CN113364255A - 一种频率交错的换流器单元及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种频率交错的换流器单元及控制方法，本发明提供了一种频率交错的换流单元，所述频率交错的换流单元由N个子模块串联构成，所述子模块由变流单元和控制单元构成；所述变流单元包含功率半导体器件与直流电容，实现直流交流变换；所述控制单元产生控制信号控制变流单元功率半导体器件开通关断；所述控制信号由载波与调制波比较产生；所述换流单元的控制方法在于，N个子模块包括至少M个不相同的载波频率，M为大于等于2的整数。本方案通过预设不同载波频率以及分组切换的方式解决分布式电力电子换流器高次谐波相互叠加以及谐振的问题。

Description

一种频率交错的换流器单元及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换技术领域，具体的，涉及一种频率交错的换流器单元及控制方法。

背景技术

电力电子由功率半导体器件的导通(1)和关断(0)来构造信号，只能以方波的形式体现，所以只能采用高频的信号将想要得到的信号按照规律进行切割，这些高频的信号就是载波(通常为三角波)，想要得到的信号就是调制波，如图1所示，调制波以正弦波为例，实际输出的信号实际上是高频信号和正弦波信号的叠加，这些高频信号决定了功率半导体器件开通、关断状态的切换频率，即开关频率，因此，通常情况下调制时采用的载波信号决定了功率半导体器件的开关频率，也可以说二者是一一对应的；采用上述调制方式，最终得到的输出波形中除了包含正弦波信号外，还会得到开关频率次的谐波信号，可以采用滤波器对这些高频的信号进行滤除，但最终还会剩余一部分的高次谐波，注入系统中会造成不利的影响。

在多个电力电子换流器单元子模块并联或串联时，高次谐波可能会造成更严重的问题：现有技术中各个换流器单元子模块采用相同的载波频率，各个换流器单元子模块的高次谐波会存在相互叠加的情况，会造成个别频率的谐波严重超标，甚至会造成谐振现象；现有技术中也有提出采用载波移相的调制方式，这种方式的实质上将各个换流器单元子模块的载波相位错开，以实现相互抵消，这种方式要求有一个主控制单元与各个换流器单元子模块的控制单元通讯，对载波进行同步，对控制系统的实时性要求很高，很多应用场合下，换流器单元是分布在不同的区域，并不具备设置主控制单元的条件。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种频率交错的换流器单元以及控制方法，通过预设不同载波频率以及分组切换的方式解决分布式电力电子换流器高次谐波相互叠加以及谐振的问题。

为实现上述技术目的，本发明提供的一种技术方案是，一种频率交错的换流器单元，所述频率交错的换流器单元由N个子模块串联构成，所述N为大于等于2的整数；所述子模块由变流器单元和控制单元构成；所述变流器单元包含功率半导体器件与直流电容，实现直流交流变换；所述控制单元产生控制信号控制变流器单元功率半导体器件开通关断；所述控制信号由载波与调制波比较产生；所述调制波由控制单元计算产生，或由外部控制单元下发；所述换流器单元的控制方法在于，N个子模块包括至少M个不相同的载波频率，M为大于等于2的整数；

所述子模块控制单元在所述M个载波频率中选取至少2个载波频率作为本组预设值，子模块的实际载波频率在本组预设值中选择切换。

作为优选，调制波由两种方式产生，第一种是在换流器单元的控制单元与外部控制单元通讯的情况下，所述调制波、载波频率由外部控制单元下发。第二种是在所述换流器单元的控制单元不与外部控制单元通讯的情况下，所述调制波由控制单元计算产生；所述载波频率的预设值为调制波频率的3H倍,H为大于等于1的整数。

作为优选，所述子模块的实际载波频率在本组预设值中以一定的周期轮换；所述各个子模块的实际载波频率在轮换过程中是交错的，即在相同时刻，各个子模块的载波频率选取不同的值。

作为优选，所述换流器单元串联在线路中，所述子模块分布安装在线路的各个位置，在线路首端或末端选择较高的载波频率，在线路中间选择较低的载波频率。

作为优选，所述子模块还包括滤波器，所述滤波器的输入端连接变流器单元的输出端，滤波器的输出端作为子模块输出端，所述M个载波频率的最小值大于所述滤波器的谐振频率；所述M个载波频率成等差数列。

