CN106357123B - 模块化多电平背靠背换流器及其控制方法 - Google Patents

模块化多电平背靠背换流器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平背靠背换流器及其控制方法，涉及电力电子技术领域，解决了现有模块化多电平背靠背换流器子模块个数多、结构复杂等问题。所述换流器包括六个桥臂，六个桥臂级联构成六边形，相邻两个桥臂的连接端依次轮流设置为三相交流系统一次侧的三个电流流入端和三相交流系统二次侧的三个电流流出端，控制方法包括测量/计算换流器中任意两端之间的电流参考值、子模块的有功电流参考值和环流参考值、计算子模块的电流参考值和电压参考值、平衡各桥臂中的子模块的电压。本发明的模块化多电平背靠背换流器及其控制方法在大规模风电并网、电网互联、电力交易、城市配网增容及电能质量提高等方面都有着广阔的应用前景。

Description

模块化多电平背靠背换流器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种模块化多电平背靠背换流器及其控制方法。
背景技术
模块化多电平背靠背换流器是一种输电线路长度为零的模块化多电平换流器，它由多个结构相同的桥臂构成，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由数量相同的多个子模块级联构成，通过分别控制每个子模块的状态，可以使换流器输出的交流电压逼近正弦波，从而降低输出电压中的谐波含量，解决两电平电压源换流器存在的串联均压问题，具有广阔的应用前景。目前，模块化多电平背靠背换流器已经在异步联网、背靠背联网工程中得到了应用。
但是，由于现有的模块化多电平背靠背换流器的子模块个数多，换流器内部结构复杂，对电容器的电容量要求高，因此制造换流器的成本昂贵。图1为现有技术中的模块化多电平背靠背换流器的典型结构，从图1可以看出，现有的模块化多电平背靠背换流器由6个桥臂1～6组成，每个桥臂包括至少4个子模块，通过计算可知，现有的模块化多电平背靠背换流器至少需要24个子模块来实现换流器输出的交流电压逼近正弦波的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种模块化多电平背靠背换流器及其控制方法，在保证输出的交流电压逼近正弦波的基础上，有效地减少子模块的个数，简化模块化多电平背靠背换流器的内部结构，降低模块化多电平背靠背换流器的制造成本。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种模块化多电平背靠背换流器，所述换流器包括六个桥臂，六个桥臂级联构成六边形，其中，相邻两个桥臂的连接端依次轮流设置为三相交流系统一次侧的三个电流流入端和三相交流系统二次侧的三个电流流出端。
本发明的模块化多电平背靠背换流器包括六个桥臂，每个桥臂上最少可以设置两个子模块，也就是说，本发明的模块化多电平背靠背换流器最少可以使用12个子模块就能够保证输出的交流电压逼近正弦波，有效地减少子模块的个数，简化模块化多电平背靠背换流器的内部结构，降低模块化多电平背靠背换流器的制造成本，在大规模风电并网、电网互联、电力交易、城市配网增容及电能质量提高等方面都有着广阔的应用前景。
第二方面，本发明提供了一种上述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，该控制方法包括如下步骤：
S1：采用PQ解耦的有功/无功功率控制得到所述模块化多电平背靠背换流器一次侧的各电流流入端的电流参考值和二次侧的各电流流出端的电流参考值；
通过调节一次侧的有功电流控制所述模块化多电平背靠背换流器中子模块的平均电压平衡，计算一次侧和二次侧的有功电流参考值；
S2：通过步骤S1中得到的一次侧的各电流流入端的电流参考值、二次侧的各电流流出端的电流参考值以及一次侧和二次侧的有功电流参考值，分解计算得到所述模块化多电平背靠背换流器中任意两个电流流入端之间或任意两个电流流出端的线电流参考值；
S3：在保持各桥臂中每个子模块的平均电压平衡的基础上，计算环流参考值；
S4：计算各桥臂中每个子模块的电流参考值，每个子模块的电流参考值为流经该子模块的所有电流参考值之和；
S5：得到每个子模块的电流参考值后，采用内模控制原理得到每个子模块的电压参考值；
S6：根据排序算法平衡各桥臂中的每个子模块的电压。
本发明所提供的六边形模块化多电平背靠背换流器的控制方法的有益效果与上述六边形模块化多电平背靠背换流器的有益效果相同，在此不再赘述。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中的模块化多电平背靠背换流器的典型结构示意图；
图2为本发明实施例一中所涉及的模块化多电平背靠背换流器的结构示意图，其中，图中箭头方向表示电流的参考方向；
图3a为本发明实施例一中所涉及的模块化多电平背靠背换流器的第一种桥臂结构的示意图；
图3b为本发明实施例一中所涉及的模块化多电平背靠背换流器的第二种桥臂结构的示意图；
图3c为本发明实施例一中所涉及的模块化多电平背靠背换流器的第三种桥臂结构的示意图；
