CN107465359B - 模块化多电平换流器的环流抑制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制方法及装置，该环流抑制方法包括：通过计算模块化多电平换流器中的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下的解析模型；将电流基波分量的直流分量带入解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；根据j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断。

Description

模块化多电平换流器的环流抑制方法及装置
技术领域
本发明是关于柔性直流输电技术领域，特别是关于一种模块化多电平换流器的环流抑制方法及装置。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)具有易扩展和模块化设计的优点，近几年来得到了快速发展。模块化多电平换流器采用子模块级联方式，可以有效地解决传统功率开关直接串联的不足，提高电压和功率等级，在柔性直流输电领域具有广阔的应用前景。
模块化多电平换流器共有3个相单元，每个相单元由上、下两个桥臂构成，共6个桥臂，每个桥臂由若干个子模块和电感级联构成(如图1所示)。子模块采用半桥结构，由两个带反并联二极管的IGBT和一个电容构成(如图2所示)，通过对三个相单元上、下桥臂处于投入状态的子模块数进行分配，实现对换流器三相交流电压的调节。由于模块化多电平换流器独特的结构特点，在桥臂电流的作用下，子模块电容会周期性充放电，造成子模块电容电压波动，进而引入桥臂环流，导致桥臂电流发生畸变，换流器损耗增大。
针对MMC中环流问题，可通过增大桥臂电感来抑制环流，但该方法不能从根本上解决环流问题，且过大的电感会降低系统的响应速度、增大装置的体积。也可以在比例—积分(PI)、准比例谐振等调节器的基础上设计环流抑制控制器，这些都可以在一定程度上起到环流抑制的作用，改善桥臂电流的畸变，减少损耗。但这些控制策略较为复杂，都需要实时检测三相上、下桥臂电流。
发明内容
本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制方法及装置，以在有效抑制二次谐波环流的同时降低控制器的复杂程度。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制方法，该环流抑制方法包括：
通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型；将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入所述解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；
将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；
基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；
根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于所述子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断。
一实施例中，通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型，包括：
建立模块化多电平换流器的数学模型，通过计算子模块电容电压波动得到所述电容电压值；
预设上下桥臂总开关状态中的附加二倍频分量，基于所述电容电压值及附加二倍频分量计算所述相单元的输出电压；
预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式，将所述相单元的输出电压带入所述二倍频参考电压表达式，得到所述解析模型。
一实施例中，基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压，包括：
将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上桥臂参考电压；
将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相下桥臂参考电压。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制装置，包括：
模型建立单元，用于通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型；
参考电压中间值生成单元，用于将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入所述解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；
变换单元，用于将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；
上下桥臂参考电压计算单元，用于基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；
控制单元，用于根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于所述子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断。
一实施例中，所述模型建立单元包括：
容电压值生成模块，用于建立模块化多电平换流器的数学模型，通过计算子模块电容电压波动得到所述电容电压值；
输出电压计算模块，用于预设上下桥臂总开关状态中的附加二倍频分量，基于所述电容电压值及附加二倍频分量计算所述相单元的输出电压；
解析模型生成单元，用于预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式，将所述相单元的输出电压带入所述二倍频参考电压表达式，得到所述解析模型。
一实施例中，所述上下桥臂参考电压计算单元包括：
上桥臂参考电压计算模块，用于将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上桥臂参考电压；
下桥臂参考电压计算模块，用于将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相下桥臂参考电压。
利用本发明，可以在有效抑制二次谐波环流的同时降低控制器的复杂程度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中三相模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图2为图1中的单个子模块的具体电路图；
