CN110829477A - 一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法。以电容电压纹波最小化为优化目标，在二次环流注入比，四次环流注入比，调制比的约束条件下，选取最优的二次环流注入比，四次环流注入比和调制比。通过在桥臂环流中注入所得对应幅值和特定相位的二倍频分量和四倍频分量，在上下桥臂电压中注入三次共模分量，使变换器工作在所得的调制比，即可使子模块电容电压波动最小化，从而使子模块电容容值需求最小化。本发明不仅能降低子模块成本，提高子模块功率密度，还能提高变换器的工作效率。

Description

一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法

技术领域

本发明涉及电气自动化设备技术领域，具体地，涉及一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法。

背景技术

模块化多电平变换器在柔性直流输电领域中得到了广泛的应用。模块化多电平变换器由多个子模块组成。子模块电容的成本大约是整个子模块成本的三分之一，子模块电容的重量和尺寸超过子整个模块的一半。因此，减小电容的容值可降低成本，提高变换器的功率密度，具有重要的现实意义。

如果不控制模块化多电平变换器的三相之间的交流环流，三相之间会产生二次环流，此环流的相位超前于相电流

其大小取决于桥臂电感和子模块电容的参数。这个环流会导致子模块电压波动增大，使子模块的容值需求增大。

近些年来，已经有人提出一些减小模块化多电平变换器子模块电容的方法。常规方法是抑制环流，即将三相之间的交流环流幅值控制为零，这种方法可以减小子模块电容电压波动，从而使子模块容值需求降低，但其没有利用模块化多电平变换器中环流这一特有的自由度。

现有方法还包括在桥臂电流中注入各种频率的环流，在桥臂电压中注入零序共模电压。由于柔性直流输电场合的基频为50Hz，而开关管的开关频率有限，因此在柔性直流输电场合只能注入有限频次的环流和共模电压，而不支持更高频次环流和共模电压的注入。在可注入的频次中，环流的最低注入频次为二次，共模电压的最低注入频次为三次。因此二次环流和三次共模电压为现有方法中的注入频次。现有方法使用三次谐波注入调制注入三次共模电压，并注入一定量的二次环流，但都没有对注入环流大小和调制比进行优化设计，使容值减小效果不理想。

目前没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，以子模块电容电压峰峰值最小化为优化目标，通过最优化算法得到最优调制比、二次环流注入比和四次环流注入比，注入对应大小和相位的二次环流、四次环流和三次零序共模电压，使子模块电容电压波动最小化，实现了子模块电容容值需求最小化。

本发明是通过以下技术方案实现的。

本发明提供了一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，所述优化方法针对模块化多电平变换器，以其子模块的电容电压纹波v_cpp最小化为优化目标，设二次环流注入比为x，四次环流注入比为y，调制比为M，在-1≤x≤1，-1≤y≤1且0.5≤M≤1.15的约束条件下，选取最优的二次环流注入比x，四次环流注入比y和调制比M，使模块化多电平变换器子模块电容电压波动最小化。

所述优化方法，包括如下步骤：

S1，设电容电压交流分量v_c为：

式中，t₀为电容电压等于电容平均电压U_c的初始时刻，t为初始时刻t₀之后的任意时刻，取电容容值C等于1，直流母线电流I_d等于1，交流角频率ω等于1，初始时刻t₀等于0，进入S2；

S2，将最大调制比留取0.05的裕量，即调制比的约束条件变为0.5≤M≤1.1，取M＝0.5，x＝-1，y＝-1，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp ^*，并记下这组x,y,M的值，进入S3；

