CN107465360B - 模块化多电平换流器的谐波环流消除方法及装置 - 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谐波环流消除方法及装置，该谐波环流消除方法包括：将各桥臂子模块的电容电压进行排序；基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作。利用本发明，可以消除上下桥臂实际输出电压与参考电压之间的误差，使桥臂实际输出电压不含有二倍频波动，从而有效抑制环流。

Description

模块化多电平换流器的谐波环流消除方法及装置
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谐波环流消除方法及装置。
背景技术
柔性直流输电技术是基于电压源换流技术和全控型电力电子器件的电力传输技术，与传统直流输电技术相比，具有可以向无源系统供电、可同时调节有功功率和无功功率、适合构成多端直流系统等优点。而模块化多电平换流器的出现也更进一步促进了柔性直流输电的发展。
模块化多电平换流器由子模块级联而成，如图1及图2所示。模块化多电平换流器特点，可以有效的实现高电压等级的电能变换，具有广阔的应用前景。近年来，国内外专家学者对MMC的建模和控制、环流抑制以及子模块电容电压平衡等问题进行了广泛的研究。多电平调制策略是直接影响MMC输出特性的关键技术，主要包括脉宽调制技术、空间矢量脉宽调制、阶梯波调制技术、最近电平调制技术(NLM)等。其中，NLM在电平数很多时，具有谐波含量小、损耗小等优点，更适合大功率场合应用。
在传统的最近电平调制策略中，由于子模块电容电压的波动，NLM很难将模块化多电平换流器实际输出电压与调制波参考电压之差控制在理想值+UC/2范围之内，这将会在桥臂中引入二倍频谐波电压，进而造成谐波环流。
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谐波环流消除方法及装置，以消除谐波环流。
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谐波环流消除方法，包括：
将各桥臂子模块的电容电压进行排序；
基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；
根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作。
一实施例中，该谐波环流消除方法还包括：获取模块化多电平换流器的上下桥臂参考电压。
一实施例中，该谐波环流消除方法还包括：根据电流值判断所述电流方向；其中，若所述电流大于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电，若所述电流小于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电。
一实施例中，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电时，所述基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块，包括：
将各桥臂的子模块的电容电压按照从小到大的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和大于设定值；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；
分别判断k个子模块的电容电压之和及k-1个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
一实施例中，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，所述基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块，包括：
将各桥臂的子模块的电容电压按照从大到小的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和与设定值最接近；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为N-k+1；
分别判断N-k+1个子模块的电容电压之和及N-k个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
为了实现上述目的，本发明实施例还提供了一种模块化多电平换流器的谐波环流消除装置，包括：
排序单元，用于将各桥臂子模块的电容电压进行排序；
投入子模块确定单元，用于基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；
子模块切换单元，用于根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作。
一实施例中，该谐波环流消除装置还包括：参考电压获取单元，用于获取模块化多电平换流器的上下桥臂参考电压。
一实施例中，该谐波环流消除装置还包括：电流方向判断单元，用于根据电流值判断所述电流方向；其中，若所述电流大于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电，若所述电流小于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电。
一实施例中，所述投入子模块确定单元包括：
加和模块，用于将各桥臂的子模块的电容电压按照从小到大的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和大于设定值；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；
差值判断模块，用于分别判断k个子模块的电容电压之和及k-1个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
个数确定模块，用于将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
一实施例中，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，所述基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块，包括：
加和模块，用于将各桥臂的子模块的电容电压按照从大到小的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和与设定值最接近；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为N-k+1；
差值判断模块，用于分别判断N-k+1个子模块的电容电压之和及N-k个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
个数确定模块，用于将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
利用本发明，可以消除上下桥臂实际输出电压与参考电压之间的误差，使桥臂实际输出电压不含有二倍频波动，从而有效抑制环流。
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谐波环流消除方法流程图；
图4为本发明一实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法流程图；
图5为本发明一实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法流程图；
图6为本发明实施例的谐波环流消除方法的叠加逼近调制策略原理框图；
图7为本发明实施例两端MMC-HVDC系统示意结构图；
图8A及图8B为采用本发明实施例和采用传统最近电平调制策略上、下桥臂实际输出电压与参考电压波形图；
图9为采用本发明实施例和采用传统最近电平调制策略相单元输出电压对比；
图10为采用本发明实施例的上、下桥臂电流及环流；
图11为本发明一实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置的结构框图；
图12为本发明一实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置的结构框图；
