CN112787533A - 模块化海底电源电容电压纹波抑制方法、系统及控制器 - Google Patents

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CN112787533A CN202011051847.4A CN202011051847A CN112787533A CN 112787533 A CN112787533 A CN 112787533A CN 202011051847 A CN202011051847 A CN 202011051847A CN 112787533 A CN112787533 A CN 112787533A
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杨禧
唐欣
王文
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Abstract

本发明公开了一种模块化海底电源电容电压纹波抑制方法、系统及控制器，将模块化海底电源的每一相桥臂作为目标对象，根据上桥臂和下桥臂关于交流侧电流并联分流的原理，结合上桥臂和下桥臂等效电容值，提取用于抑制电容电压纹波分量的环流指令值，并获得上桥臂和下桥臂的调制信号，并最终确定上桥臂和下桥臂投入子模块，以在满足直流侧电压输入、交流侧电压输出需要的前提下，实现对电容电压的纹波抑制。本发明解决了电容电压纹波降低模块化海底电源内部能量稳定性以及升高电源交流侧输出电压谐波畸变率的问题。

Description

模块化海底电源电容电压纹波抑制方法、系统及控制器
技术领域
本发明涉及模块化海底电源控制领域，特别是一种模块化海底电源电容电压纹波抑制方法、系统及控制器。
背景技术
模块化海底电源(以下简称“海底电源”)输出波形的正弦特性由调制信号和调制策略决定，调制信号主要由控制方法决定，与控制系统对指令信号的跟踪效果相关，因此，调制信号产生是模块化海底电源控制过程中的关键技术。对于模块化海底电源，子模块电容电压纹波经调制会在交流侧输出电压中激发出谐波分量，研究模块化海底电源电容电压纹波抑制方法，对降低电源交流侧输出谐波含量，改善电源的运行性能等方面意义重大。由于模块化多电平结构的复杂性和对称性，其输入、输出之间的耦合关系的分析也较为复杂，对电容电压波动、子模块电压平衡等问题研究提出较大挑战。
现有研究通过直接分析子模块电容电压纹波所包含的谐波分量，采用谐波环流控制方法有效降低电容电压纹波幅值，这种方法从谐波抑制的角度对电容电压纹波进行抑制，但谐波环流无法直接反映电容电压纹波特性，亟需探索一种利用电容电压特性分析推导得到环流指令的控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种模块化海底电源电容电压纹波抑制方法、系统及控制器，显著降低电容电压纹波幅值，实现对电容电压的纹波抑制。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模块化海底电源电容电压纹波抑制方法、系统及控制器，将海底电源的任一相桥臂作为目标对象，该目标对象的电容电压波纹抑制方法包括以下步骤：
S1、计算用于满足直流侧电压输入和交流侧电压输出需要的上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj，其中，j表示模块化海底电源的任意一相，j＝a,b；
S2、根据上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj，计算用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure BDA0002709809030000021
计算电容电压纹波抑制信号urip_j；
S3、根据上桥臂调制信号理论值ur_pj、下桥臂调制信号理论值ur_nj和电容电压纹波抑制信号urip_j确定上桥臂最终调制信号upj和下桥臂最终调制信号unj；upj＝ur_pj-urip_j；unj＝ur_nj-urip_j；
S4、根据上桥臂最终调制信号upj和下桥臂最终调制信号unj确定上桥臂最终投入子模块数Npj和下桥臂最终投入子模块数Nnj；Npj＝upjN；Nnj＝unjN；N表示上桥臂级联子模块数、下桥臂级联子模块数；
S5、根据上桥臂最终投入子模块数Npj和下桥臂最终投入子模块数Nnj确定上桥臂最终投入子模块和下桥臂最终投入子模块。
本发明将所述模块化海底电源的每一相桥臂作为目标对象，根据上桥臂和下桥臂关于交流侧电流并联分流的原理，结合上桥臂等效电容值和下桥臂等效电容值，提取用于抑制电容电压纹波分量的环流指令值，并获得上桥臂调制信号和下桥臂调制信号，并最终确定上桥臂的投入子模块和下桥臂的投入子模块，以在满足直流侧电压输入、交流侧电压输出需要的前提下，实现对电容电压的纹波抑制。
不考虑环流抑制，利用下式计算上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj：
Figure BDA0002709809030000022
Figure BDA0002709809030000023
其中，Udc为模块化海底电源每一相桥臂直流侧输入电压，uo＝Udcmosin(ωot+δo)为交流侧输出电压，mo为交流侧输出调制度，ωo为交流侧输出电压角频率，δo为交流侧输出电压初相位。
本发明在不考虑环流控制的情况下，确定上桥臂调制信号理论值和下桥臂调制信号理论值，以满足直流侧电压输入、交流侧电压输出需求。
用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure BDA0002709809030000024