图4为本发明实施例一中所涉及的模块化多电平背靠背换流器的子模块的结构示意图。
附图标记：
A-第一桥臂； B-第二桥臂；
C-第三桥臂； D-第四桥臂；
E-第五桥臂； F-第六桥臂；
W-第一桥臂与第二桥臂的连接端； S-第二桥臂与第三桥臂的连接端；
U-第三桥臂与第四桥臂的连接端； T-第四桥臂与第五桥臂的连接端；
V-第五桥臂与第六桥臂的连接端； W-第六桥臂与第一桥臂的连接端；
L-电抗器； SM-子模块；
1-现有第一桥臂； 2-现有第二桥臂；
3-现有第三桥臂； 4-现有第四桥臂；
5-现有第五桥臂； 6-现有第六桥臂。
具体实施方式
为使本发明所提出的技术方案的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图，对本发明所提出的技术方案的实施例进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图2，本发明实施例一提供了一种模块化多电平背靠背换流器，该模块化多电平背靠背换流器包括六个桥臂A～F，六个桥臂A～F级联构成六边形，其中，第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R、第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S、第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T为三相交流系统一次侧的三个电流流入端，第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W、第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U、第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V为三相交流系统二次侧的三个电流流出端。
所述桥臂A～F各自包括多个子模块SM和至少一个电抗器L，多个子模块SM和至少一个电抗器L相串联，两者可以以任何数量的配比和任意的排列顺序进行串联。例如，每个桥臂中，电抗器L处于该桥臂的一端或两端,参见图3a和图3b；或者，每个桥臂中，电抗器L可以串联在多个子模块SM之间，参见图3c，总之，只要电抗器L与子模块SM串联就可以，由于电抗器L对位置没有限制，减少了空间布局对换流器设计的限制。
所述子模块包括电容和多个开关器件，多个子模块并不需要在同一时刻一起导通，而是随着正弦波的变化依次导通以构成正弦电压波形，从而避免了多个直接串联所带来的动态均压问题。
为了进一步减少子模块的个数，简化模块化多电平背靠背换流器的内部结构，降低模块化多电平背靠背换流器的制造成本，优选地，所述桥臂A～F各自包括两个子模块SM和一个电抗器L。
所述子模块SM的类型选择为全H桥型，参见图4，这是因为全H桥型子模块可以输出三种电压，正电压、负电压和零电压，更加适用于本发明的六边形模块化多电平背靠背换流器。
为了更详细地说明本发明的模块化多电平背靠背换流器的结构，具体地，将本发明的模块化多电平背靠背换流器(以下简称为换流器1，参见图2)与现有技术中的模块化多电平背靠背换流器(以下简称为换流器2，参见图1)进行对比分析如下：
对于换流器1的一次侧的电流流入端(以第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R为例)，其对应的二次侧的电流流出端为第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U，也就是说，从R端流入的电流分别经过两条线路(桥臂F、E和D；桥臂A、B和C)，然后从U端流出；对应于换流器2，相当于电流从一次侧流入，分别经过两条线路(现有第一桥臂1的上桥臂和现有第六桥臂6的上桥臂；现有第一桥臂1的下桥臂和现有第六桥臂6的下桥臂)，然后从二次侧流出。
换流器1的其他连接端的对应关系为：第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S、第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V两者相对应，第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T、第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W两者相对应。
实施例二
本发明实施例二提供了一种实施例一的模块化多电平背靠背换流器的控制方法。
为了保证每个子模块SM的平均电压恒定，需要控制一次侧流入的功率等于二次侧流出的功率，这也是本发明控制方法中的基本原则，具体分析如下：
每个子模块SM的平均功率如下：
其中，PA为第一桥臂A中的各子模块SM的平均功率，，PC为第三桥臂C中的各子模块SM的平均功率，PE为第五桥臂E中的各子模块SM的平均功率，PACE为第一桥臂A、第三桥臂C、第五桥臂E中的各子模块SM的平均功率；
PB为第二桥臂B中的各子模块SM的平均功率，PD为第四桥臂D中的各子模块SM的平均功率，PF为第六桥臂F中的各子模块SM的平均功率，PBDF为第二桥臂B、第四桥臂D、第六桥臂F中的各子模块SM的平均功率；
