CN113992032A - 一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子变换器技术，具体涉及一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法，该变换器包含九个桥臂、三个三相交流端口；将H桥逆变模块的充电电流作为九边形模块化多电平变换器的环流模型，该抑制方法通过补偿无功环流在电感产生的压降从而抑制环流中的低频分量；包括以下步骤：端口功率控制、端口电流控制、桥臂间均压控制、环流控制和桥臂内均压控制。该方法提出了环流模型，以分析环流的成分与电流应力提升的原因，并提出了环流抑制控制，降低电流应力，从而实现了三个交流系统的互联，在提高了系统集成度的同时，器件的电流应力随之提升。

Description

一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法

技术领域

本发明属于电力电子变换器技术领域，特别涉及一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法。

背景技术

目前环状模块化多电平变换器(modular multilevel converter,MMC)主要包含两种拓扑：六边形MMC与九边形MMC。较其他多端口变换器，环状MMC具有器件复用率高、良好的低频特性的优势，可应用于中高压电机驱动、新能源与就地消纳与海上风电汇集的场景。但随着拓扑器件复用度的提升，会造成单个开关器件电流应力的提升，并给器件选型带来了困难。增大桥臂电感可以抑制环状MMC桥臂上的环流，但会增加系统的体积与成本。相对而言，通过环流控制的研究降低电流应力更为经济。但目前未有文献对环状MMC环流进行深入研究，需要参考经典MMC环流理论。

经典MMC的模块化与冗余设计易于实现，广泛地应用于中高压场景，例如VSC-HVDC。但拓扑模块化的结构会产生桥臂间环流。MMC环流是叠加在桥臂上的电流，会影响系统的稳定、缩短装置的寿命。因此，具有相似拓扑与环流特性的环状MMC，研究其环流以降低电流应力具有重要意义的。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明提供一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流模型，用以分析当九边形模块化多电平变换器实现两个低频系统与工频系统互联的低频分量导致桥臂电流提升的环流抑制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法，该变换器包括两个低频风电系统、第一交流端口、第二交流端口和第三交流端口，九个首尾相连桥臂的九边形结构，每个桥臂包含n个H桥逆变模块和1个电感，n为≥1的正整数；九边形结构的九个顶点按顺时针依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z，其中XYZ为第一交流端口，RST为第二交流端口，UVW为第三交流端口，第一交流端口与交流电网相连，第二交流端口、第三交流端口分别与两个低频风电系统相连；第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口通过桥臂的H桥逆变模块进行有功和无功功率的交换，桥臂电流包括端口电流与环流，环流作为载体给H桥逆变模块提供充电电流；将H桥逆变模块的充电电流作为九边形模块化多电平变换器的环流模型，九边形模块化多电平变换器环流包括有功环流与无功环流，有功环流为端口间功率传输的介质；无功环流使桥臂电流应力提升，且在桥臂电感上形成压降；该抑制方法通过补偿无功环流在电感产生的压降从而抑制环流中的低频分量；包括以下步骤：

步骤1、端口功率控制：实现三个端口的有功功率平衡；采集各子模块电容电压并取平均值v_{dc_ave}与给定电容电压参考值v_{dc_ref}，采用PI控制器实现平均值收敛，作为端口功率控制前端；端口功率控制输出第一交流端口的电流幅值指令；

步骤2、端口电流控制：根据第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口的电流幅值与相位计算生成第一交流端口电流信号i_xyz ^*、第二交流端口电流信号i_rst ^*、第三交流端口电流信号i_uvw ^*；第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口的电流幅值与所采集的第一交流端口电流i_xyz、第二交流端口电流i_rst、第三交流端口电流i_uvw作差，作为QPR控制器的输入；跟踪各端口频率，分别生成第一交流端口电压信号v_xyz ^*、第二交流端口电压信号v_rst ^*、第三交流端口电压信号v_uvw ^*；

步骤3、桥臂间均压控制：采集各桥臂内各子模块电容电压均值v_{dc_bi}，并与端口不同相相邻桥臂的电容电压均值

作差，输出差值最大的两项，采用PI控制实现桥臂间的均压，生成中性点偏移电压v_N1 ^*,v_N2 ^*信号；则桥臂电压v_bi由端口电压信号与中性点偏移电压v_N1 ^*,v_N2 ^*组成；

步骤4、环流控制：根据桥臂电压v_bi与桥臂电流i_bi得到各桥臂的环流信号，根据桥臂电感上的压降公式

求得在桥臂电感上的压降，作为桥臂电压的补偿信号，抑制环流中的低频成分；

步骤5、桥臂内均压控制：根据桥臂各单元的电容电压来调节调制波，间接控制电容的充放电时间，从而实现桥臂内均压控制，输出桥臂电压调节值Δv_bin。

在上述三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法中，九边形模块化多电平变换器的环流模型为：

式中，分子v_bi*i_bi为桥臂功率，n为桥臂H桥逆变模块数，v_{dc_ref}是电容电压参考值，v_{dc_bi}是桥臂上n个电容电压的平均值；

桥臂电流表达式为：

i_bi＝i_bi ^*+i_cbi (2)