的计算公式为：
Figure BDA0002709809030000025
其中，
Figure BDA0002709809030000031
Figure BDA0002709809030000032
Figure BDA0002709809030000033
Nr_nj＝ur_njN；Nr_pj＝ur_pjN；C为每个子模块电容值。
本发明通过上述计算式确定用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure BDA0002709809030000034
进一步实现对电容电压纹波的有效抑制，计算过程简单，容易实现。
计算电容电压纹波抑制信号urip_j的具体实现过程包括：
1)采集上桥臂电流ipj和下桥臂电流inj；
2)根据下式确定环流真实值izj：
Figure BDA0002709809030000035
3)将环流真实值与用于抑制电容电压纹波的环流指令
Figure BDA0002709809030000036
的差值进行环流误差消除操作，得到电容电压纹波抑制信号urip_j。
通过提取电容电压纹波抑制信号，以实现对子模块电容电压纹波的有效抑制。
S5的具体实现过程包括：
1)针对单个桥臂，采集该桥臂所有子模块电容电压，并依据电容电压值由小到大的排序原则，对子模块进行排序，电容电压小的子模块对应的排序序号小；
2)根据该桥臂的桥臂电流充放电方向，结合子模块排序结果，确定最终投入的目标子模块：当桥臂电流为正时，从序号最小的子模块开始依次选择投入的子模块；当桥臂电流为负时，从序号最大的子模块开始依次选择投入的子模块。
本发明确定上桥臂最终的投入子模块和下桥臂最终的投入子模块，在满足直流侧电压输入、交流侧电压输出需要和实现电容电压纹波抑制的前提下，实现子模块电容电压的平衡控制。
本发明还提供了一种控制器，其被配置或编程为用于执行本发明所述方法的步骤。
一种模块化海底电源电容电压纹波抑制系统，其包括上述控制器；所述控制器与采集模块通信。
所述采集模块包括用于采集桥臂子模块电容电压的电压传感器和用于采集桥臂电流的电流传感器。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
1)本发明根据模块化海底电源桥臂电压和桥臂电流的表达式，推导得到桥臂能量波动与子模块电容电压纹波之间的关系，进而得到电容电压纹波对海底电源交流侧输出谐波的影响机制，可得到结论：对子模块电容电压纹波进行有效抑制，即可有效降低海底电源输出谐波，优化电源交流侧输出电流谐波特性，提高波形质量。
2)针对模块化海底电源，本发明的电容电压纹波抑制方法在提高海底电源输出电压和电流谐波特性的同时，有效降低子模块电容电压波动，为提升海底电源功率密度提供理论依据。
3)本发明的方法可以有效抑制电容电压波纹，从而解决了电容电压纹波降低模块化海底电源内部能量稳定性以及升高电源交流侧输出电压谐波畸变率的问题。
附图说明
图1是用于本发明使用的模块化海底电源拓扑结构图；
图2(a)是本发明一实施例传统谐波环流抑制策略对应的子模块电容电压纹波率与调制度和交流侧输出电流初相角关系图，图2(b)是本发明一实施例所述基于并联分流原理的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法对应的子模块电容电压纹波率与调制度和交流侧输出电流初相角关系图；
图3(a)是本发明一实施例恒频工况下传统谐波环流抑制策略的实验波形图，图3(b)是本发明一实施例恒频工况下所述基于并联分流原理的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法的实验波形图。
具体实施方式
本发明实施例包括以下步骤：
S1、不考虑环流抑制，提取用于满足直流侧电压输入和交流侧电压输出需要的上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj，其中，j表示任意一相，j＝a,b；
S2、根据上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj，提取用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure BDA0002709809030000051
S3、提取电容电压纹波抑制信号urip_j；
S4、根据上桥臂调制信号理论值ur_pj、下桥臂调制信号理论值ur_nj和电容电压纹波抑制信号urip_j确定上桥臂最终调制信号upj和下桥臂最终调制信号unj；
S5、根据上桥臂最终调制信号upj和下桥臂最终调制信号unj确定上桥臂最终投入子模块数Npj和下桥臂最终投入子模块数Nnj；
S6、根据上桥臂最终投入子模块数Npj和下桥臂最终投入子模块数Nnj确定上桥臂最终投入子模块和下桥臂最终投入子模块。
步骤S1包括：
1)不考虑环流抑制，根据公式(1)提取上桥臂调制信号理论值ur_pj：
Figure BDA0002709809030000052
其中，Udc为每一相桥臂直流侧输入电压，uo＝Udcmosin(ωot+δo)为交流侧输出电压，mo为交流侧输出调制度，ωo为交流侧输出电压角频率，δo为交流侧输出电压初相位；
根据公式(2)提取下桥臂调制信号理论值ur_nj：
Figure BDA0002709809030000053
步骤S2包括：
1)不考虑环流抑制，根据公式(3)提取上桥臂投入子模块数理论值Nr_pj：
(3)
Nr_pj＝ur_pjN
其中，N表示上、下桥臂级联子模块数；
根据公式(4)提取下桥臂投入子模块数理论值Nr_nj：
(4)
Nr_nj＝ur_njN
2)基于上桥臂投入子模块数理论值Nr_pj，根据公式(5)确定上桥臂每个投入的子模块的等效电容值CSM_pj：
