CN104009663A - 一种适用于大容量模块化多电平换流器及协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于大容量模块化多电平换流器，当所述大容量模块化多电平换流器同相上、下桥臂的子模块电压出现不均衡时，所述阀基控制单元通过协调控制算法，计算出平均电压较高的桥臂子模块投入数量和增加平均电压较低的桥臂子模块投入数量，并通过光纤将控制信息传递至子模块控制器，由子模块控制器调整各子模块的运行状态，动态调整同相上下桥臂投入的子模块个数，达到精准调整交流输出电压的目的，提高换流器中子模块电压的平衡度及换流器输出电压的准确度。

Description

一种适用于大容量模块化多电平换流器及协调控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种大容量模块化多电平换流器及其协调控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的进步，在高压大容量直流输电等应用场合，模块化多电平换流器得到广泛的应用。大容量模块化多电平换流器由相同的子模块串联级联组成，每相相单元分为上下两个桥臂，由于同相相单元中的子模块的空间位置不同，阀基控制单元的不同以及系统和控制算法的影响，会导致子模块上的电压不均衡。

附图1是模块化多电平换流器的基本单元子模块，是由储能直流电容C、全控型功率开关S1及其反并联二极管D1、功率开关S2及其反并联二极管D2组成，其中D1、D2可以是S1、S2功率开关器件的内部寄生二极管或外部独立的二极管，S1、S2可以是多种全控型功率开关器件，如IGBT、IGCT、IEGT等，或多个全控型功率开关器件的串并联。

子模块的输出电压V_SM有两种电平：当S1导通或D1续流时，V_SM＝V_C；当S2导通或D2续流时，V_SM＝0。以上所述的子模块投入是指前一种工作模式，即V_SM＝V_C。如附图2所示。

附图3是由2N个子模块组成的一个相单元，相单元的上下桥臂分别由N个子模块串联级联组成，中点连接交流侧，输出交流电压。交流侧电压Vac的值由相单元中上下桥臂子模块投入的数量决定：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{ac}}=N_1\·\frac{U_d}{2N}+N_2\·\frac{U_d}{2N}=U_A+U_B\\ N=N_1+N_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

上式中，U_ac为交流侧输出电压值，U_d是相单元直流侧电压值，N是组成相单元上桥臂或下桥臂的子模块数量，N₁是交流侧输出U_ac时上桥臂投入的子模块数量，N₂是交流侧输出U_ac时下桥臂投入的子模块数量。

实际应用中会出现上桥臂投入模块的平均电压值和下桥臂投入模块的平均电压值不相等，

${\stackrel{\‾}{U}}_A=\frac{U_A}{N_1}\≠{\stackrel{\‾}{U}}_B=\frac{U_B}{N_2}\≠\frac{U_d}{2N}---\left(2\right)$

上式中，是上桥臂投入的N₁个子模块的平均电压值，是下桥臂投入的N₂个子模块的平均电压值。

这种平均电压的不平衡会导致交流侧输出电压U_ac的精准度下降。

因此，若按照传统的控制算法，设定同相相单元上下桥臂子模块的投入数量，就会影响输出电压的准确度。

发明内容

本发明的目的，在于提出一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，其可以在同相相单元上下桥臂子模块电压不均衡时，动态调整上下桥臂投入的子模块数量，以保证输出电压的准确度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：一种适用于大容量模块化多电平换流器，其特征在于，包括由换流器子模块级联组成的三相单元和阀基控制单元，所述阀基控制单元通过光纤与换流器子模块进行通讯，由子模块控制器控制子模块的运行状态，从而控制换流器三相单元；其中，所述三相单元包括由所述换流器子模块级联组成的上、下桥臂；当所述大容量模块化多电平换流器同相上、下桥臂的子模块电压出现不均衡时，所述阀基控制单元通过协调控制算法，计算出平均电压较高的桥臂子模块投入数量和增加平均电压较低的桥臂子模块投入数量，并通过光纤将控制信息传递至子模块控制器，由子模块控制器调整各子模块的运行状态，达到动态调整各相桥臂的子模块投入数量，平衡子模块电压的目的。