式中，i_bi ^*为端口电流，i_cbi为环流。

与现有技术相比，本发明基于三端口九边形模块化多电平变换器，提出了一种通用的环流模型，有效控制了互联的交流端口给系统带来的电流应力提升。该环流模型的抑制方法降低了桥臂电流应力，优化了桥臂电感与开关的选型，保证了系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明一个实施例三端口九边形模块化多电平变换器结构图；

图2为本发明一个实施例三端口九边形模块化多电平变换器的等效原理图；

图3为本发明一个实施例三端口九边形模块化多电平变换器的控制策略流程图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

两个海上低频风电系统并网的互联往往需要两个及以上的交换器/交变换器，将三端口九边形模块化多电平变换器应用于两端海上风电汇集，可实现两个低频系统与工频系统的互联；但在提高装置集成度的同时，三端口九边形模块化多电平变换器器件的电流应力也随之提升，给开关器件的选型带来挑战。因此，本实施例通过建立三端口九边形模块化多电平变换器环流模型，分析环流的成分与电流应力提升的原因，提出了环流抑制的方法来降低电流应力。

本实施例通过以下技术方案来实现，一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法，该变换器包含第一交流端口，第二交流端口和第三交流端口；还包含九个首尾相连桥臂的九边形结构，每个桥臂由n个H桥逆变模块和1个电感组成，n为≥1的正整数。

九边形模块化多电平变换器的顶点按顺时针依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z，拓扑如图1所示。其中XYZ为第一组三相交流输出端口即第一交流端口，RST为第二组三相交流输出端口即第二交流端口，UVW为第三组三相交流输出端口即第三交流端口，第一组三相交流端口与交流电网相连，第二三相交流端口、第三组三相交流端口分别与海上低频风电系统相连。

第二交流端口、第三交流端口接入的功率主要通过桥臂传输给第一交流端口。然而，来自于两个低频系统的功率波动性体现为桥臂电流的中的低频分量，增大桥臂的额定电流；而桥臂电流由端口电流与环流组成，而环流是造成电流应力提升的原因。

九边形模块化多电平变换器的桥臂可以等效为电压源与电感的串联，其等效原理图如图2所示。图2中，v_bi(i＝1,2,…,9)为桥臂电压，i_bi为桥臂电流。点O、N1与N2分别是第一交流端口、第二交流端口和第三交流端口的中性点。当O被设为为参考点时，v_N1和v_N2分别是第一交流端口较第二交流端口和第三交流端口的中性点偏移电压。

九边形模块化多电平变换器的三个端口通过桥臂H桥逆变单元进行有功和无功功率的交换，而环流作为载体给H桥逆变单元提供充电电流。将H桥逆变单元提供充电电流作为九边形模块化多电平变换器的环流模型：

表达式中分子为桥臂功率(v_bi*i_bi)，分母为常数。n为桥臂子模块单元数，v_{dc_ref}是电容电压参考值，v_{dc_bi}是桥臂上n个电容电压的平均值。

九边形模块化多电平变换器环流由有功环流与无功环流构成，其中有功环流为端口间功率传输的介质；无功环流是造成桥臂电流应力提升的原因，且在桥臂电感上形成压降，导致桥臂电压畸变，影响端口特性。

桥臂电流由端口电流i_bi ^*与环流i_cbi组成，其关系式可表示为：

i_bi＝i_bi ^*+i_cbi (2)

由公式(1)和(2)所示，环流与桥臂电流之间存在耦合关系，是造成多种频率分量的原因，假设i_cbi ⁽⁰⁾的初值为零，v_bi与i_bi ^*乘积生成了一次环流表达式i_cbi ⁽¹⁾，依次类推：

其中g代表迭代的次数。将各次环流带入到前项表达式中可得式(4)。

随着g次数增加，对应频率项更多。因通常v_bi/(n*v_{dc_ref})的数值通常小于1，i_cbi ^(g)-i_cbi ^(g-1)的数值减小，即i_cbi ^(g)收敛。

若仅考虑一次环流，环流共有13种频率分量，可分为有功环流i_{cd_bi}与无功环流i_{cq_bi}：

i_cbi＝i_{cd_bi}+i_{cq_bi} (5)

无功环流包含12种频率分量，表达式如式(6)所示。

由式(5)和(6)可知，端口间传递有功功率需要有功环流i_{cd_bi}；而多种频率分量的无功环流是造成桥臂电流应力提升的原因，在桥臂电感上的压降还会导致桥臂电压的畸变，其表达式为：

本实施例通过补偿无功环流在电感产生的压降抑制环流中的低频分量，以降低桥臂电流应力。

九边形模块化多电平变换器的总控制框图如图3所示。

端口功率控制：实现三个端口的有功功率平衡；采集各子模块电容电压并取平均值v_{dc_ave},与给定电容电压参考值v_{dc_ref},采用PI控制器实现平均值收敛，作为端口功率控制前端。端口功率控制输出第一交流端口的电流幅值指令。