Figure BDA0002709809030000054
其中，C为每个子模块电容值；
基于下桥臂投入子模块数理论值Nr_nj，根据公式(6)确定下桥臂每个投入的子模块的等效电容值CSM_nj：
Figure BDA0002709809030000061
3)基于上桥臂投入子模块数理论值Nr_pj和上桥臂每个投入的子模块的等效电容值CSM_pj，根据公式(7)确定上桥臂等效电容值的理论值Cpj：
Figure BDA0002709809030000062
基于下桥臂投入子模块数理论值Nr_nj和下桥臂每个投入的子模块的等效电容值CSM_nj，根据公式(8)确定下桥臂等效电容值的理论值Cnj：
Figure BDA0002709809030000063
4)根据公式(9)提取上桥臂电流参考值
Figure BDA0002709809030000064
Figure BDA0002709809030000065
根据公式(10)提取下桥臂电流参考值
Figure BDA0002709809030000066
Figure BDA0002709809030000067
5)根据公式(11)确定每一相桥臂中用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure BDA0002709809030000068
Figure BDA0002709809030000069
步骤S3包括：
1)通过电流传感器采集上桥臂电流ipj和下桥臂电流inj；
2)根据公式(12)确定环流真实值izj：
Figure BDA00027098090300000610
3)将环流真实值与的用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure BDA00027098090300000611
差值输入环流控制器，得到电容电压纹波抑制信号urip_j。
作为优选的是，步骤S4根据公式(13)确定上桥臂最终调制信号upj：
upj＝ur_pj-urip_j (13)
根据公式(14)确定下桥臂最终调制信号unj：
unj＝ur_nj-urip_j (14)。
作为优选的是，步骤S5根据公式(15)确定上桥臂最终投入子模块数Npj：
Npj＝upjN (15)
根据公式(16)确定下桥臂最终投入子模块数Nnj：
Nnj＝unjN (16)。
步骤S6包括：
1)针对单个桥臂，利用电压传感器采集该桥臂所有子模块电容电压，并依据电容电压值由小到大的排序原则，对子模块进行排序，电容电压较小的子模块对应的排序序号较小；
2)根据该桥臂的桥臂电流充放电方向(以充电方向为正，放电方向为负)，结合子模块排序结果，确定最终投入的目标子模块：当桥臂电流为正时，选择排序序号小的子模块作为最终的投入子模块；当桥臂电流为负时，选择排序序号大的子模块作为最终的投入子模块。
图1所示为用于本发明的模块化海底电源拓扑结构图。图中，模块化海底电源由两相桥臂并联构成每相桥臂由上、下两个桥臂通过滤波电抗器L和桥臂电阻R串联组成，输入侧为直流电压，输出侧为交流电压；每个桥臂由N个半桥子模块级联构成，每个子模块由2个串联的功率开关器件T1(D1)、T2(D2)和电容器C并联构成，每个功率开关器件分别由一个IGBT(T1、T2)和一个反并联二极管(D1、D2)构成，若设置每个子模块的开关信号为si(i＝1～N)，当T1导通时，si＝1，当T2导通时，si＝0；设电容电压为udci，则功率单元的输出电压uci与开关信号之间的关系为
Figure BDA0002709809030000071
图中，四个桥臂的电压和电流分别为um(m＝1～4)和im。模块化海底电源包含4个桥臂，共4N个半桥子模块。
图2(a)是本发明一实施例传统谐波环流抑制策略对应的子模块电容电压纹波率与调制度和交流侧输出电流初相角关系图，图2(b)是本发明一实施例所述基于并联分流原理的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法对应的子模块电容电压纹波率与调制度和交流侧输出电流初相角关系图。图中，mo表示海底电源交流侧输出调制度，
Figure BDA0002709809030000072
表示输出电流初相位，由图2(a)可知，在一个基频周期内，随着
Figure BDA0002709809030000081
的变化，传统谐波环流抑制策略对应的Udc_rip％最大值可达到8％；由图2(b)可知，基于并联分流原理的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法对应的Udc_rip％最大值为4.3％。对比图2(a)和图2(b)可知：两种方法对应的电容电压纹波率的大小关系为：Udc_rip(传统策略)％>Udc_rip(所述方法)％，所述电容电压纹波抑制方法在子模块电容上产生的电容电压纹波幅值小于传统环流抑制策略，能够有效降低电容电压纹波。
图3(a)是本发明一实施例恒频工况下传统谐波环流抑制策略的实验波形图，图3(b)是本发明一实施例恒频工况下所述基于并联分流原理的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法的实验波形图。对比图3(a)和图3(b)，传统策略、所述方法下的电容电压纹波幅值分别为8.45V，5.86V，验证了所述电容电压纹波抑制方法能够更有效抑制电容电压纹波；图3(a)和图3(b)中，滤波前的输出电压均为21电平，图3(a)和图3(b)对应的输出电流THD值分别为0.78％、0.63％，说明所提电容电压纹波抑制方法不仅能够抑制电容电压纹波，还能够有效改善海底电源输出谐波特性，提高模块化海底电源的输出波形质量，保障其在海底环境下稳定运行。

