交流侧电流、直流侧电压的控制，在用于直流输电的系统中，传统的控制策略是采用电压电流双闭环控制策略实现对交流侧电流以及直流侧电压的控制，这种控制策略能够实现上述控制目标，但存在两个问题，其中一个问题是电压环以及电流环都需要调节控制系统的PI(比例积分器)参数，两个环的PI参数都需要独立调节，实现较为繁琐；另一个是基于电流内环的电流调节器的暂态阶跃特性以及稳态跟踪特性性能有限。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种模块化多电平换流器的控制方法，该方法可以使模块化多电平换流器具有良好的稳态及暂态性能。

为达到上述目的，本发明所述的模块化多电平换流器控制方法包括以下步骤：

1)对交流侧的模块化多电平换流器进行离散化，得价值函数

其中，V_dc代表直流侧电压值，T_S为采样时间，t为当前时刻的时间点，设L为模块化多电平换流器的交流侧等效电感，L'＝L/2，K'＝L/2/T_S，i_xref(t+T_S)为交流侧电流在t+T_S时刻的给定值，u_sx(t+T_S)为交流侧电压在t+T_S时刻的给定值，i_x(t)为交流侧电流在t时刻的采样值，i_xcir(t)为交流侧电流t时刻的环流值，V_xdown(t+T_S)及V_xup(t+T_S)分别为上桥臂及下桥臂在t+T_S时刻的电压预测值；

2)所述模块化多电平换流器内设有3相，每个相设有上桥臂及下桥臂，上桥臂及下桥臂内均设有若干模块，根据桥臂电流的方向分别对每个相中上桥臂及下桥臂内的所有模块按照模块电压值的大小进行排序，分别得模块排列V′_xu(i)及V′_xd(i)；

3)设模块化多电平换流器中每一相投入的模块数为2N个，则当上桥臂投入的数目为m，下桥臂投入的数目为N-m，则有[上桥臂投入的数目，下桥臂投入的数目]＝{[0,N],[1,N-1],[2,N-2]…[N,0]}，然后分别计算各组合投入后在t+T_S时刻上桥臂及下桥臂可能出现的电压值V_xdown(j)及V_xup(j)，其中

V_xup(j)为当上桥臂投入j个模块时上桥臂的电压，V_xdown(j)为当上桥臂投入j个模块时下桥臂的电压，x与模块化多电平换流器内相的数量相同，I_xu为当上桥臂投入j个模块时上桥臂的电流，I_xd为上桥臂投入j个模块时下桥臂的电流，j＝0,1,2,3…N，C为电容C1的电容值；

4)将步骤3得到的所有可能出现的桥臂电压值V_xdown(j)及V_xup(j)带入到式(4)中，得N+1个价值函数的值J(j),j＝0,1,2...N.，其中，J(j)代表上桥臂投入j个模块时的价值函数，设当j＝m时价值函数取得最小值，那么上桥臂及下桥臂投入的模块数分别为m及N-m；

5)当桥臂电流为正时，则将上桥臂内模块电压值最小的m个模块投入，将下桥臂内模块电压值最小的N-m个模块投入；当桥臂电流为负时，则将上桥臂内模块电压最大的m个模块投入，将下桥臂内模块电压值最大的N-m个模块投入。

步骤1)的具体步骤为：将交流侧的模块化多电平换流器离散化，得到的价值函数为

J＝J₁+J₂ (1)

其中J₁为在t+T_S时刻交流侧电流预测值与参考值的偏差，J₁为

其中，T_S为采样时间，t为当前时间的时间点，设L为模块化多电平换流器的交流侧等效电感，L'＝L/2，K'＝L/2/T_S，i_xref(t+T_S)为交流侧电流在t+T_S时刻的给定值，u_sx(t+T_S)为电源在t+T_S时刻的电压值，i_x(t)为交流侧电流在t时刻的采样值，V_xdown(t+T_S)和V_xup(t+T_S)分别为上桥臂及下桥臂在t+T_S时刻的电压值；