S3，把x+0.001赋值给x，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp，进入S4；

S4，判断v_cpp是否小于v_cpp ^*；

若v_cpp小于v_cpp ^*，令v_cpp ^*＝v_cpp，记下这组x,y,M的值，进入S5；

若v_cpp大于v_cpp ^*，进入S5；

S5，判断x是否等于1；

若x不等于1，返回S3；

若x等于1，进入S6；

S6，判断y是否等于1；

若y不等于1，把y+0.001赋值给y，返回S3；

若y等于1，进入S7；

S7，判断M是否等于1.1；

若M不等于1.1，把M+0.01赋值给M，返回S3；

若M等于1.1，进入S8；

S8，取最后得到的一组x,y,M的值，即为最优的二次环流注入比x，四次环流注入比y和调制比M。

本发明上述模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，适用于如下所述的模块化多电平变换器；所述模块化多电平变换器，包括三个相单元，其中，每一个相单元均包括：上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感，所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端，所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连，所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，连接到电网，所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连，所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂和所述下桥臂均由子模块串联而成，所述子模块为半桥子模块或全桥子模块。

优选地，所述子模块的电容平均电压U_c与直流母线电压U_d的关系为：

U_d＝NU_c

式中，N为每个桥臂子模块个数；

子模块的桥臂电流由直流电流、交流相电流和环流组成；其中，a相上臂电流i_pa和下臂电流i_na为：

式中，I_d为直流母线电流，i_a＝I_msinωt为a相电流，I_m为相电流幅值，ω为电网角频率，t为时间；i_acir、i_bcir、i_ccir分别是a、b、c三相注入的环流：

式中，I₂为二次环流幅值，I₄为四次环流幅值；

二次环流注入比x为：

四次环流注入比y为：

子模块的桥臂电压由直流电压、交流相电压和共模电压组成；其中，a相上桥臂电压v_pa和下桥臂电压v_na为：

式中，u_a＝U_msinωt为a相电压，U_m为相电压幅值，u_com为注入的共模电压；所述注入的共模电压u_com为：

调制比M为：

电容电压的交流分量v_c为：

式中，C为电容容值，t₀为电容电压等于U_c的初始时刻，t为初始时刻t₀之后的任意时刻；

电容电压纹波v_cpp为电容电压的交流分量v_c的最大值v_{c_max}与最小值v_{c_min}之差：

v_cpp＝v_{c_max}-v_{c_min}。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提供了提供一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，在传输相同功率且直流母线电压相同时将模块化多电平变换器子模块电容容值需求降至最低，不仅能降低子模块成本，提高子模块功率密度，还能提高变换器的工作效率。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中提供的模块化多电平变换器电路拓扑；

图2为本发明一实施例中提供的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法的优化算法程序框图；

图3为本发明一实施例中提供的模块化多电平变换器中注入的三相环流波形；

图4为本发明一实施例中提供的模块化多电平变换器中注入的共模电压波形；

图5为本发明一实施例中提供的环流、输出电流与共模电压的控制框图；

图6为本发明一实施例中提供的模块化多电平变换器子模块的电容电压波动优化前和式用本发明优化后的波形对比图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行详细的说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法。

参照图1所示，本发明适用的模块化多电平变换器的拓扑，包括三个相单元，每个相单元均包括：上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感，所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端，所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连，所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，连接到电网，所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连，所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由子模块串联而成。所述子模块可以为半桥子模块或全桥子模块。

进一步地，所述子模块的电容平均电压U_c与直流母线电压U_d的关系为

U_d＝NU_c

桥臂电流由直流电流、交流相电流和环流组成。a相上臂电流i_pa和下臂电流i_na为：

其中I_d为直流母线电流。i_a＝I_msinωt为a相电流，i_acir,i_bcir,i_ccir分别是abc三相注入的环流：

二次环流注入比x为：

四次环流注入比y为：

桥臂电压由直流电压、交流相电压和共模电压组成。a相上桥臂电压v_pa和下桥臂电压v_na为：

其中u_a＝U_msinωt为a相电压，注入的共模电压为：

调制比M为：

电容电压的交流分量v_c为：

其中C为电容容值，t₀为电容电压等于U_c的初始时刻，t为初始时刻t₀之后的任意时刻；

电容电压纹波v_cpp为电容电压的交流分量v_c的最大值与最小值之差：

v_cpp＝v_{c_max}-v_{c_min}

基于上述的模块化多电平变换器，本发明实施例提供的一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，以电容电压纹波v_cpp最小化为优化目标，在-1≤x≤1，-1≤y≤1且0.5≤M≤1.15的约束条件下，选取最优的二次环流注入比x，四次环流注入比y和调制比M。