图13为本发明一实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置的结构框图；
图14为本发明实施例的投入子模块确定单元的结构框图。
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。
本申请的主要目的是消除现有的模块化多电平换流器的谐波环流，下面首先描述模块化多电平换流器的结构。
如图1所示，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。如图2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。
图3为本发明实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法流程图，如图3所示，该谐波环流消除方法包括：
S301：将各桥臂子模块的电容电压进行排序；
S302：基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；
S303：根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作。
一实施例中，在S301或S302之前，还需要获取模块化多电平换流器的上桥臂参考电压upj_ref及下桥臂参考电压unj_ref。具体实施时，还可以由模块化多电平换流器的控制器获取桥臂参考电压upj_ref及下桥臂参考电压unj_ref。
S301具体实施时，将各桥臂子模块的电容电压进行排序，可以按照从大到小的升序排列，也可以按照从大到小的降序排列。
S302实施之前，需要根据电流值判断所述电流方向。其中，判断电流值与零值的大小。若所述电流大于0，则所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电；若所述电流小于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电。电流方向不同S302中确定各桥臂分别投入使用的子模块的方法不同。
一实施例中，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电时，如图4所示，S302包括如下步骤：
S401：将各桥臂的子模块的电容电压按照从小到大的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和大于设定值；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；
S402：分别判断k个子模块的电容电压之和及k-1个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
S403：将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
一实施例中，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，如图5所示，S302包括如下步骤：
S501：将各桥臂的子模块的电容电压按照从大到小的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和与设定值最接近；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为N-k+1；
S502：分别判断N-k+1个子模块的电容电压之和及N-k个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
S503：将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
通过图4及图5得到投入使用的子模块之后，就可以根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作。
为了清楚描述本发明实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法，下面结合具体实施例进行说明。
图6为本发明的谐波环流消除方法的叠加逼近调制策略原理框图。
如图6所示，首先，由模块化多电平系统控制器得到三相上、下桥臂参考电压upj_ref和unj_ref，然后输入上、下桥臂参考电压upj_ref和unj_ref及各桥臂的子模块的电容电压。
然后，可以对各桥臂子模块的电容电压进行排序，本发明也先将各桥臂子模块的电容电压排序好，然后再输入。本实施例中仅以排序为升序排列进行说明。
之后，就可以判断电流方向，下面针对判断的电流方向结果分别进行说明。
当电流大于0时，即电流对子模块电容电压充电。将升序排序的子模块电容电压从前往后相加，直至子模块电容电压之和大于设定值(该设定值可以根据具体情况而定)，确定此刻参与电容电压相加的子模块个数k，即从小到大共k个子模块电压相加。为了使实际输出电压与目标电平(上桥臂或下桥臂参考电压)的偏差绝对值最小，需要再判断k-1个子模块与k个子模块电容电压之和哪个最接近目标电平，即判断下式是否成立：
式中，upa_ref为上桥臂中a相的参考电压，上式可以用上桥臂b相的参考电压upb_ref、上桥臂c相的参考电压upc_ref、下桥臂a相的参考电压una_ref、下桥臂b相的参考电压unb_ref、下桥臂c相的参考电压unc_ref替换，分别进行判断。
若成立，则k＝k；若不成立，则k＝k-1。
确定最终投入子模块个数k，触发脉冲，使排序后的第1个，第2个，……第k个子模块投入，其余子模块切除。
当电流小于0时，即电流对子模块电容电压放电。将升序排序的子模块电容电压从后往前(从最大值开始)相加，直至子模块电容电压之和最接近设定值，确定此刻子模块个数N-k+1。
为了使实际输出电压与目标电平的偏差绝对值最小，再判断N-k+1个子模块与N-k个子模块电容电压之和哪个最接近目标电平，即判断下式是否成立：
式中，upa_ref为上桥臂中a相的参考电压，上式可以用上桥臂b相的参考电压upb_ref、上桥臂c相的参考电压upc_ref、下桥臂a相的参考电压una_ref、下桥臂b相的参考电压unb_ref、下桥臂c相的参考电压unc_ref替换，分别进行判断。
若成立，则k＝k；若不成立，则k＝k+1。触发脉冲，使排序后的第k个，第k+1个……第N个子模块投入，其余子模块切除。
下面结合具体的实例说明本发明的谐波环流消除方法。
图7为本发明实施例两端MMC-HVDC系统示意结构图。本实施例搭建如图7两端四站MMC型厦门柔直示范工程的电磁暂态仿真模型。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等效的子模块代替实际子模块，子模块电容值为1000微法。湖边站直流电压参考值为320千伏，无功功率参考值为0；彭厝站有功功率参考值为200MW，无功功率参考值为0。其中，彭厝1站和湖边1站采用本发明提出的叠加逼近调制策略；彭厝2站和湖边2站采用传统最近电平调制策略。
图8A及图8B揭示了采用传统最近电平调制和本发明提出的叠加逼近调制策略两种情况下，逆变站上、下桥臂实际输出电压与参考电压对比图。由图8A可知当采用传统最近电平调制策略时，上、下桥臂实际输出电压与参考电压波形之间有一定的偏差；由图8B可知当采用本发明所提出的叠加逼近调制算法时，上、下桥臂实际输出电压与参考电压波形之间基本一致，不存在图8A中的明显偏差。
图9给出了采用两种调制策略下逆变站相单元输出电压的对比，可以看出，当采用传统最近电平调制策略时，相单元输出电压存在明显的二倍频电压波动，幅值约为10kV，这将导致环流的产生；但当采用本发明所提出的叠加逼近调制策略时，相单元的输出电压不含有二倍频波动电压，只含有小幅度的纹波电压。
图10给出了两种调制策略下逆变站上、下桥臂电流及环流波形图，可以看出，当采用传统最近调制策略时，上、下桥臂电流出现明显的畸变，桥臂环流中除了直流成分，还含有明显的二倍频环流成分，环流峰峰值为300A左右；但当采用本发明所提出的叠加逼近调制策略时，上、下桥臂电流没有畸变，桥臂环流只含有直流成分，不含有二倍频谐波环流。
利用本发明的谐波环流消除方法，可以消除上下桥臂实际输出电压与参考电压之间的误差，使桥臂实际输出电压不含有二倍频波动，从而有效抑制环流。
基于与上述谐波环流消除方法相同的申请构思，本申请提供一种谐波环流消除装置，如下面实施例所述。由于该谐波环流消除装置解决问题的原理与谐波环流消除方法相似，因此该谐波环流消除装置的实施可以参见谐波环流消除方法的实施，重复之处不再赘述。