作为优选，所述换流器单元串联在线路中或以组合的方式并联在线路中，其中，所述换流器单元通过子模块切换载波频率实现谐波分量抑制控制方法或实现高频震荡抑制控制方法；所述组合的方式：包括J个换流器单元，J为大于等于2的整数，所述J个换流器单元组合构成星型连接、角型连接或三相桥式连接。

所述谐波分量抑制控制方法包括以下步骤：

步骤1：采集连接点的电压信号或电流信号；

步骤2：计算各次谐波含量，与对应谐波含量门槛值进行比较；

步骤3：如果某次谐波含量超过门槛值，即定义为超标，则执行步骤4-5；

步骤4：在本组预设值中选择新的载波频率；

步骤5：换流器单元各个子模块切换到新的载波频率工作；

步骤6：重复步骤1～5，直至谐波含量低于门槛值。

所述高频震荡抑制控制方法包括以下步骤：

步骤1：采集连接点的电压信号或电流信号；

步骤2：检测并计算高频分量，当高频分量的幅值超过门槛值时，则将该频率记为谐振频率；步骤3：在换流器单元中选取一定数量的子模块做载波频率切换，即在本组预设值中选择新的载波频率并切换工作；

步骤4：重复步骤2-3，直至高频分量幅值均低于门槛值；

步骤5：如所有的本组预设值完成一轮切换后仍有高频分量幅值高于门槛值，临时闭锁子模块的功率半导体器件；

步骤6：再次解锁后，如仍有高频分量的幅值高于门槛值，则换流器单元停机，子模块的功率半导体器件永久闭锁。

所述载波频率选择方法是：使换流器单元的等效开关频率f_s满足如下公式，

当f_s>f_h时，f_s±f₁>k₁f_h；

当f_s≤f_h时，k₂f₁＜f_s±f₁<k₁f_h；

其中，f₁为调制波频率，f_h为所述谐波分量超标的频率或谐振频率，所述k₁为裕量系数。

作为优选，所述等效开关频率与换流器单元子模块的载波频率f_z关系如下：K_T·K_N·f_z＝f_s；

其中，N个子模块如采用载波移相调制方式则K_N＝N，否则K_N＝1

N个子模块如采用单极倍频调制方式K_T＝2，否则K_T＝1。

作为优选，初始的裕量系数K₁＞2，K₂＞2，载波频率切换后仍有谐波分量超标或存在高频谐振点，则增大K1或/且增大K2，更新新载波频率的选择依据。

作为优选，当存在多个超标的谐波频率或谐振频率时，当f_s>f_h，f_h取多个超标的谐波频率或谐振频率的最大值；当f_s≤f_h，f_h取多个超标的谐波频率或谐振频率的最小值。

作为优选，所述各个子模块切换到新的载波频率工作时以一定的先后次序进行。

本发明的有益效果：

(1)本发明控制方法适用于多个换流器单元子模块串联或并联的应用场合，通过预设不同的载波频率，避免了谐波在特定频率下相互叠加的问题，通过预设载波频率合理的交错设置，使换流器单元高频谐波在一定范围内呈规律性均匀分布；

(2)本发明控制方法还将每个换流器单元子模块的预设载波频率分组，每组包含几个值，并在几个值之间切换；各个子模块之间的切换周期交错，使同一时刻各个子模块的实际载波频率是不同的，这样做的好处是在确保载波频率交错的前提下，各个子模块的工作状态更加均衡；

(3)本发明控制方法适用于多个换流器单元子模块分布式安装的系统，无需进行子模块之间的通信即可实现载波频率的交错，方案简单可靠；

(4)本发明控制方法还适用于大容量级联型的电力电子换流器，如柔性直流输电换流器，静止无功补偿器等，包含多个桥臂(本发明的换流器单元)，桥臂的等效开关频率也采用交错的方式，避免了上述大容量电力电子换流器与系统之间的谐振。