进一步地，所述阀基控制单元中还包括协调控制器，所述协调控制器，用于计算所述子模块投入数量。

进一步地，所述协调控制器的计算依据为：

$\left\{\begin{array}{c}[M\left(S\right)\·H\left(S\right)+{\stackrel{\‾}{U}}_A\left(S\right)-{\stackrel{\‾}{U}}_B\left(S\right)]\·(K_P\·\frac{1}{\mathrm{\τ}\·S+1})=M\left(S\right)\\ \left|M\left(S\right)\right|\≤n\end{array}\right.;$

其中M(S)是上桥臂在协调控制中多投入的子模块数量，或下桥臂在协调控制中少投入的子模块数量；分别是上、下桥臂投入的子模块的平均电压值；H(S)是反馈环调整参数函数；K_P是常数；τ是PI调节时间常数；n是协调控制中上桥臂动态投入的子模块数量的最大值，超过最大值的M，取最大值n。

另外本发明还提供一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，其特征在于，包括步骤：

判断大容量模块化多电平换流器同相上、下桥臂的子模块电压是否出现不均衡；

当出现不均衡时，阀基控制单元通过协调控制算法，计算出平均电压较高的桥臂子模块投入数量和增加平均电压较低的桥臂子模块投入数量，并通过光纤将控制信息传递至子模块控制器，由子模块控制器调整各子模块的运行状态，达到动态调整各相桥臂的子模块投入数量，平衡子模块电压的目的。

进一步地，所述计算的依据为：

$\left\{\begin{array}{c}[M\left(S\right)\·H\left(S\right)+{\stackrel{\‾}{U}}_A\left(S\right)-{\stackrel{\‾}{U}}_B\left(S\right)]\·(K_P\·\frac{1}{\mathrm{\τ}\·S+1})=M\left(S\right)\\ \left|M\left(S\right)\right|\≤n\end{array}\right.;$

其中M(S)是上桥臂在协调控制中多投入的子模块数量，或下桥臂在协调控制中少投入的子模块数量；分别是上、下桥臂投入的子模块的平均电压值；H(S)是反馈环调整参数函数；K_P是常数；τ是PI调节时间常数；n是协调控制中上桥臂动态投入的子模块数量的最大值，超过最大值的M，取最大值n。

通过本发明所述一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，动态调整同相上下桥臂投入的子模块个数，达到精准调整交流输出电压的目的，提高换流器中子模块电压的平衡度及换流器输出电压的准确度。

附图说明

图1是现有技术中构成模块化多电平换流器的基本单元：子模块；

图2是现有技术中子模块的各种工作模式；

图3是现有技术中由子模块组成的一个相单元；

图4是本发明实施例的协调控制方法的PI控制器传递函数框图。

具体实施方式

本发明提供的适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，大容量模块化多电平换流器包括换流器子模块、由子模块串联级联组成的三相单元，及每相单元的上、下桥臂，和相应的阀基控制单元。当大容量模块化多电平换流器同相上、下桥臂的子模块电压出现不均衡时，阀基控制单元根据协调控制方法动态调整同相上下桥臂投入的子模块数量：动态减小平均电压较高的桥臂子模块投入数量和动态增加平均电压较低的桥臂子模块投入数量。

以上所述的一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，包括同相桥臂子模块及其工作原理。

以上所述的一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，包括一种动态控制同相上下桥臂投入子模块数量的控制器。

以上所述的一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，包括阀基控制单元，完成对同相上、下桥臂的子模块投入数量进行动态调整。

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出一种动态调整上、下桥臂投入子模块数量的协调控制方法，设计并利用PI反馈环路，使子模块平均电压高的桥臂少投入M个子模块，使子模块平均电压低的桥臂多投入M个子模块。附图4给出了协调控制方法在时域的传递函数框图，相单元中上下桥臂动态调整的子单元个数M可用以下公式表示：