图11为本发明实施例的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置结构框图。如图11所示，该谐波环流消除装置包括：排序单元1101，投入子模块确定单元1102及子模块切换单元1103。
排序单元1101，用于将各桥臂子模块的电容电压进行排序；
投入子模块确定单元1102，用于基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；
子模块切换单元1103，用于根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作。
一实施例中，如图12所示，该谐波环流消除装置还包括：参考电压获取单元1201，用于获取模块化多电平换流器的上下桥臂参考电压。
一实施例中，如图13所示，该谐波环流消除装置还包括：电流方向判断单元1301，用于根据电流值判断所述电流方向；其中，若所述电流大于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电，若所述电流小于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电。
一实施例中，如图14所示，投入子模块确定单元1102包括：
加和模块1401，当电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，用于将各桥臂的子模块的电容电压按照从小到大的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和大于设定值；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；
差值判断模块1402，当电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，用于分别判断k个子模块的电容电压之和及k-1个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
个数确定模块1403，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，用于将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
一实施例中，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，加和模块1401还用于将各桥臂的子模块的电容电压按照从大到小的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和与设定值最接近；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；差值判断模块1402还用于分别判断k个子模块的电容电压之和及k+1个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；个数确定模块1403还用于将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
利用本发明，可以消除上下桥臂实际输出电压与参考电压之间的误差，使桥臂实际输出电压不含有二倍频波动，从而有效抑制环流。
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 (8)

1.一种模块化多电平换流器的谐波环流消除方法，其特征在于，包括：
将各桥臂子模块的电容电压进行排序；
基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；
根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作；
当所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电时，所述基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块，包括：
将各桥臂的子模块的电容电压按照从小到大的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和大于设定值；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；
分别判断k个子模块的电容电压之和及k-1个子模块的电容电压之和与参考电压的差值；
将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法，其特征在于，还包括：获取模块化多电平换流器的上下桥臂参考电压。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法，其特征在于，还包括：根据电流值判断所述电流方向；其中，若所述电流大于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电，若所述电流小于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电。
4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器的谐波环流消除方法，其特征在于，当所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电时，所述基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块，包括：
将各桥臂的子模块的电容电压按照从大到小的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和与设定值最接近；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为N-k+1；
分别判断N-k+1个子模块的电容电压之和及N-k个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
5.一种模块化多电平换流器的谐波环流消除装置，其特征在于，包括：
排序单元，用于将各桥臂子模块的电容电压进行排序；
投入子模块确定单元，用于基于排序结果，根据电流方向确定各桥臂投入使用的子模块；
子模块切换单元，用于根据各桥臂投入使用的子模块对各桥臂的部分子模块进行投入及切除操作；
所述投入子模块确定单元包括：
加和模块，用于将各桥臂的子模块的电容电压按照从小到大的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和大于设定值；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为k；
差值判断模块，用于分别判断k个子模块的电容电压之和及k-1个子模块的电容电压之和与参考电压的差值；
个数确定模块，用于将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置，其特征在于，还包括：参考电压获取单元，用于获取模块化多电平换流器的上下桥臂参考电压。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置，其特征在于，还包括：电流方向判断单元，用于根据电流值判断所述电流方向；其中，若所述电流大于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压充电，若所述电流小于0，所述电流方向为电流对子模块的电容电压放电。
8.根据权利要求7所述的模块化多电平换流器的谐波环流消除装置，其特征在于，
所述加和模块，还用于将各桥臂的子模块的电容电压按照从大到小的顺序依次相加，直至相加得到的电容电压之和与设定值最接近；设此时参与电容电压相加的子模块的个数为N-k+1；
所述差值判断模块，还用于分别判断N-k+1个子模块的电容电压之和及N-k个子模块的电容电压之和与所述参考电压的差值；
所述个数确定模块，还用于将差值小的电容电压之和对应的子模块的个数确定为投入使用的子模块个数。
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