J₂为t+T_s时刻环流预测值，J₂表达式为：

其中，

根据公式(2)及(3)得价值函数为

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的模块化多电平换流器的控制方法在获取各相中上桥臂及下桥臂所需投入的模块数时，先通过对模块化多电平换流器进行离散化，得到价值函数，然后根据各相中投入的模块数通过组合的方式得到所有组合下上桥臂及下桥臂可能出现的电压值，然后将所有可能出现的电压值带入到价值函数中，从而得到当价值函数取最小值时上桥臂及下桥臂投入的模块数量，然后再根据桥臂电流的方向在上桥臂及下桥臂中选取需要投入的模块投入使用，从而可以代替传统的额电流内环，无需调节内环PI参数，直接根据价值函数最优值进行选取，并且每次选取的模块数都是最优的选择，具有良好的稳态及暂态性能。

附图说明

图1为本发明中实施例一中模块化多电平换流器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的模块化多电平换流器的控制方法包括以下步骤：

1)对交流侧的模块化多电平换流器进行离散化，得价值函数

J＝J₁+J₂ (1)

J₂为t+T_s时刻环流预测值，J₂表达式为：

其中，

根据公式(2)及(3)得价值函数为

实施例一

参考图1，模块化多电平换流器由3相6桥臂组成，设每个桥臂有N个模块，每一相则有2N个模块，在任意时刻每一相投入包含的两个桥臂内的N个模块才能保持直流侧电压恒定

假定N＝8，即每个桥臂有8个模块，以A相为例进行说明；

按照实际物理连接顺序将A相上桥臂模块标记为SMu1到SMu8，并假设SMu1～SMu8的电压分别为V_au(1)、V_au(2)、V_au(3)、V_au(4)、V_au(5)、V_au(6)、V_au(7)、V_au(8)。

按照实际物理连接顺序将A相下桥臂模块标记为SMd1到SMd8，并假设SMd1～SMd8的电压分别为V_ad(1)、V_ad(2)、V_ad(3)、V_ad(4)、V_ad(5)、V_ad(6)、V_ad(7)、V_ad(8)。

1)根据模块化多电平换流器的控制目标规定其价值函数为

价值函数的表达式中除了V_xdown(t+T_S)以及V_xup(t+T_S)都是已知的量。

2)根据桥臂电流的方向对模块电压进行排序：

当A相上桥臂电流I_au<0，则将SMu1～SMu8进行降序排列，假设排序后的电压顺序为V_au(4)>V_au(6)>V_au(3)>V_au(5)>V_au(1)>V_au(8)>V_au(2)>V_au(7)，并记为V′_au(1)～V′_au(8)

当A相下桥臂电流I_ad>0，则将SMd1～SMd8进行升序排列，假设排序后的电压顺序为V_ad(2)<V_ad(7)<V_ad(1)<V_ad(3)<V_ad(6)<V_ad(4)<V_ad(8)<V_ad(5)，并记为V′_ad(1)～V′_ad(8)。

则有上桥臂模块与电压的对应关系如表1所示：

表1

模块名

SMu1

SMu2

SMu3

SMu4

SMu5

SMu6

SMu7

SMu8

模块电压

V_au(1)

V_au(2)

V_au(3)

V_au(4)

V_au(5)

V_au(6)

V_au(7)

V_au(8)

模块电压

V′_au(5)

V′_au(7)

V′_au(3)

V′_au(1)

V′_au(4)

V′_au(2)

V′_au(8)

V′_au(6)

下桥臂模块与电压的对应关系如表2所示：

表2

模块名

SMd1

SMd2

SMd3

SMd4

SMd5

SMd6

SMd7

SMd8

模块电压

V_ad(1)

V_ad(2)

V_ad(3)

V_ad(4)

V_ad(5)

V_ad(6)

V_ad(7)

V_ad(8)

模块电压

V′_ad(3)

V′_ad(1)

V′_ad(4)

V′_ad(6)

V′_ad(8)

V′_ad(5)

V′_ad(2)

V′_ad(7)

3)根据模块化多电平换流器的工作特点，考虑所有可能的导通组合{[0,8],[1,7],[2,6],[3,5],[4,4],[5,3],[6,2],[7,1],[8,0]}，根据9种可能的导通组合，计算t+T_S时刻所有可能的桥臂电压V_aup(0)～V_aup(8)和V_adown(0)～V_adown(8)，计算方法根据公式(5)，例如计算导通组合[3,5]对应的桥臂电压方法如下：

