CN112350596B - 柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，采用了最大电压偏差法进行多级功率模块的电压控制，仅需调节最大电压偏差u _set即可实现开关频率的闭环控制，结构清晰容易实现，且具有较好的频率调节效果。控制系统包括开关频率指令值frq _ref计算模块，开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块，一阶低通滤波器模块LPF，PI调节器模块和限幅模块，由于最大电压偏差u _set与开关频率frq _{pm_avg}成反比关系，所以用开关频率实际值减去开关频率指令值作为输入。

Description

柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，具体涉及一种柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法。

背景技术

柔性直流输电是新一代的直流输电系统，可采用两电平或多电平结构。如果采用模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)拓扑，一般采用6个桥臂的拓扑结构，每个桥臂则面临着数百个功率模块(Power Module, PM)级联的问题。为保证多级功率模块的正常运行，阀控系统需要对模块的电容电压进行控制。可以适当降低电容电压的平衡度、放宽电压波动的范围，以此来降低模块的开关频率、减小换流阀的损耗。

针对多个模块电容电压，现有的降损耗均压控制主要分为两类：1)虚拟电容电压法，典型的实现方案为保持因子算法，该算法一般需要设定功率模块电压的上下限值、保持因子系数，需设置的参数较多，不利于开关频率的控制。2)最大电压偏差法，典型的实现方案是通过设定电容电压的偏差最大值，以最大电压偏差为界限进行两种脉冲计算方法的切换，从而降低系统的开关频率和运行损耗。

上述两种方案均已广泛被工程化应用，但一般采用固定参数法对开关频率进行开环控制，当设定一组固定的保持因子或最大电压偏差后，在固定的功率点对应的子模块平均开关频率也随之确定。固定参数法的优点是操作简单、易于实现，缺点是不够精确、依赖于经验，特别是参数选取不当时容易造成开关频率过高或过低，影响器件的运行寿命。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，可选择不同的控制目标动态调节开关频率的指令值，将开关频率指令值、开关频率实际值进行PI调节与一阶低通滤波处理，达到精确控制开关频率的目的。

柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，采用最大电压偏差法进行多级功率模块的电压控制，通过调节最大电压偏差控制值u _set的大小，对开关频率进行闭环控制；最大电压偏差控制值u _set由开关频率实际值frq _{pm_avg}和开关频率指令值frq _ref进行PI调节后得到，所述开关频率指令值frq _ref通过以下公式计算：

；

其中，i _arm为桥臂电流幅值，C为单个功率模块的电容值，m为调制度，T为正弦波周期，δ为功率角，A和B均为中间变量；

依据以上公式，设置不同的控制目标：

目标1是设定固定的最大电压偏差值计算得到frq _ref0，用于保持子模块电压的波动固定；目标2是依据不同的电流幅值，保持电能质量最优得到频率控制指令值frq _ref1，相同的电流下最大电压偏差值越小开关频率越高，开关频率越高则调制电压正弦度越好，输出电流的谐波更小；frq _ref0和frq _ref1通过下式计算:

其中，为固定的最大电压偏差，u _{set_ref1}为动态的最大电压偏差，k为增益系数。进一步的，开关频率实际值frq _{pm_avg}=N _rise/(N _pm t _dlt)；其中，N _rise为某桥臂所有模块输出电平的上升沿变化次数，N _pm为某桥臂的正常运行模块数，t _dlt为统计的间隔时间。

进一步的，柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，包括以下步骤：

步骤1、换流阀系统解锁运行后，获取本次控制周期导通的功率模块数N _on(k)、正常模块电容电压最大值u _max和其电容电压最小值u _min；获取上个控制周期实际反馈的导通的功率模块数Nfed(k-1)，正常模块是指未发生故障处于正常工作状态的模块；

步骤2、对投入和切除的正常模块按照功率模块的电容电压大小分别进行排序；

步骤3、判断最大电压偏差实际值（u _max-u _min）和最大电压偏差控制值u _set的大小关系：

当最大电压偏差实际值(u _max-u _min)≤u _set时，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，投入电压最低的N _on(k)个模块；