附图说明

图1是本发明的正弦脉宽调制原理图。

图2A是本发明换流器单元的结构示意图一。

图2B是本发明换流器单元的结构示意图二。

图3是本发明控制方法中载波频率预设值分组的示意图。

图4是本发明控制方法中载波频率预设值以一定周期轮换的示意图。

图5A是本发明滤波器的结构示意图一。

图5B是本发明滤波器的结构示意图二。

图6A是现有技术控制方法高次谐波分布效果。

图6B是本发明控制方法高次谐波分布效果。

图7是本发明包含多个换流器单元的三相桥式换流器的结构示意图。

图8是本发明包含多个换流器单元的三相星型连接换流器的结构示意图。

图9是本发明包含多个换流器单元的三相角型连接换流器的结构示意图。

图中标记说明：1-子模块、2-变流器单元、3-滤波器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅是本发明的一种最佳实施例，仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围，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。

实施例：如图2A所述，本发明提供了一种频率交错的换流器单元，所述频率交错的换流器单元由N个子模块1串联或并联构成，在本实施例中为串联连接的方式，所述N为大于等于2的整数；所述子模块由变流器单元2和控制单元构成；所述变流器单元包含功率半导体器件与直流电容，实现直流交流变换；在本实施例中所述变流器单元包含直流电容和4个功率半导体器件，分别为S1,S2,S3,S4，构成H桥式电路。

所述控制单元产生控制信号控制变流器单元功率半导体器件开通关断；所述控制信号由载波与调制波比较产生；在本实施例中，采用正弦调制方式，原理参考图1所示。

所述换流器单元的控制方法在于，N个子模块包括至少M个不相同的载波频率，M为大于等于2的整数。所述载波频率的预设值为调制波频率的3P倍,P为大于等于1的整数。在本实施例中，调制波频率为50Hz，N个子模块(S1、S2、…Sn)共包括4个载波频率预设值，分别为f1＝2550，f2＝2700，f3＝2850，f4＝3000，即M＝4。

所述子模块控制单元在所述M个载波频率预设值中选取至少2个载波频率预设值作为本组预设值，实际子模块的载波频率在本组预设值中轮换。在本实施例中，在4个载波频率中取值进行分组，如图3所示，子模块S1取f1和f2，作为子模块S1的本组预设值；子模块S2,S3,S4取f1、f2和f3作为本组预设值…，子模块Sn取f2、f3和f4作为本组预设值。每个子模块的本组预设值可以相同，也可以不同。确定子模块载波频率的预设值后，子模块的实际载波频率在本组预设值中轮换。在本实施例中，子模块S2,S3,S4的实际载波频率在f1、f2和f3之间轮换。其中，所述N个子模块的实际载波频率以一定的周期交错轮换。

如图4所示，以该实施例说明交错轮换的方式：其中S2,S3,S4中实际载波频率的轮换周期为T，即在T周期内，实际载波频率在f1、f2和f3之间轮换一次，在本实施例中：S2的轮换顺序为f1→f2→f3

S3的轮换顺序为f2→f3→f1

S4的轮换顺序为f3→f1→f2

如图4所示，将总周期T分为T1,T2,T3三段，在T1时间段内，S2,S3,S4实际载波频率分别为f1,f2,f3；在T2时间段内，S2,S3,S4实际载波频率分别为f2,f3,f1；在T3时间段内，S2,S3,S4实际载波频率分别为f3,f1,f2；在几个时间段内，每个子模块的实际载波频率不同，以此达到交错轮换的效果。

在具备通信条件下，所述N个子模块的载波相位之间也可以是交错的。该方式也称为载波移相的调制方式。其中，所述换流器单元串联在线路中，所述子模块的控制单元可以采集线路电流，计算线路电流的谐波分量，根据谐波含量在本组预设值选择载波频率预设值。如本实施例中的S2子模块当前的实际载波频率为f1，当检测到f1附近的谐波含量过高，f2附近的谐波含量较低，可以将实际载波频率切换到f2,实现谐波动态调节。

其中：所述换流器单元串联在线路中时，如果所述子模块分布安装在线路的各个位置，在线路首端或末端选择较高的载波频率预设值，在线路中间选择较低的载波频率预设值。

本发明还包括另一种换流器单元的实施例：如图2B所示，在该实施例中所述子模块还包括滤波器3，所述滤波器的输入端连接变流器单元的输出端，滤波器的输出端作为子模块输出端。