图3为本发明一实施例的模块化多电平换流器的环流抑制方法流程；
图4为本发明实施例基于解析法的MMC环流抑制策略的控制原理框图；
图5为本发明一实施例的模块化多电平换流器的环流抑制方法流程；
图6为本发明实施例的两端MMC-HVDC系统示意结构图；
图7为本发明实施例采用本发明的环流抑制方法后a相上、下桥臂电流ipa、ina及环流idiffa流程图；
图8为本发明实施例采用本发明的环流抑制方法后a相上、下桥臂子模块电容电压；
图9为本发明实施例模块化多电平换流器的环流抑制装置结构框图；
图10为本发明实施例模块化多电平换流器的环流抑制装置结构框图；
图11为本发明实施例模块化多电平换流器的环流抑制装置结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制方法，如图3所示，该环流抑制方法包括：
S301：通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型；
S302：将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入所述解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；
S303：将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；
S304：基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；
S305：根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于所述子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断。
图1中三相模块化多电平换流器有a、b、c三相，每个相单元由上、下两个桥臂构成，共6个桥臂，每个桥臂由N个子模块和电感级联构成。子模块采用如图2所示的半桥结构，由两个带反并联二极管的IGBT和一个电容构成。图4为本发明实施例基于解析法的MMC环流抑制策略的控制原理框图，下面结合图1、图2及图4说明本发明实施例的环流抑制方法。
一实施例中，桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型(即解析表达式)如下：
式中，u2fd_ref和u2fq_ref分别为d轴对解析表达式和q轴的解析表达式，N，m1，ω，C都为已知常量；为电流基波正弦分量通过坐标系转换后的d轴直流量，为电流基波正弦分量通过坐标系转换后的q轴直流量，Iad为直流电流的三分之一。
一实施例中，S101可以包括：
S501：建立模块化多电平换流器的数学模型，通过计算子模块电容电压波动得到上下桥臂各时刻的电容电压值；
一实施例中，电容电压值为：
式中，UC0为子模块电容电压的初始值；iC_pa、iC_na分别为上、下桥臂流过子模块电流；C为子模块电容值；ω为工频角速度；Ia1为交流侧工频电流峰值；Iad为直流电流；为工频电流初相角。
S502：预设上下桥臂总开关状态中的附加二倍频分量，基于所述电容电压值及附加二倍频分量计算所述相单元的输出电压Δubr(t)。
具体地，令总的开关状态中附加二倍频分量：
其中，Spa、Sna为上、下桥臂总开关状态；N为单个桥臂含有的子模块个数；m1为交流侧电压调制比；m2为二次谐波电压调制比。
将代入公式(3)及公式(2)，可以计算此时相单元的输出电压Δubr(t)：
此时输出桥臂电压中二倍频分量为0，即：
化简上式(6)，可得：
S503：预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式，将所述相单元的输出电压带入所述二倍频参考电压表达式，得到所述解析模型。
预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式为：
公式(7)经过PARK变换可得：
上式中，N，m1，ω，C都为已知常量；为电流基波正弦分量通过坐标系转换后的d轴直流量，为电流基波正弦分量通过坐标系转换后的q轴直流量，；Iad为直流电流的三分之一。
一实施例中，S302中，由已知内环电流控制器可以得到电流基波分量通过PARK变换后的直流分量。将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入公式(1)的解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴的值u2fd_ref及q轴的值u2fq_ref。
S504：将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压u2fj_ref：
S504具体实施时，可以包括：
将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上桥臂参考电压；并且
将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相下桥臂参考电压。
最后，根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略，可以计算需要导通的子模块个数，基于子模块个数可以生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断，实现对桥臂电压的控制，从而消除环流。
下面结合具体地实施例说明本发明如何实现环流抑制。
图6本发明实施例两端MMC-HVDC系统示意结构图，本实施例搭建了如图6所示的两端四站MMC型厦门柔直示范工程的电磁暂态仿真算例。模块化多电平换流器共有6个桥臂，每个桥臂含有200个子模块，采用电磁暂态快速仿真算法用等效的子模块代替实际子模块，子模块电容值为1000微法。逆变侧直流电压参考值为320千伏，无功功率参考值为0；整流侧有功功率参考值为400MW，无功功率参考值为0。两端的环流抑制控制器在0.7s时投入工作。不失一般性，以整流侧a相为研究对象。
图7是采用本发明的环流抑制方法后a相上、下桥臂电流ipa、ina及环流idiffa示意图；如图7所示，采用本发明环流抑制器前后，上、下桥臂电流及环流波形。可见，在0.7s环流抑制器投入后上、下桥臂电流畸变减小，波形由原来的畸变状态变为正弦状态；采用本发明的环流抑制器后，环流由原来的500A减少至100A左右，二倍频环流明显得到抑制。图8为本发明的环流抑制器投入前后子模块电容电压示意图，由图8可见，环流抑制器投入后子模块电容电压波动减小。
基于与上述环流抑制方法相同的申请构思，本申请提供一种环流抑制装置，如下面实施例所述。由于该环流抑制装置解决问题的原理与环流抑制方法相似，因此该环流抑制装置的实施可以参见环流抑制方法的实施，重复之处不再赘述。