当i_arm≤0时，投入电压最高的N _on(k)个模块；

当最大电压偏差(u _max-u _min)>u _set时，计算出较上次投入功率模块新增的功率模块导通数N _diff，

若N _diff=0，则各个功率模块投切状态维持不变；

若N _diff＞0，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，投入已切除的电压最低的N _diff个模块；

当i_arm≤0时，投入已切除的电压最高的N _diff个模块；

若N _diff＜0，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，切除已投入的电压最高的N _diff个模块；

当i_arm≤0时，切除已投入的电压最低的N _diff个模块。

一种柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制系统，包括开关频率指令值frq _ref计算模块，开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块、控制值计算模块和PI调节器模块，所述开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块的输出端和开关频率指令值frq _ref计算模块的输出端均与控制值计算模块的输入端连接，所述控制值计算模块的输出端与PI调节器模块的输入端连接，所述开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块用于计算开关频率实际值frq _{pm_avg}，所述开关频率指令值frq _ref计算模块用于计算开关频率指令值frq _ref，所述控制值计算模块用于计算开关频率实际值frq _{pm_avg}和开关频率指令值frq _ref之差。

进一步的，开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块和控制值计算模块之间设置有第一一阶低通滤波模块LPF，所述控制值计算模块和PI调节器模块之间设置有第二一阶低通滤波模块LPF。

进一步的，PI调节器模块的输出端连接有限幅模块。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果:

本方案采用最大电压偏差法进行子模块电压控制，可实现开关频率的闭环控制，结构清晰容易实现，且具有较好的频率调节效果。传统的固定参数法操作简单，缺点是不够精确、依赖于经验，特别是参数选取不当时容易造成开关频率过高或过低，影响器件的运行寿命。本发明通过闭环控制，可以精确调节开关频率，可以通过改变最大电压偏差的方式，使得换流阀运行于不同的控制目标。在小于10%的额定电流时，适当提升开关频率提高电能质量，在电流大于50%的额定电流时降低开关频率，减小损耗，获得更好的运行效果。

本发明所述的系统，用于实现上述控制方法，通过计算最大电压偏差控制值u _set，实现对开关频率控制。

进一步的，该系统中设置有一阶低通滤波模块LPF，一阶低通滤波模块LPF可使得开关频率平滑，并且具有线性传递函数的特征易于调节。

进一步的，该系统中设置有限幅模块，以限制输出的范围，防止动态变化过程中出现超调现象。

附图说明

图1为柔性直流输电系统换流阀拓扑图；

图2为功率模块结构图；

图3为本发明的功率模块均压控制框图；

图4为本发明的单个桥臂功率模块平均开关频率闭环控制框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

图1为柔性直流输电换流阀拓扑图，交流电压源经软启动电阻BRK、变压器T与换流阀进行连接，单个换流阀由六个桥臂组成，根据交流电压源的电压等级，每个桥臂由216个功率模块组成。

图2为功率模块的结构图，功率模块中包括电容C，均压电阻R，为旁路开关K1，具备自爆旁路功能的旁路晶闸管K2，IGBT器件S1、IGBT器件S2，二极管D1和二极管D2，模块额定电压2100V。

一种柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，按照最大电压偏差法进行多级功率模块的电压控制，阀控系统仅需调节最大电压偏差u _set即可实现开关频率的闭环控制，结构清晰容易实现，且具有较好的频率调节效果。

图3为功率模块均压控制框图，通过控制参数最大电压偏差控制值u _set，u _set简称控制值，对开关频率进行降损耗调节，包括以下步骤：

步骤1、换流阀系统解锁运行后，获取本次控制周期导通的功率模块数N _on(k)、正常模块电容电压最大值u _max和其电容电压最小值u _min，上个控制周期实际反馈的导通的功率模块数Nfed(k-1)；正常模块是指未发生故障处于正常工作状态的模块；