图5A为LC滤波器，图5B为LCL滤波器:

LC滤波器包括滤波电感L和滤波电容C，滤波电感L串联在滤波单元3的输入正端与输出正端之间，滤波电容C并联在滤波单元3的输出正端和输出负端之间。

LCL滤波器包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2与滤波电容C，第一滤波电感L1与第二滤波电感L2串联在滤波单元3的输入正端和输出正端之间，滤波电容C并联连接在第一滤波电感L1和第二滤波电感L2的连接点以及滤波单元3的输出负端之间。

为了避免谐振，所述M个载波频率预设值的最小值大于所述滤波器的谐振频率。优选地，载波频率预设值远离滤波器的谐振频率。

其中，所述M个载波频率预设值成等差数列。本实施例中f1＝2550，f2＝2700，f3＝2850，f4＝3000即为等差数列，有利于高次谐波有规律的均匀分布。

如图6A是现有技术控制方法高次谐波分布效果；各个子模块采用相同的载波频率后，会存在某个频率范围内高次谐波的叠加，如图中频率fn附近，谐波含量过高。

如图6B是现有本发明控制方法高次谐波分布效果；采用载波频率交错的方式，使高次谐波均匀分布在fn1，fn2，fn3，fn4附近。

本发明还公开了一种包含至少K个所述换流器单元的换流器，所述K为大于等于2的整数，所述K个换流器单元构成星型连接、角型连接或三相桥式连接的换流器，所述换流器的控制方法在于，所述K个换流器单元包括至少L种等效开关频率，所述L为大于等于2的整数。

其中，所述换流器单元的等效开关频率由换流器单元中各个子模块变流器单元实际开关频率叠加等效；各个子模块变流器单元的实际开关频率由载波频率决定。

如图7所示，为包含6个所述换流器单元的换流器，K＝6，构成了三相桥式连接，一个换流器单元相当于一个桥臂，通常柔性直流输电换流器采用这种拓扑结构，其中，A相上桥臂的等效开关频率为fax；A相下桥臂的等效开关频率为fay；不同的等效开关频率可以避免开关频率次附近的高次谐波叠加造成谐振。

其中A相上桥臂换流器单元的等效开关频率为fax是由该换流器单元各个子模块的开关频率叠加而成，而载波频率fax1，fax2…faxn决定了各个子模块的开关频率；B相上桥臂换流器单元的等效开关频率为fay是由该换流器单元各个子模块的开关频率叠加而成，而载波频率fay1，fay2…fayn决定了各个子模块的开关频率；由此每个换流器单元桥臂的等效开关频率的交错，实际上也是由于不同的子模块的载波频率交错形成的效果。

图8是本发明包含多个换流器单元的三相星型连接换流器的实施例,为包含3个所述换流器单元的换流器，K＝3，通常静止无功发生器换流器采用这种拓扑结构，其中，A相换流器单元的等效开关频率为fax；C相换流器单元的等效开关频率为fcx；不同的等效开关频率可以避免开关频率次附近的高次谐波叠加造成谐振。

图9是本发明包含多个换流器单元的三相角型连接换流器的实施例,为包含3个所述换流器单元的换流器，K＝3，通常静止无功发生器换流器采用这种拓扑结构，其中，A相换流器单元的等效开关频率为fax；C相换流器单元的等效开关频率为fcx；不同的等效开关频率可以避免开关频率次附近的高次谐波叠加造成谐振。

以上所述之具体实施方式为本发明一种频率交错的换流器单元及控制方法的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明之形状、结构所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种频率交错的换流器单元，其特征在于：所述频率交错的换流器单元由N个子模块串联构成，所述N为大于等于2的整数；所述子模块由变流单元和控制单元构成；所述变流单元包含功率半导体器件与直流电容，实现直流交流变换；所述控制单元产生控制信号控制变流单元功率半导体器件开通关断；所述控制信号由载波与调制波比较产生；所述调制波由控制单元计算产生，或由外部控制单元下发；N个子模块包括至少M个不相同的载波频率，M为大于等于2的整数；所述子模块控制单元在所述M个载波频率中选取至少2个载波频率作为本组预设值，子模块的实际载波频率在本组预设值中选择切换。