计算V_aup(3)：

计算V_adown(5)：

其余同理。

4)将步骤3)得到的V_aup(0)～V_aup(8)和V_adown(0)～V_adown(8)带入到公式4中，得到9个价值函数的值J(0)～J(8)，例如将V_aup(3)和V_adown(5)带入到公式4可以得到J(3)的值，比较J(0)～J(8)的最小值，假设最小值为J(6)，由于J(6)对应的桥臂电压组合为V_aup(6)和V_adown(2)，即导通组合为[6,2]，根据步骤2的排序结果可知上桥臂应该投入的模块为SMu4，SMu6，SMu3，SMu5，SMu1，SMu8；下桥臂应该投入的模块为SMd2，SMd7。

Claims

1.一种模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对交流侧的模块化多电平换流器进行离散化，得价值函数

\begin{matrix} J = | i_{x r e f} (t + T_{S}) - \frac{1}{K^{'}} (\frac{V_{x d o w n} (t + T_{S}) - V_{x u p} (t + T_{S})}{2} - u_{s x} (t + T_{S}) + \frac{L^{'}}{T_{S}} i_{x} (t)) | \\ + \frac{T_{S}}{2 L} (V_{d c} - V_{x d o w n} (t + T_{S}) - V_{x u p} (t + T_{S})) + i_{x c i r} (t) \end{matrix} - - - (4)

\{\begin{matrix} V_{x u p} (j) = Σ_{i = 1}^{j} (V_{x u}^{'} (i) + \frac{I_{x u}}{C} T_{S}) \\ V_{x d o w n} (j) = Σ_{i = 1}^{N - j} (V_{x d}^{'} (i) + \frac{I_{x d}}{C} T_{S}) \end{matrix} - - - (5)

V_xup(j)为当上桥臂投入j个模块时上桥臂的电压，V_xdown(j)为当上桥臂投入j个模块时下桥臂的电压，I_xu为当上桥臂投入j个模块时上桥臂的电流，I_xd为上桥臂投入j个模块时下桥臂的电流，j＝0,1,2,3…N，C为电容C1的电容值；

4)将步骤3得到的所有可能出现的桥臂电压值V_xdown(j)及V_xup(j)带入到式(4)中，得N+1个价值函数的值J(j),j＝0,1,2...N，其中，J(j)代表上桥臂投入j个模块时的价值函数，设当j＝m时价值函数取得最小值，那么上桥臂及下桥臂投入的模块数分别为m及N-m；

5)当桥臂电流为正时，则将上桥臂内模块电压值最小的m个模块投入，将下桥臂内模块电压值最小的N-m个模块投入；当桥臂电流为负时，则将上桥臂内模块电压最大的m个模块投入，将下桥臂内模块电压值最大的N-m个模块投入；

模块化多电平换流器包括第一IGBT晶体管、第二IGBT晶体管、第一稳压二极管、第二稳压二极管及电容C1，第一IGBT晶体管的发射极与上桥臂模块及第二IGBT晶体管的集电极相连接，第二IGBT晶体管的发射极与下桥臂模块及电容C1的一端相连接，电容C1的另一端与第一IGBT晶体管的集电极相连接，第一稳压二极管的负极及正极分别与第一IGBT晶体管的集电极及发射极相连接，第二稳压二极管的负极及正极分别与第二IGBT晶体管的集电极及发射极相连接。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，步骤1)的具体步骤为：将交流侧的模块化多电平换流器离散化，得到的价值函数为

J＝J₁+J₂ (1)

J_{1} = | i_{x r e f} (t + T_{S}) - \frac{1}{K^{'}} (\frac{V_{x d o w n} (t + T_{S}) - V_{x u p} (t + T_{S})}{2} - u_{s x} (t + T_{S}) + \frac{L^{'}}{T_{S}} i_{x} (t)) | - - - (2)

J₂为t+T_s时刻环流预测值，J₂表达式为：

J_{2} = \frac{T_{S}}{2 L} (V_{d c} - V_{x d o w n} (t + T_{S}) - V_{x u p} (t + T_{S})) + i_{x c i r} (t) - - - (3)

其中，

根据公式(2)及(3)得价值函数为

\begin{matrix} J = | i_{x r e f} (t + T_{S}) - \frac{1}{K^{'}} (\frac{V_{x d o w n} (t + T_{S}) - V_{x u p} (t + T_{S})}{2} - u_{s x} (t + T_{S}) + \frac{L^{'}}{T_{S}} i_{x} (t)) | \\ + \frac{T_{S}}{2 L} (V_{d c} - V_{x d o w n} (t + T_{S}) - V_{x u p} (t + T_{S})) + i_{x c i r} (t) . \end{matrix}