步骤2、对投入和切除的正常模块按照功率模块的电容电压大小分别进行排序；

步骤3、判断最大电压偏差实际值（u _max-u _min）和最大电压偏差控制值u _set的大小关系：

当最大电压偏差实际值(u _max-u _min)≤u _set时，只需要根据排序结果投入电压升序或降序的N _on(k)个功率模块。具体的：

判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，投入电压最低的N _on(k)个模块；

当i_arm≤0时，投入电压最高的N _on(k)个模块；

当最大电压偏差(u _max-u _min)>u _set时，计算出较上次投入模块新增的导通数N _diff。

若N _diff=0，则各个功率模块投切状态维持不变。

若N _diff≠0，则根据电流i _arm的方向、电容电压排序状态、电平的投入状态等进行相应的操作：

当N _diff＞0时，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，投入已切除的电压最低的N _diff个模块；

当i_arm≤0时，投入已切除的电压最高的N _diff个模块；

当N _diff＜0时，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，切除已投入的电压最高的N _diff个模块；

当i_arm≤0时，切除已投入的电压最低的N _diff个模块。

参照图4，整个控制结构共包含7个子模块：开关频率指令值frq _ref计算模块，开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块，两个一阶低通滤波模块LPF，PI调节器模块以及限幅模块。

开关频率实际值frq _{pm_avg}计算模块的输出端与第一一阶低通滤波模块LPF的输入端连接，第一一阶低通滤波模块LPF的输出端和开关频率指令值frq _ref计算模块的输出端均与控制值计算模块的输入端连接，控制值计算模块的输出端依次连接有PI调节器模块、第二一阶低通滤波模块LPF和限幅模块。

由于最大电压偏差u _set与开关频率实际值frq _{pm_avg}成反比关系，需用开关频率实际值frq _{pm_avg}减去开关频率指令值frq _ref作为输入。一阶低通滤波模块LPF与PI调节器模块的实现方案见式(1)。其中，k _p和k _i为控制参数，ω _c为截止频率，S为控制领域通用拉氏变换变量。

(1)

依据理论公式(2)设计控制器，控制器的输入为开关频率指令frq _ref和开关频率实际值frq _{pm_avg}，控制器的输出为最大电压偏差控制值u _set。其中，C为单个功率模块的为电容值，i _arm为桥臂电流幅值，m为调制度，T为正弦波周期0.02s，δ为功率角，A和B均为中间变量。

(2)

单个功率模块的开关频率是指1s内单个功率模块电平切换次数的1/2，单桥臂平均开关频率定义为该桥臂所有可用模块的开关频率的平均值。因此，采用某时间段t _dlt内单个桥臂的平均开关频率做为实际反馈值frq _{pm_avg}。其中，N _rise为某桥臂所有模块输出电平的上升沿变化次数，N _pm为某桥臂的正常运行模块数，t _dlt为统计的间隔时间。

(3)

依据公式(2)，本方案可以设置不同的控制目标。

目标1是设定固定的最大电压偏差值计算得到frq _ref0，此种方法可保持子模块电压的波动固定，随着电流的增大开关频率随着增大，缺点是小电流时开关频率较低，导致谐波含量大。缺点是小电流时开关频率较低，导致谐波含量大。

目标2是依据不同的电流幅值，保持电能质量最优得到频率控制指令值frq _ref1，相同的电流下最大电压偏差值越小则开关频率越高，开关频率与输出调制电压密度成正比，开关频率越高则调制电压正弦度越好，输出电流的谐波更小。公式4给出了两种控制目标的设置方案，方案1选取固定的最大电压偏差u _{set_ref0}=g，g为偏差定值；方案2选取动态的最大电压偏差u _{set_ref1}=ki _arm，k为增益系数。

(4)

图4为本发明实施例提供的开关频率闭环控制框图，所述的控制流程包括如下步骤：

1)、根据图3的模块电压均压控制策略，设计阀控系统的桥臂控制板软件，对桥臂所有的模块的电容电压采样，桥臂电流采样，预留出控制接口参数u _set，最后产生每个模块的触发脉冲。