V1，I1，φ1和V2，I2，φ2分别为一次侧和二次侧的电压有效值、电流有效值、功率因数角。
本发明实施例一模块化多电平背靠背换流器的所有子模块SM的平均功率如下：
PACE+PBDF＝V1I1cosφ1+V2I2cosφ2
为了保证每个子模块的平均电压恒定，需要控制保持上式等于零。
本发明实施例二的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，具体包括如下步骤：
S1：采用PQ解耦的有功/无功功率控制得到所述模块化多电平背靠背换流器一次侧的各电流流入端R、S、T的电流参考值i* r、i* s、i* t和二次侧的各电流流出端U、V、W的电流参考值i* u、i* v、i* w；
通过调节一次侧的有功电流控制所述模块化多电平背靠背换流器中子模块SM的平均电压平衡，根据二次侧的有功电流参考值，计算一次侧的有功电流参考值，一次侧的有功电流参考值按以下公式计算：
其中，是各子模块SM的平均电压，v* c是各子模块SM的电压参考值，I* p1和I* p2分别是一次侧和二次侧的有功电流参考值，Kp1、KI1是控制参数，s为拉普拉斯算子；
S2：通过步骤S1中得到的一次侧的各电流流入端的电流参考值(i* r、i* s、i* t)、二次侧的各电流流出端的电流参考值(i* u、i* v、i* w)以及一次侧和二次侧的有功电流参考值(I* p1、I* p2)，分解计算得到所述模块化多电平背靠背换流器中任意两个电流流入端之间或任意两个电流流出端的线电流参考值；
S3：在保持各子模块SM的平均电压平衡的基础上，计算环流参考值，要求环流参考值i* l为：
其中，为第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R和第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S之间各子模块SM的平均电压，为第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S和第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T之间各子模块SM的平均电压，为第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T与第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R之间各子模块SM的平均电压；
为第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U和第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V之间各子模块SM的平均电压，为第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V与第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W之间各子模块SM的平均电压，为第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W与第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U之间各子模块SM的平均电压；
ω1和ω2分别为一次侧和二次侧的角频率，KL和KDI分别为控制参数，t为时间。
S4：计算各桥臂中每个子模块SM的电流参考值，每个子模块SM的电流参考值为流经该子模块SM的所有电流参考值之和，具体各桥臂中每个子模块SM的电流参考值如下：
第一桥臂A中每个子模块SM的电流参考值为：
i* a＝i* vw+i* rs+i* l
其中，i* a为流经第一桥臂A中的各子模块SM的电流参考值，i* vw为第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W和第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V之间的线电流参考值，i* rs为第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R和第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S之间的线电流参考值；
第二桥臂B中每个子模块SM的电流参考值为：
i* b＝i* rs+i* wu+i* l
其中，i* b为流经第二桥臂B中的各子模块SM的电流参考值，i* wu为第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W和第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U之间的线电流参考值，i* rs为第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R和第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S之间的线电流参考值；