$\left\{\begin{array}{c}[M\left(S\right)\·H\left(S\right)+{\stackrel{\‾}{U}}_A\left(S\right)-{\stackrel{\‾}{U}}_B\left(S\right)]\·(K_P\·\frac{1}{\mathrm{\τ}\·S+1})=M\left(S\right)\\ \left|M\left(S\right)\right|\≤n\end{array}\right.---\left(3\right)$

上面公式是在拉普拉氏时域进行的函数描述，其中M(S)是上桥臂在协调控制中多投入的子模块数量，或下桥臂在协调控制中少投入的子模块数量； 分别是上、下桥臂投入的子模块的平均电压值；H(S)是反馈环调整参数函数；K_P是常数；τ是PI调节时间常数；n是协调控制中上桥臂动态投入的子模块数量的最大值，超过最大值的M，取最大值n。

Claims (5)

1.一种适用于大容量模块化多电平换流器，其特征在于，包括由换流器子模块级联组成的三相单元和阀基控制单元，所述阀基控制单元通过光纤与换流器子模块进行通讯，由子模块控制器控制子模块的运行状态，从而控制换流器三相单元；其中，所述三相单元包括由所述换流器子模块级联组成的上、下桥臂；当所述大容量模块化多电平换流器同相上、下桥臂的子模块电压出现不均衡时，所述阀基控制单元通过协调控制算法，计算出平均电压较高的桥臂子模块投入数量和增加平均电压较低的桥臂子模块投入数量，并通过光纤将控制信息传递至子模块控制器，由子模块控制器调整各子模块的运行状态，达到动态调整各相桥臂的子模块投入数量，平衡子模块电压的目的。

2.如权利要求1所述的适用于大容量模块化多电平换流器，其特征在于，所述阀基控制单元中还包括协调控制器，所述协调控制器，用于计算所述子模块投入数量。

3.如权利要求2所述的适用于大容量模块化多电平换流器，其特征在于，所述协调控制器的计算依据为：

$\left\{\begin{array}{c}[M\left(S\right)\·H\left(S\right)+{\stackrel{\‾}{U}}_A\left(S\right)-{\stackrel{\‾}{U}}_B\left(S\right)]\·(K_P\·\frac{1}{\mathrm{\τ}\·S+1})=M\left(S\right)\\ \left|M\left(S\right)\right|\≤n\end{array}\right.;$

其中M(S)是上桥臂在协调控制中多投入的子模块数量，或下桥臂在协调控制中少投入的子模块数量；分别是上、下桥臂投入的子模块的平均电压值；H(S)是反馈环调整参数函数；K_P是常数；τ是PI调节时间常数；n是协调控制中上桥臂动态投入的子模块数量的最大值，超过最大值的M，取最大值n。

4.一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，其特征在于，包括步骤：

判断大容量模块化多电平换流器同相上、下桥臂的子模块电压是否出现不均衡；

当出现不均衡时，阀基控制单元通过协调控制算法，计算出平均电压较高的桥臂子模块投入数量和增加平均电压较低的桥臂子模块投入数量，并通过光纤将控制信息传递至子模块控制器，由子模块控制器调整各子模块的运行状态，达到动态调整各相桥臂的子模块投入数量，平衡子模块电压的目的。

5.如权利要求4所述的一种适用于大容量模块化多电平换流器的协调控制方法，其特征在于，所述计算的依据为：

$\left\{\begin{array}{c}[M\left(S\right)\·H\left(S\right)+{\stackrel{\‾}{U}}_A\left(S\right)-{\stackrel{\‾}{U}}_B\left(S\right)]\·(K_P\·\frac{1}{\mathrm{\τ}\·S+1})=M\left(S\right)\\ \left|M\left(S\right)\right|\≤n\end{array}\right.;$

其中M(S)是上桥臂在协调控制中多投入的子模块数量，或下桥臂在协调控制中少投入的子模块数量；分别是上、下桥臂投入的子模块的平均电压值；H(S)是反馈环调整参数函数；K_P是常数；τ是PI调节时间常数；n是协调控制中上桥臂动态投入的子模块数量的最大值，超过最大值的M，取最大值n。