2)、采用某时间段t _dlt内单个桥臂的所有可用功率模块的平均开关频率做为开关频率实际值frq _{pm_avg}，frq _{pm_avg}=N _rise/(N _pm t _dlt)，其中，N _rise为某桥臂所有功率模块输出电平的上升沿变化次数；N _pm为某桥臂的正常运行模块数，取216；t _dlt为统计的间隔时间，选取0.01s。

3)、本方案选取电能质量最优的控制目标，依据不同的电流幅值，保持电能质量，根据公式（4）最优得到频率控制指令值frq _ref1，相同的电流下最大电压偏差值越小则开关频率越高，开关频率越高则调制电压正弦度越好，输出电流的谐波更小。选取动态的最大电压偏差u _{set_ref1}=0.1i _arm。

4)、本控制器使用了一阶低通滤波模块LPF和PI调节器模块。一阶低通滤波模块LPF可使得开关频率平滑，并且具有线性传递函数的特征易于调节，根据需用开关频率实际值减去开关频率指令值作为PI调节器模块的输入，PI调制器模块用于根据指令、实际值的误差实时计算电压偏差。其中，k _p=0.35，k _i=2，ω _c取2Hz。

5)、将PI调节器模块输出后的结果经LPF滤波，限幅之后得到最终的u _set，选取限幅为额定电压2100V的2%~6%之间，限制输出的范围，防止动态变化过程中出现超调现象。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，其特征在于，采用最大电压偏差法进行多级功率模块的电压控制，通过调节最大电压偏差控制值u _set的大小，对开关频率进行闭环控制；最大电压偏差控制值u _set由开关频率实际值frq _{pm_avg}和开关频率指令值frq _ref进行PI调节后得到，所述开关频率指令值frq _ref通过以下公式计算：

；

其中，i _arm为桥臂电流幅值，C为单个功率模块的电容值，m为调制度，T为正弦波周期，δ为功率角，A和B均为中间变量；

依据以上公式，设置不同的控制目标：

目标1是设定固定的最大电压偏差值计算得到frq _ref0，用于保持子模块电压的波动固定；目标2是依据不同的电流幅值，保持电能质量最优得到频率控制指令值frq _ref1，相同的电流下最大电压偏差值越小开关频率越高，开关频率越高则调制电压正弦度越好，输出电流的谐波更小；frq _ref0和frq _ref1通过下式计算:

其中，为固定的最大电压偏差，u _{set_ref1}为动态的最大电压偏差，k为增益系数；

包括以下步骤：

步骤1、换流阀系统解锁运行后，获取本次控制周期导通的功率模块数N _on(k)、正常模块电容电压最大值u _max和其电容电压最小值u _min；获取上个控制周期实际反馈的导通的功率模块数Nfed(k-1)，正常模块是指未发生故障处于正常工作状态的模块；

步骤2、对投入和切除的正常模块按照功率模块的电容电压大小分别进行排序；

步骤3、判断最大电压偏差实际值（u _max-u _min）和最大电压偏差控制值u _set的大小关系：

当最大电压偏差实际值(u _max-u _min)≤u _set时，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，投入电压最低的N _on(k)个模块；

当i_arm≤0时，投入电压最高的N _on(k)个模块；

当最大电压偏差(u _max-u _min)>u _set时，计算出较上次投入功率模块新增的功率模块导通数N _diff，

若N _diff=0，则各个功率模块投切状态维持不变；

若N _diff＞0，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，投入已切除的电压最低的N _diff个模块；

当i_arm≤0时，投入已切除的电压最高的N _diff个模块；

若N _diff＜0，判断桥臂电流i_arm是否大于0：

当i_arm＞0时，切除已投入的电压最高的N _diff个模块；

当i_arm≤0时，切除已投入的电压最低的N _diff个模块。

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统功率模块开关频率闭环控制方法，其特征在于，开关频率实际值frq _{pm_avg}=N _rise/(N _pm t _dlt)；其中，N _rise为某桥臂所有模块输出电平的上升沿变化次数，N _pm为某桥臂的正常运行模块数，t _dlt为统计的间隔时间。