综上所述，利用本发明，可以在有效抑制二次谐波环流的同时降低控制器的复杂程度。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种模块化多电平换流器的环流抑制装置，如图9，该环流抑制装置包括：
模型建立单元901，用于通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型；
参考电压中间值生成单元902，用于将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入所述解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；
变换单元903，用于将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；
上下桥臂参考电压计算单元904，用于基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；
控制单元905，用于根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于所述子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断。
一实施例中，如图10所示，所述模型建立单元901包括：
容电压值生成模块1001，用于建立模块化多电平换流器的数学模型，通过计算子模块电容电压波动得到所述电容电压值；
输出电压计算模块1002，用于预设上下桥臂总开关状态中的附加二倍频分量，基于所述电容电压值及附加二倍频分量计算所述相单元的输出电压；
解析模型生成单元1003，用于预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式，将所述相单元的输出电压带入所述二倍频参考电压表达式，得到所述解析模型。
一实施例中，如图11所示，所述上下桥臂参考电压计算单元904包括：
上桥臂参考电压计算模块1101，用于将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上桥臂参考电压；
下桥臂参考电压计算模块1102，用于将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相下桥臂参考电压。
利用本发明，可以在有效抑制二次谐波环流的同时降低控制器的复杂程度。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，包括：
通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型；
将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入所述解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；
将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；
基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；
根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于所述子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断；
通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型，包括：
建立模块化多电平换流器的数学模型，通过计算子模块电容电压波动得到所述电容电压值；
预设上下桥臂总开关状态中的附加二倍频分量，基于所述电容电压值及附加二倍频分量计算所述相单元的输出电压；
预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式，将所述相单元的输出电压带入所述二倍频参考电压表达式，得到所述解析模型。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压，包括：
将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相减，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上桥臂参考电压；
将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相下桥臂参考电压。
3.一种模块化多电平换流器的环流抑制装置，其特征在于，包括：
模型建立单元，用于通过计算模块化多电平换流器中每个相单元的上下桥臂各时刻的电容电压值及相单元的输出电压建立桥臂二倍频环流控制的参考电压在旋转坐标系下d轴和q轴的解析模型；
参考电压中间值生成单元，用于将电流基波分量通过PARK变换后的直流分量带入所述解析模型中，得到桥臂的二倍频参考电压在旋转坐标系下d轴及q轴的值；
变换单元，用于将所述旋转坐标系下d轴及q轴的值进行PARK反变换，得到三相坐标系下的桥臂二倍频环流控制的参考电压；
上下桥臂参考电压计算单元，用于基于直流母线电压、换流器交流侧输出电压参考值及所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上下桥臂参考电压；
控制单元，用于根据所述j相上下桥臂参考电压，运用最近电平调制策略计算需要导通的子模块个数，基于所述子模块个数生成相应的触发脉冲，以控制子模块的开通与关断；
所述模型建立单元包括：
容电压值生成模块，用于建立模块化多电平换流器的数学模型，通过计算子模块电容电压波动得到所述电容电压值；
输出电压计算模块，用于预设上下桥臂总开关状态中的附加二倍频分量，基于所述电容电压值及附加二倍频分量计算所述相单元的输出电压；
解析模型生成单元，用于预设环流抑制控制器输出的二倍频参考电压表达式，将所述相单元的输出电压带入所述二倍频参考电压表达式，得到所述解析模型。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器的环流抑制装置，其特征在于，所述上下桥臂参考电压计算单元包括：
上桥臂参考电压计算模块，用于将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相减，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相上桥臂参考电压；
下桥臂参考电压计算模块，用于将所述直流母线电压的一半与换流器交流侧输出电压参考值相加，然后减去所述桥臂二倍频环流控制的参考电压，得到j相下桥臂参考电压。
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