第三桥臂C中每个子模块SM的电流参考值为：
i* c＝i* wu+i* st+i* l
其中，i* c为流经第三桥臂C中的各子模块SM的电流参考值，i* st为第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S之间和第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T的线电流参考值，i* wu为第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W和第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U之间的线电流参考值；
第四桥臂D中每个子模块SM的电流参考值为：
i* d＝i* st+i* uv+i* l
其中，i* d为流经第四桥臂D中的各子模块SM的电流参考值，i* st为第二桥臂B与第三桥臂C的连接端S之间和第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T的线电流参考值，i* uv为第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U之间和第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V的线电流参考值；
第五桥臂E中每个子模块SM的电流参考值为：
i* e＝i* uv+i* tr+i* l
其中，i* e为流经第五桥臂E中的各子模块SM的电流参考值，i* uv为第三桥臂C与第四桥臂D的连接端U之间和第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V的线电流参考值，i* tr为第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T和第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R之间的线电流参考值；
第六桥臂F中每个子模块SM的电流参考值为：
i* f＝i* tr+i* vw+i* l
其中，i* f为流经第六桥臂F中的各子模块SM的电流参考值，i* tr为第四桥臂D与第五桥臂E的连接端T和第六桥臂F与第一桥臂A的连接端R之间的线电流参考值，i* vw为第一桥臂A与第二桥臂B的连接端W和第五桥臂E与第六桥臂F的连接端V之间的线电流参考值。
S5：得到每个子模块的电流参考值后，采用内模控制原理得到每个子模块的电压参考值为：
其中，x为所述桥臂A～F的传递函数，ix为流经该子模块SM的实测电流值，s为拉普拉斯算子，ζ、KPc、KSc1、KSc2分别为控制参数。
S6：根据排序算法平衡各桥臂中的每个子模块SM的电压。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，所述控制方法适用的模块化多电平背靠背换流器包括六个桥臂(A～F)，六个桥臂(A～F)级联构成六边形，其中，相邻两个桥臂的连接端依次轮流设置为三相交流系统一次侧的三个电流流入端(R、S、T)和三相交流系统二次侧的三个电流流出端(U、V、W)；
该控制方法包括如下步骤：
S1：采用PQ解耦的有功/无功功率控制得到所述模块化多电平背靠背换流器一次侧的各电流流入端的电流参考值和二次侧的各电流流出端的电流参考值；
通过调节一次侧的有功电流控制所述模块化多电平背靠背换流器中子模块的平均电压平衡，根据二次侧的有功电流参考值，计算一次侧的有功电流参考值；
S2：通过步骤S1中得到的一次侧的各电流流入端的电流参考值、二次侧的各电流流出端的电流参考值以及一次侧和二次侧的有功电流参考值，分解计算得到所述模块化多电平背靠背换流器中任意两个电流流入端之间或任意两个电流流出端的线电流参考值；
S3：在保持各桥臂中每个子模块的平均电压平衡的基础上，计算环流参考值；
S4：计算各桥臂中每个子模块的电流参考值，每个子模块的电流参考值为流经该子模块的所有电流参考值之和；
S5：得到每个子模块的电流参考值后，采用内模控制原理得到每个子模块的电压参考值；
S6：根据排序算法平衡各桥臂中的每个子模块的电压。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，所述桥臂包括多个子模块和至少一个电抗器,多个所述子模块和至少一个所述电抗器相串联。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，每个桥臂中，所述电抗器处于所述桥臂的一端或两端；
或者每个桥臂中，所述电抗器串联在多个子模块之间。
4.根据权利要求2所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，所述桥臂包括两个子模块和一个电抗器。
5.根据权利要求2-4任一项所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，所述子模块为全H桥型。