Claims (8)

1.一种模块化海底电源电容电压纹波抑制方法，模块化海底电源为模块化多电平结构，将模块化海底电源的任一相桥臂作为目标对象，其特征在于，模块化海底电源所述目标对象的电容电压波纹抑制方法包括以下步骤：
S1、计算用于满足直流侧电压输入和交流侧电压输出需要的上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj，其中，j表示模块化海底电源的任意一相，j＝a,b；
S2、根据上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj，计算用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure FDA0002709809020000011
计算电容电压纹波抑制信号urip_j；
S3、根据上桥臂调制信号理论值ur_pj、下桥臂调制信号理论值ur_nj和电容电压纹波抑制信号urip_j确定上桥臂最终调制信号upj和下桥臂最终调制信号unj；upj＝ur_pj-urip_j；unj＝ur_nj-urip_j；
S4、根据上桥臂最终调制信号upj和下桥臂最终调制信号unj确定上桥臂最终投入子模块数Npj和下桥臂最终投入子模块数Nnj；Npj＝upjN；Nnj＝unjN；N表示上桥臂级联子模块数或者下桥臂级联子模块数；
S5、根据上桥臂最终投入子模块数Npj和下桥臂最终投入子模块数Nnj确定上桥臂最终投入子模块和下桥臂最终投入子模块。
2.根据权利要求1所述的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法，其特征在于，不考虑环流抑制，利用下式计算上桥臂调制信号理论值ur_pj和下桥臂调制信号理论值ur_nj：
Figure FDA0002709809020000012
Figure FDA0002709809020000013
其中，Udc为模块化海底电源每一相桥臂直流侧输入电压，uo＝Udcmosin(ωot+δo)为交流侧输出电压，mo为交流侧输出调制度，ωo为交流侧输出电压角频率，δo为交流侧输出电压初相位。
3.根据权利要求1所述的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法，其特征在于，用于抑制电容电压纹波的注入环流指令
Figure FDA0002709809020000021
的计算公式为：
Figure FDA0002709809020000022
其中，
Figure FDA0002709809020000023
Figure FDA0002709809020000024
Figure FDA0002709809020000025
Nr_nj＝ur_njN；Nr_pj＝ur_pjN；C为每个子模块电容值。
4.根据权利要求1所述的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法，其特征在于，计算电容电压纹波抑制信号urip_j的具体实现过程包括：
1)采集上桥臂电流ipj和下桥臂电流inj；
2)根据下式确定环流真实值izj：
Figure FDA0002709809020000026
3)将环流真实值与用于抑制电容电压纹波的环流指令
Figure FDA0002709809020000027
的差值进行环流误差消除操作，得到电容电压纹波抑制信号urip_j。
5.根据权利要求1～4之一所述的模块化海底电源电容电压纹波抑制方法，其特征在于，S5的具体实现过程包括：
1)针对单个桥臂，采集该桥臂所有子模块电容电压，并依据电容电压值由小到大的排序原则，对子模块进行排序，电容电压小的子模块对应的排序序号小；
2)根据该桥臂的桥臂电流充放电方向，结合子模块排序结果，确定最终投入的目标子模块：当桥臂电流为正时，从序号最小的子模块开始依次选择投入的子模块；当桥臂电流为负时，从序号最大的子模块开始依次选择投入的子模块。
6.一种控制器，其特征在于，其被配置或编程为用于执行权利要求1～5之一所述方法的步骤。
7.一种模块化海底交流电源电容电压纹波抑制系统，其特征在于，包括权利要求6所述的控制器；所述控制器与采集模块通信。
8.根据权利要求7所述的模块化海底交流电源电容电压纹波抑制系统，其特征在于，所述采集模块包括用于采集桥臂子模块电容电压的电压传感器和用于采集桥臂电流的电流传感器。
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CN117574116A (zh) * 2024-01-15 2024-02-20 湖南大学 一种海底直流系统暂态稳定评估的混合特征选择方法

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