端口电流控制：根据第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口的电流幅值与相位计算生成第一交流端口电流信号i_xyz ^*、第二交流端口电流信号i_rst ^*、第三交流端口电流信号i_uvw ^*，与所采集的第一交流端口电流i_xyz、第二交流端口电流i_rst、第三交流端口电流i_uvw作差，作为QPR控制器的输入，跟踪各自端口频率，分别生成第一交流端口电压信号v_xyz ^*、第二交流端口电压信号v_rst ^*、第三交流端口电压信号v_uvw ^*。

桥臂间均压控制：桥臂间功率不均体现为桥臂间电容均压问题，为实现桥臂间均压，采集各桥臂内各子模块电容电压均值v_{dc_bi}，并与端口不同相相邻桥臂的电容电压均值

作差，输出差值最大的两项，采用PI控制实现桥臂间的均压，生成中性点偏移电压v_N1 ^*,v_N2 ^*信号。

桥臂电压由端口电压信号与中性点偏移电压v_N1 ^*,v_N2 ^*组成。

环流控制：根据桥臂电压v_bi与桥臂电流i_bi得到各桥臂的环流信号，根据公式(7)，求得在桥臂电感上的压降，作为桥臂电压的补偿信号，实现环流中的低频成分的抑制。

桥臂内均压控制：根据桥臂各单元的电容电压来调节调制波，间接控制电容的充放电时间，从而实现桥臂内均压控制，输出桥臂电压调节值Δv_bin。

每个单元的调节值与各单元参考电压指令叠加，合成各单元的调制信号，经过载波移相调制，作为开关的脉冲信号。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法，该变换器包括两个低频风电系统、第一交流端口、第二交流端口和第三交流端口，九个首尾相连桥臂的九边形结构，每个桥臂包含n个H桥逆变模块和1个电感，n为≥1的正整数；九边形结构的九个顶点按顺时针依次为R、W、X、S、U、Y、T、V、Z，其中XYZ为第一交流端口，RST为第二交流端口，UVW为第三交流端口，第一交流端口与交流电网相连，第二交流端口、第三交流端口分别与两个低频风电系统相连；第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口通过桥臂的H桥逆变模块进行有功和无功功率的交换，桥臂电流包括端口电流与环流，环流作为载体给H桥逆变模块提供充电电流；其特征在于：

将H桥逆变模块的充电电流作为九边形模块化多电平变换器的环流模型，九边形模块化多电平变换器环流包括有功环流与无功环流，有功环流为端口间功率传输的介质；无功环流使桥臂电流应力提升，且在桥臂电感上形成压降；该抑制方法通过补偿无功环流在电感产生的压降从而抑制环流中的低频分量；包括以下步骤：

步骤1、端口功率控制：实现三个端口的有功功率平衡；采集各子模块电容电压并取平均值v_{dc_ave}与给定电容电压参考值v_{dc_ref}，采用PI控制器实现平均值收敛，作为端口功率控制前端；端口功率控制输出第一交流端口的电流幅值指令；

步骤2、端口电流控制：根据第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口的电流幅值与相位计算生成第一交流端口电流信号i_xyz ^*、第二交流端口电流信号i_rst ^*、第三交流端口电流信号i_uvw ^*；第一交流端口、第二交流端口、第三交流端口的电流幅值与所采集的第一交流端口电流i_xyz、第二交流端口电流i_rst、第三交流端口电流i_uvw作差，作为QPR控制器的输入；跟踪各端口频率，分别生成第一交流端口电压信号v_xyz ^*、第二交流端口电压信号v_rst ^*、第三交流端口电压信号*

v_uvw；

步骤3、桥臂间均压控制：采集各桥臂内各子模块电容电压均值v_{dc_bi}，并与端口不同相相邻桥臂的电容电压均值

作差，输出差值最大的两项，采用PI控制实现桥臂间的均压，生成中性点偏移电压v_N1 ^*,v_N2 ^*信号；则桥臂电压v_bi由端口电压信号与中性点偏移电压v_N1 ^*,v_N2 ^*组成；

步骤4、环流控制：根据桥臂电压v_bi与桥臂电流i_bi得到各桥臂的环流信号，根据桥臂电感上的压降公式

求得在桥臂电感上的压降，作为桥臂电压的补偿信号，抑制环流中的低频成分；

步骤5、桥臂内均压控制：根据桥臂各单元的电容电压来调节调制波，间接控制电容的充放电时间，从而实现桥臂内均压控制，输出桥臂电压调节值Δv_bin。

2.根据权利要求1所述三端口九边形模块化多电平变换器的环流抑制方法，其特征在于：九边形模块化多电平变换器的环流模型为：

式中，分子v_bi*i_bi为桥臂功率，n为桥臂H桥逆变模块数，v_{dc_ref}是电容电压参考值，v_{dc_bi}是桥臂上n个电容电压的平均值；

桥臂电流表达式为：

i_bi＝i_bi ^*+i_cbi (2)

式中，i_bi ^*为端口电流，i_cbi为环流。

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