CN104393780B - 全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法 - Google Patents

Abstract

一种全桥MMC子模块电压控制方法，包括步骤：A.预设全桥MMC直流电压给定值和无功功率给定值；B.测量直流电压u_dc和各相交流电压u_a和电流i_a，从所述u_a中获取电压幅值u_s和相位；对i_a和相位进行派克变换得到i_dg和i_qg；C.设置权重系数a_ij，将Σa_ij(u_dci‑u_dcj)值与相加后减去u_dc，然后经过外环比例积分环节后的输出减去i_dg，其差值经内环比例积分环节后与u_s/n相加，得到u_dgi，其中u_dci和u_dcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压；D.测量的无功功率，与无功功率之差经过外环比例积分环节后的输出减去i_qg，其差值经内环比例积分环节，得到u_qgi；E.对u_dgi和u_qgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量u_agi，并依此控制该子模块的四个开关。

Description

全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子设备领域，特别涉及一种电力电子设备中各功率开关器件的控制技术。

背景技术

随着电力电子技术的迅速发展，单个功率开关器件的耐压和功率等级都得到了大幅提高，各种大功率开关器件的应用也日益广泛。但在许多高压大功率应用领域，传统的两电平、三电平电压源型变换器拓扑已无法满足更高电压和功率等级的要求。在功率开关器件没有本质突破的前提下，多电平变换器无疑是解决高压大功率变换的最好选择。为了在提升电力电子装置容量的同时改善其性能，人们对大功率多电平变换器的电路拓扑和控制技术进行了研究。

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)，由于具有公共的直流母线，MMC可实现在逆变或整流工况下运行，应用领域很广。MMC子模块拓扑结构有多种，其中最常见的为全桥单元和全桥单元并联直流电容结构。当子模块拓扑结构为全桥单元并联直流电容结构时，每个子模块输出为0和正电平。全桥MMC每相由上、下2个桥臂构成，每桥臂含n个子模块，即每相由n个子模块构成，MMC输出相电压为4n-1个电平，且可以实现四象限运行。每个桥臂的子模块可以进行独立的有选择的控制，从而每个桥臂可以等效为一个可控电压源，通过调节每个桥臂电压的变化率，就可以在输出端得到所需正弦电压，波形较好，子模块数量越多，输出电压波形越好，但成本也增加。

由于全桥MMC中每相的每个桥臂子模块众多，而各子模块开关动作可能不一致，导致子模块直流电容电压不均衡，这样致使全桥MMC输出电压波形畸变量增大，影响全桥MMC输出电压波形的质量，偏差严重的话将损坏子模块。

此外，电网发生不对称故障时，更加引起直流电容电压畸变，影响整个装置的安全运行水平。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于避免全桥MMC中各子模块开关动作不一致时引发的全桥MMC输出电压波形畸变量增大的问题，提高全桥MMC输出电压波形的质量。

为了实现此目的，本发明采取的技术方案为如下。

一种全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，包括以下步骤：A.预设直流电压给定值和无功功率给定值B.测量直流电压u_dc和每相交流电压u_a和电流i_a，从所述u_a中获取电压幅值u_s和相位；对i_a和相位进行派克变换得到i_dg和i_qg；C.设置权重系数a_ij，将Σa_ij(u_dci-u_dcj)值与相加后减去u_dc，然后经过外环比例积分环节后的输出减去i_dg，其差值经内环比例积分环节后与u_s/n相加得到u_dgi，其中u_dci和u_dcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压；D.测量的无功功率，与与无功功率之差经过外环比例积分环节后的输出减去i_qg，其差值经内环比例积分环节，得到u_qgi；E.对u_dgi和u_qgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量u_agi，以控制量u_agi控制所述子模块四个开关，所述四个开关组成两个桥臂，各桥臂的两个开关互相反锁，2组桥臂之间的信号相反。

其中，所述权重系数a_ij＝(u_dci-u_dcj)/Σ(u_dci-u_dcj)。

或者以各子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标：

Σ_mina_ij(u_dci-u_dcj)²，

约束条件为： $(u_{\mathrm{dci}}-u_{\mathrm{dcj}})\≤0.1u_{\mathrm{dc}}^{*},$

u_a+u_b+u_c＝0，

确定最优值对应的a_ij为权重系数。

其中，所述内环比例积分环节的参数为：1<比例系数<10，0.1<积分系数<1。所述外环比例积分环节的参数为：0.2<比例系数<1，0.01<积分系数<0.1。

另一方面，当电网发生不对称故障时，进一步包括：

对每相的交流电压进行αβ坐标变换，得到对应的αβ分量，通过比例积分反馈控制及双重积分的反馈控制，得到第一组分量；同时将该分量与系数q相乘，得到第二组分量；由这2组分量计算出αβ的正负序分量，对子模块进行正负序分量分别控制；