2.一种控制方法，适用于如权利要求1所述的频率交错的换流器单元，其特征在于：其特征在于：所述子模块的实际载波频率在本组预设值中以一定的周期轮换；所述各个子模块的实际载波频率在轮换过程中是交错的，即在相同时刻，各个子模块的载波频率选取不同的值；所述子模块分布安装在线路的各个位置，在线路首端或末端选择较高的载波频率，在线路中间选择较低的载波频率；所述载波频率的预设值为调制波频率的3H倍,H为大于等于1的整数。

3.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于：所述子模块还包括滤波器，所述滤波器的输入端连接变流单元的输出端，滤波器的输出端作为子模块输出端，所述M个载波频率的最小值大于所述滤波器的谐振频率；所述M个载波频率成等差数列。

4.根据权利要求2所述的一种控制方法，其特征在于：所述换流器单元串联在线路中或以组合的方式并联在线路中，其中，所述换流器单元通过子模块切换载波频率实现谐波分量抑制控制或实现高频震荡抑制控制；所述组合的方式：包括J个换流器单元，J为大于等于2的整数，所述J个换流器单元组合构成星型连接、角型连接或三相桥式连接。

5.根据权利要求4所述的一种控制方法，其特征在于：所述谐波分量抑制控制的方法包括以下步骤：

步骤1：采集连接点的电压信号或电流信号；

步骤2：计算各次谐波含量，与对应谐波含量门槛值进行比较；

步骤3：如果某次谐波含量超过门槛值，即定义为超标，则执行步骤4-5；

步骤4：在本组预设值中选择新的载波频率；

步骤5：换流器单元各个子模块切换到新的载波频率工作；

步骤6：重复步骤1～5，直至谐波含量低于门槛值。

6.根据权利要求4所述的一种控制方法，其特征在于：所述高频震荡抑制控制方法包括以下步骤：

步骤1：采集连接点的电压信号或电流信号；

步骤2：检测并计算高频分量，当高频分量的幅值超过门槛值时，则将该频率记为谐振频率；

步骤3：在换流器单元中选取一定数量的子模块做载波频率切换，即在本组预设值中选择新的载波频率并切换工作；

步骤4：重复步骤2-3，直至高频分量幅值均低于门槛值；

步骤5：如所有的本组预设值完成一轮切换后仍有高频分量幅值高于门槛值，临时闭锁子模块的功率半导体器件；

步骤6：再次解锁后，如仍有高频分量的幅值高于门槛值，则换流器单元停机，子模块的功率半导体器件永久闭锁。

7.如权利要求5或6所述的一种控制方法，其特征在于：所述载波频率的选择方法是：使换流器单元的等效开关频率f_s满足如下公式，

当f_s>f_h时，f_s±f₁>k₁f_h；

当f_s≤f_h时，k₂f₁＜f_s±f₁<k₁f_h；

其中，f₁为调制波频率，f_h为所述谐波分量超标的频率或谐振频率，所述k₁为裕量系数；

所述等效开关频率与换流器单元子模块的载波频率f_z关系如下：

K_T·K_N·f_z＝f_s；

其中，N个子模块如采用载波移相调制方式则K_N＝N,否则K_N＝1

N个子模块如采用单极倍频调制方式K_T＝2,否则K_T＝1。

8.如权利要7所述的一种控制方法，其特征在于：初始的裕量系数K₁＞2，K₂＞2，载波频率切换后仍有谐波分量超标或存在高频谐振点，则增大K1或/且增大K2，作为更新新载波频率的选择依据。

9.如权利要求7所述的一种控制方法，其特征在于：当存在多个超标的谐波频率或谐振频率时，当f_s>f_h，f_h取多个超标的谐波频率或谐振频率的最大值；当f_s≤f_h，f_h取多个超标的谐波频率或谐振频率的最小值。

10.如权利要求7所述的一种控制方法，其特征在于：所述各个子模块切换到新的载波频率工作时以一定的先后次序进行。

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