6.根据权利要求1所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，步骤S1中，一次侧的有功电流参考值按以下公式计算：
其中，V1和V2分别是一次侧和二次侧的电压有效值，是各子模块的平均电压，v* c是各子模块的电压参考值，和分别是一次侧和二次侧的有功电流参考值，Kp1、KI1是控制参数，s为拉普拉斯算子。
7.根据权利要求1所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，步骤S3中，环流参考值i* l为：
其中，为第六桥臂(F)与第一桥臂(A)的连接端(R)和第二桥臂(B)与第三桥臂(C)的连接端(S)之间各子模块的平均电压，为第二桥臂(B)与第三桥臂(C)的连接端(S)和第四桥臂(D)与第五桥臂(E)的连接端(T)之间各子模块的平均电压，为第四桥臂(D)与第五桥臂(E)的连接端(T)与第六桥臂(F)与第一桥臂(A)的连接端(R)之间各子模块的平均电压；
为第三桥臂(C)与第四桥臂(D)的连接端(U)和第五桥臂(E)与第六桥臂(F)的连接端(V)之间各子模块的平均电压，为第五桥臂(E)与第六桥臂(F)的连接端(V)与第一桥臂(A)与第二桥臂(B)的连接端(W)之间各子模块的平均电压，为第一桥臂(A)与第二桥臂(B)的连接端(W)与第三桥臂(C)与第四桥臂(D)的连接端(U)之间各子模块的平均电压；
vC_BDF为第二桥臂(B)、第四桥臂(D)与第六桥臂(F)中的各子模块SM的平均电压,vC_ACE为第一桥臂(A)、第三桥臂(C)与第五桥臂(E)中的各子模块SM的平均电压；
是各子模块的平均电压，ω1和ω2分别为一次侧和二次侧的角频率，KL和KDI分别为控制参数，t为时间。
8.根据权利要求1所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，步骤S4中，各桥臂中每个子模块的电流参考值如下：
第一桥臂(A)中每个子模块的电流参考值为：
i* a＝i* vw+i* rs+i* l
其中，i* a为流经第一桥臂(A)中的各子模块的电流参考值，i* vw为第一桥臂(A)与第二桥臂(B)的连接端(W)和第五桥臂(E)与第六桥臂(F)的连接端(V)之间的线电流参考值，i* rs为第六桥臂(F)与第一桥臂(A)的连接端(R)和第二桥臂(B)与第三桥臂(C)的连接端(S)之间的线电流参考值，i* l为环流参考值；
第二桥臂(B)中每个子模块的电流参考值为：
i* b＝i* rs+i* wu+i* l
其中，i* b为流经第二桥臂(B)中的各子模块的电流参考值，i* wu为第一桥臂(A)与第二桥臂(B)的连接端(W)和第三桥臂(C)与第四桥臂(D)的连接端(U)之间的线电流参考值，i* rs为第六桥臂(F)与第一桥臂(A)的连接端(R)和第二桥臂(B)与第三桥臂(C)的连接端(S)之间的线电流参考值；
第三桥臂(C)中每个子模块的电流参考值为：
i* c＝i* wu+i* st+i* l
其中，i* c为流经第三桥臂(C)中的各子模块的电流参考值，i* st为第二桥臂(B)与第三桥臂(C)的连接端(S)之间和第四桥臂(D)与第五桥臂(E)的连接端(T)的线电流参考值，i* wu为第一桥臂(A)与第二桥臂(B)的连接端(W)和第三桥臂(C)与第四桥臂(D)的连接端(U)之间的线电流参考值；
第四桥臂(D)中每个子模块的电流参考值为：
i* d＝i* st+i* uv+i* l
其中，i* d为流经第四桥臂(D)中的各子模块的电流参考值，i* st为第二桥臂(B)与第三桥臂(C)的连接端(S)之间和第四桥臂(D)与第五桥臂(E)的连接端(T)的线电流参考值，i* uv为第三桥臂(C)与第四桥臂(D)的连接端(U)之间和第五桥臂(E)与第六桥臂(F)的连接端(V)的线电流参考值；
第五桥臂(E)中每个子模块的电流参考值为：
i* e＝i* uv+i* tr+i* l
其中，i* e为流经第五桥臂(E)中的各子模块的电流参考值，i* uv为第三桥臂(C)与第四桥臂(D)的连接端(U)之间和第五桥臂(E)与第六桥臂(F)的连接端(V)的线电流参考值，i* tr为第四桥臂(D)与第五桥臂(E)的连接端(T)和第六桥臂(F)与第一桥臂(A)的连接端(R)之间的线电流参考值；
第六桥臂(F)中每个子模块的电流参考值为：
其中，为流经第六桥臂(F)中的各子模块的电流参考值，i* tr为第四桥臂(D)与第五桥臂(E)的连接端(T)和第六桥臂(F)与第一桥臂(A)的连接端(R)之间的线电流参考值，i* vw为第一桥臂(A)与第二桥臂(B)的连接端(W)和第五桥臂(E)与第六桥臂(F)的连接端(V)之间的线电流参考值。
9.根据权利要求1所述的模块化多电平背靠背换流器的控制方法，其特征在于，步骤S5中，子模块的电压参考值为：
其中，v* x为各桥臂中每个子模块两端的电压参考值，i* x为子模块的电流参考值，ix为流经子模块的实测电流值，s为拉普拉斯算子，ζ、KPc、KSc1、KSc2分别为控制参数，ω1和ω2分别为一次侧和二次侧的角频率。
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