其中q表达式如下：

q＝Q₀+Q_c2cos(2ωt)+Q_s2sin(2ωt)

Q₀为电网的基波无功分量，Q_c2、Q_s2为无功的二次分量，ω为角频率。

通过采用本发明的全桥MMC子模块电压控制方法，能够使得各子模块开关动作一致，由此提高了全桥MMC输出电压波形的质量。同时，全桥MMC子模块直流电容电压的平衡，延长了子模块的使用寿命。因此，不仅提高了整体全桥MMC装置的性能，而且提高了整体全桥MMC装置的安全运行水平。

另一方面，通过采用本发明的全桥MMC子模块电压控制方法，能够在电网发生不对称故障时，避免引起直流电容电压的畸变，进而提高整个装置的安全运行水平。

附图说明

图1是本发明实施方式全桥MMC装置的电路示意图。

图2是本发明实施方式全桥MMC子模块电压控制的示意图。

图3是本发明另一实施方式全桥MMC子模块电压控制的示意图。

图4是本发明实施方式的全桥MMC装置的输出电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明。

以下公开详细的示范实施例。然而，此处公开的具体结构和功能细节仅仅是出于描述示范实施例的目的。

然而，应该理解，本发明不局限于公开的具体示范实施例，而是覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。在对全部附图的描述中，相同的附图标记表示相同的元件。

同时应该理解，如在此所用的术语“和/或”包括一个或多个相关的列出项的任意和所有组合。另外应该理解，当部件或单元被称为“连接”或“耦接”到另一部件或单元时，它可以直接连接或耦接到其他部件或单元，或者也可以存在中间部件或单元。此外，用来描述部件或单元之间关系的其他词语应该按照相同的方式理解(例如，“之间”对“直接之间”、“相邻”对“直接相邻”等)。

如图1所示，本发明所述的全桥MMC由3相组成，每相包含上下2个桥臂，每个桥臂由n个子模块和一个控制器组成，每个子模块由4个全控开关器件及反并联二极管构成的H桥组成；所述子模块的直流母线正极与对应的子模块直流电容的正极相连，所述子模块的直流母线负极与对应的子模块直流电容的负极相连，所述子模块的输出端两两相串连，MMC上桥臂的最上层子模块的上面一端与MMC直流母线相连，MMC上桥臂的最下层子模块的下面一端与滤波电感相连，滤波电感的另一端与MMC该相交流输出端相连；所述子模块的控制端与控制器对应的信号控制端相连，所述MMC的交流输出端与所述的控制器对应的交流电压信号输入端相连。

因此，本发明的全桥MMC子模块电压控制方法包括以下步骤：

A.预设直流电压给定值和无功功率给定值所述给定值根据系统要求确定；

B.测量直流电压u_dc和每相交流电压u_a和电流i_a，从所述u_a中获取电压幅值u_s和相位；对i_a和相位进行派克变换得到i_dg和i_qg；

C.设置权重系数a_ij，所述权重系数0<a_ij<1，将Σa_ij(u_dci-u_dcj)值与相加后减去u_dc，然后经过外环比例积分环节后的输出减去i_dg，其差值经内环比例积分环节后与u_s/n相加得到u_dgi，其中u_dci和u_dcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压；

D.测量的无功功率，与之差经过外环比例积分环节后的输出与i_qg做比较，其差值经内环比例积分环节，得到u_qgi；

E.对u_dgi和u_qgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量u_agi，并依此控制该子模块的四个开关。具体而言，全桥子模块由4个开关T_i1、T_i2、T_i3、T_i4分成2组桥臂组成，每组桥臂包含上下2个开关，即T_i1、T_i3组成一组桥臂，T_i2、T_i4组成一组桥臂；同组的2个开关的控制信号互相反锁，即T_i1、T_i3互锁，T_i2、T_i4互锁，上桥臂开关开通时下桥臂开关闭锁，下桥臂开关开通时上桥臂开关闭锁；2组桥臂之间的信号互相相反，即T_i1和T_i4信号相同，T_i3和T_i2信号相同；因此，1个子模块控制量u_agi可以控制全桥4开关，T_i1和Ti4导通时，子模块输出正电平，T_i3和T_i2导通时，输出负电平。

通过对各子模块直流电容电压差进行动态感知，有效抑制了子模块直流电容电压的动态差异。因此使得各子模块开关动作一致，由此提高了全桥MMC输出电压波形的质量。

作为本发明的一个实施例，确定权重系数为a_ij＝(u_dci-u_dcj)/Σ(u_dci-u_dcj)，这样能够具体化各个子模块的差异，因此进一步提高了输出电压波形的质量。