进一步地，所述优化方法包括如下步骤：

步骤1，电容电压交流分量v_c的表达式中，取电容容值C等于1，直流母线电流I_d等于1，交流角频率ω等于1，初始时刻t₀等于0，进入步骤2；

步骤2，将最大调制比留取0.05的裕量，即调制比的约束条件变为0.5≤M≤1.1，取M＝0.5，x＝-1，y＝-1，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp ^*，并记下这组x,y,M的值，进入步骤3；

步骤3，将x+0.001赋值给x，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp，进入步骤4；

步骤4，判断v_cpp是否小于v_cpp ^*；

若v_cpp小于v_cpp ^*，令v_cpp ^*＝v_cpp，记下这组x,y,M的值，进入步骤5；

若v_cpp大于v_cpp ^*，进入步骤5；

步骤5，判断x是否等于1；

若x不等于1，进入步骤3；

若x等于1，进入步骤6；

步骤6，判断y是否等于1；

若y不等于1，将y+0.001赋值给y，进入步骤3；

若y等于1，进入步骤7；

步骤7，判断M是否等于1.1；

若M不等于1.1，M+0.01赋值给M，进入步骤3；

若M等于1.1，进入步骤8；

步骤8.取最后得到的一组x,y,M，结束。

经过上述步骤选取的x,y,M即为最优的二次环流注入比，四次环流注入比和调制比。

下面结合附图，对本发明上述实施例中提供的技术方案进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例中模块化多电平变换器的电路拓扑，包括三个相单元，每个相单元均包括上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感，所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端，所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连，所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，连接到电网，所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连，所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂、所述下桥臂均由子模块串联而成。所述子模块可以为半桥子模块或全桥子模块。

如图2所示，为本发明实施例中模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法的优化算法程序框图。二次环流注入比x,，四次环流注入比y和调制比M的优化步骤为：

步骤1，电容电压交流分量v_c的表达式中，取电容容值C等于1，直流母线电流I_d等于1，交流角频率ω等于1，初始时刻t₀等于0，进入步骤2；

步骤2，将最大调制比留取0.05的裕量，即调制比的约束条件变为0.5≤M≤1.1，取M＝0.5，x＝-1，y＝-1，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp ^*，并记下这组x,y,M的值，进入步骤3；

步骤3，将x+0.001赋值给x，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp，进入步骤4；

步骤4，判断v_cpp是否小于v_cpp ^*；

若v_cpp小于v_cpp ^*，令v_cpp ^*＝v_cpp，记下这组x,y,M的值，进入步骤5；

若v_cpp大于v_cpp ^*，进入步骤5；

步骤5，判断x是否等于1；

若x不等于1，进入步骤3；

若x等于1，进入步骤6；

步骤6，判断y是否等于1；

若y不等于1，将y+0.001赋值给y，进入步骤3；

若y等于1，进入步骤7；

步骤7，判断M是否等于1.1；

若M不等于1.1，M+0.01赋值给M，进入步骤3；

若M等于1.1，进入步骤8；

步骤8，取最后得到的一组x,y,M，结束。

经过上述算法，得最优的一组二次环流注入比，四次环流注入比和调制比为：x＝0.448,y＝0.072,M＝1.1。

如图3所示，为本发明实施例中模块化多电平变换器中注入的三相环流波形；

如图4所示，为本发明实施例中模块化多电平变换器中注入的共模电压波形；

如图5所示，为本发明实施例中环流、输出电流与共模电压的控制框图；

如图6所示，为本发明实施例中模块化多电平变换器子模块的电容电压波动优化前和式用本发明优化后的波形对比图；

本发明上述实施例所提供的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，以子模块电容电压峰峰值最小化为优化目标，通过最优化算法得到最优调制比、二次环流注入比和四次环流注入比，注入对应大小和相位的二次环流、四次环流和三次零序共模电压，使子模块电容电压波动最小化，从而使子模块电容容值需求最小化。经本发明优化后电容电压的纹波降低为之前的20％，在相同的电容电压纹波下，本发明可将子模块电容容值降低为之前的20％。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，针对模块化多电平变换器，以其子模块的电容电压纹波v_cpp最小化为优化目标，设二次环流注入比为x，四次环流注入比为y，调制比为M，在-1≤x≤1，-1≤y≤1且0.5≤M≤1.15的约束条件下，选取最优的二次环流注入比x，四次环流注入比y和调制比M，使模块化多电平变换器子模块电容电压波动最小化。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，包括：