作为本发明的另一个实施例，确定权重系数的方法为：

以各子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标：

Σ_mina_ij(u_dci-u_dcj)²，

约束条件为： $(u_{\mathrm{dci}}-u_{\mathrm{dcj}})\&le;0.1u_{\mathrm{dc}}^{*},$

u_a+u_b+u_c＝0，

确定最优值对应的a_ij为权重系数。

确定最优值的方法可以是常用的各种优化方法，本领域内技术人员一般都能熟知目标确定后的优化途径。

该实施方式中，采取子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标，能够使开关器件运行在最佳状态。

作为本发明的一个实施方式，所述内环比例积分环节的参数为：1<比例系数<10，0.1<积分系数<1；而所述外环比例积分环节的参数为：0.2<比例系数<1，0.01<积分系数<0.1。

另外，为了在电网发生不对称故障时，避免引起直流电容电压的畸变，进而提高整个装置的安全运行水平，本发明的另一实施方式中，当电网发生不对称故障时，进一步包括：

对每相的交流电压进行αβ坐标变换，得到对应的αβ分量，通过比例积分反馈控制及双重积分的反馈控制，得到第一组分量；同时将该分量与系数q相乘，得到第二组分量；由这2组分量计算出αβ的正负序分量，对子模块进行正负序分量分别控制；

其中q表达式如下：

q＝Q₀+Q_c2cos(2ωt)+Q_s2sin(2ωt)

P₀、Q₀为分别为电网的基波有功、无功分量，Q_c2、Q_s2为无功的二次分量。具体表示为：

$Q_{c2}=\frac{2P_0}{(v_d^{+2}+v_q^{+2}-v_d^{-2}-v_q^{-2})}(v_q^{-}{v}_d^{+}-v_d^{-}{v}_q^{+})$

$Q_{s2}=\frac{-2P_0}{(v_d^{+2}+v_q^{+2}-v_d^{-2}-v_q^{-2})}(v_q^{+}{v}_d^{-}+v_d^{+}{v}_q^{-})$

其中和分别为电压的d、q轴分量的正负序分量。

通过采用本发明的全桥MMC子模块电压控制方法，能够使得各子模块开关动作一致，由此提高了全桥MMC输出电压波形的质量。本发明全桥MMC装置输出的电压波形如图4所示，从图4中可以看出，电压波形平缓、畸变小、电能质量高。

需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，包括以下步骤：

A.预设模块化多电平变换器输入直流电压给定值和无功功率给定值

B.测量模块化多电平变换器输入直流电压u_dc、子模块直流电压和每相交流电压和交流电流，从所述每相交流电压中获取电压幅值u_s和相位；对交流电流和相位进行派克变换得到i_dg和i_qg；

C.设置权重系数a_ij，将∑a_ij(u_dci-u_dcj)值与相加后减去u_dc，然后经过外环比例积分环节后的输出减去i_dg，其差值经内环比例积分环节后与u_s/n相加得到u_dgi，其中u_dci和u_dcj分别为n个子模块中第i和第j子模块的直流电容电压；

D.测量无功功率，与无功功率之差经过外环比例积分环节后的输出减i_qg，其差值经内环比例积分环节，得到u_qgi；

E.对u_dgi和u_qgi进行派克反变换获得第i子模块的控制量u_agi，以控制量u_agi控制所述子模块四个开关，所述四个开关组成两个桥臂，各桥臂的两个开关互相反锁，2组桥臂之间的信号相反。

2.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，其特征在于，所述权重系数a_ij＝(u_dci-u_dcj)/∑(u_dci-u_dcj)。

3.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，其特征在于，以各子模块直流电容电压能量差异之和最小为目标：

∑_mina_ij(u_dci-u_dcj)²，

约束条件为：

u_a+u_b+u_c＝0，

确定最优值对应的a_ij为权重系数。

4.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，其特征在于，所述内环比例积分环节的参数为：1<比例系数<10，0.1<积分系数<1。

5.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，其特征在于，所述外环比例积分环节的参数为：0.2<比例系数<1，0.01<积分系数<0.1。

6.权利要求1中所述的全桥模块化多电平变换器子模块电压控制方法，其特征在于，当电网发生不对称故障时，进一步包括：

对每相的交流电压进行αβ坐标变换，得到对应的αβ分量，通过比例积分反馈控制及双重积分的反馈控制，得到第一组分量；同时将该分量与系数q相乘，得到第二组分量；由这2组分量计算出αβ的正负序分量，对子模块进行正负序分量分别控制；

其中q表达式如下：

q＝Q₀+Q_c2cos(2ωt)+Q_s2sin(2ωt)，

Q₀为电网的基波无功分量，Q_c2、Q_s2为无功的二次分量，ω为角频率。