S1，设模块化多电平变换器子模块的电容电压交流分量v_c为：

式中，t₀为电容电压等于电容平均电压U_c的初始时刻，t为初始时刻t₀之后的任意时刻，取电容容值C等于1，直流母线电流I_d等于1，交流角频率ω等于1，初始时刻t₀等于0，进入S2；

S2，将最大调制比留取0.05的裕量，即调制比的约束条件变为0.5≤M≤1.1，取M＝0.5，x＝-1，y＝-1，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp ^*，并记下这组x,y,M的值，进入S3；

S3，把x+0.001赋值给x，得v_c(t,x,y,M)，计算其峰峰值v_cpp，进入S4；

S4，判断v_cpp是否小于v_cpp ^*；

若v_cpp小于v_cpp ^*，令v_cpp ^*＝v_cpp，记下这组x,y,M的值，进入S5；

若v_cpp大于v_cpp ^*，进入S5；

S5，判断x是否等于1；

若x不等于1，返回S3；

若x等于1，进入S6；

S6，判断y是否等于1；

若y不等于1，把y+0.001赋值给y，返回S3；

若y等于1，进入S7；

S7，判断M是否等于1.1；

若M不等于1.1，把M+0.01赋值给M，返回S3；

若M等于1.1，进入S8；

S8，取最后得到的一组x,y,M的值，即为最优的二次环流注入比x，四次环流注入比y和调制比M。

3.根据权利要求1或2所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，所述模块化多电平变换器，包括三个相单元，其中，每一个相单元均包括：上桥臂、下桥臂、上桥臂电感、下桥臂电感，所述上桥臂的正极端作为相单元的直流出线正极端，所述上桥臂的负极端与所述上桥臂电感的一端相连，所述上桥臂电感的另一端与所述下桥臂电感的一端相连，作为相单元的交流出线端，连接到电网，所述下桥臂电感的另一端与所述下桥臂的正极端相连，所述下桥臂的负极端作为相单元的直流出线负极端；三个相单元中的所述上桥臂和所述下桥臂均由子模块串联而成，所述子模块为半桥子模块或全桥子模块。

4.根据权利要求3所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，所述子模块的电容平均电压U_c与直流母线电压U_d的关系为：

U_d＝NU_c

式中，N为每个桥臂子模块个数；

子模块的桥臂电流由直流电流、交流相电流和环流组成；其中，a相上臂电流i_pa和下臂电流i_na为：

式中，I_d为直流母线电流，i_a＝I_msinωt为a相电流，I_m为相电流幅值，ω为电网角频率，t为时间；i_acir、i_bcir、i_ccir分别是a、b、c三相注入的环流：

式中，I₂为二次环流幅值，I₄为四次环流幅值。

5.根据权利要求4所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，二次环流注入比x为：

6.根据权利要求4所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，四次环流注入比y为：

7.根据权利要求4所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，子模块的桥臂电压由直流电压、交流相电压和共模电压组成；其中，a相上桥臂电压v_pa和下桥臂电压v_na为：

式中，u_a＝U_msinωt为a相电压，U_m为相电压幅值，u_com为注入的共模电压；所述注入的共模电压u_com为：

8.根据权利要求7所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，调制比M为：

9.根据权利要求7所述的模块化多电平变换器子模块电容最小化优化方法，其特征在于，电容电压的交流分量v_c为：

式中，C为电容容值，t₀为电容电压等于U_c的初始时刻，t为初始时刻t₀之后的任意时刻；

电容电压纹波v_cpp为电容电压的交流分量v_c的最大值v_{c_max}与最小值v_{c_min}之差：

v_cpp＝v_{c_max}-v_{c_min}。

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