CN114221562B - 一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，该方法包括以下步骤：步骤1：根据单台或多台电压源型变换器共直流侧电压运行的实际情况，获取各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值；步骤2：基于各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值，进一步得到各自该台电压源型变换器的最低直流侧电压需求值；步骤3：取所有电压源型变换器的最低直流侧电压需求值中的最大值，经限幅后得到直流侧电压参考指令，并利用其控制直流侧电压的主电压源型变换器，以实现直流侧电压的控制。与现有技术相比，本发明具有控制器系统更加简便、控制参数设计更加灵活，且取得的稳态和动态控制效果均更好等优点。

Description

一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法。
背景技术
电压源型变换器中，直流侧电压与电力电子器件的开关损耗和电气应力直接相关，直流侧电压越高开关损耗越大、电气应力也越大。直流侧电压通常设计为一个较高的恒定值，该设计值通常使直流侧电压满足电压源型变换器所有可能运行工况的需求，但并非在所有工况中都需要如此高的直流侧电压。
与本发明最相近似的实现方案是专利《提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法》中给出了一种动态直流母线电压控制方法。
现有技术(《提高背靠背变流器效率的动态直流母线电压控制方法》)的缺点包括：1、现有技术需要计算调制度，但计算过程用到了有效值运算，致使计算仅为周期内的稳态值，且计算存在延时，此外有些厂家采用的数字控制算法中并没有调制度这一概念，需要用额外的复杂算法虚拟构造，此过程中也会引入误差；2、现有技术需要增加一个比例积分调节器用于产生直流母线电压参考值，从而整个控制环路上比例积分调节器数量多、控制参数设计十分困难，且容易引发不稳定；3、现有技术限定了其用于背靠背变流器，适用范围较窄。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，该方法包括以下步骤：
步骤1：单台或多台电压源型变换器共直流侧电压运行时，有且只有一个所述电压源型变换器控制直流侧电压，将该所述电压源型变换器定义为主电压原型变换器，当只有单台所述电压源型变换器时主电压原型变换器为其自身，当多台所述电压源变换器共直流侧电压运行时主电压原型变换器为预先设定的其中之一，根据单台或多台电压源型变换器共直流侧电压运行的实际情况，获取各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值；
步骤2：基于各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值，进一步得到各自该台电压源型变换器的最低直流侧电压需求值；
步骤3：取所有电压源型变换器的最低直流侧电压需求值中的最大值，经限幅后得到直流侧电压参考指令，并利用其控制直流侧电压的主电压源型变换器，以实现直流侧电压的控制。
进一步地，当所述步骤1中的电压源型变换器采用矢量控制的电压源型变换器时，电压源型变换器的交流端口相电压峰值，其计算公式为：
式中，Upha-mag为电压源型变换器的交流端口相电压峰值，k为由坐标变换矩阵确定的常系数，对于矢量控制中电流环没有前馈项的情形，ud和uq分别为矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量，对于矢量控制中电流环有前馈项的情形，ud和uq分别为矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量与各自前馈项之和。
进一步地，当所述步骤1中的电压源型变换器采用幅相控制的电压源型变换器时，电压源型变换器的交流端口相电压峰值，其计算方法具体包括：将幅相控制中的幅值乘以系数k2，即得到电压源型变换器的交流端口相电压峰值，其中k2为由具体控制确定的常系数，用于表示控制器中的电压幅值参考值与交流端口相电压峰值之间的比值。
进一步地，所述步骤1中电压源型变换器的交流端口相电压峰值的获取方法还包括通用的逆推计算方法，所述通用的逆推计算方法具体包括：对于电压源型变换器交流端口通过阻抗网络连接至某一电压已知节点的情况，采用计算或测量的方法获取该节点的电压和电流，计算电压源型变换器交流端口与该节点之间所连阻抗网络上的压降，进一步逆推得到电压源型变换器交流端口电压，并将其转化为电压源型变换器交流端口相电压峰值。
进一步地，所述的步骤2具体包括：利用各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值，除以该台电压源型变换器采用不同脉宽调制算法得到的对应的直流侧电压利用率，得到电压源型变换器的最低直流侧电压需求值。
进一步地，所述直流侧电压利用率定义为电压源型变换器交流端口能够输出的最大相电压峰值与直流侧电压之比，于该所述直流侧电压利用率定义下，当所述脉宽调制算法采用正弦波脉宽调制时，所述直流侧电压利用率为0.5。
进一步地，于该所述直流侧电压利用率定义下，当所述脉宽调制算法采用空间矢量脉宽调制时，所述直流侧电压利用率为当所述脉宽调制算法采用三次谐波注入正弦波脉宽调制时，所述直流侧电压利用率为/>
进一步地，当针对所述直流侧电压利用率采用其他的定义方法时，均能够通过转化，转化至所述直流侧电压利用率被定义为电压源型变换器交流端口能够输出的最大相电压峰值与直流侧电压之比的情况下。
进一步地，所述步骤3中的直流侧电压参考指令还能够通过叠加偏置量，或乘以大于1的系数，或增加低通滤波器以满足所述直流侧电压的主电压源型变换器的各种实际控制需求。
进一步地，所述的步骤1中的电压源型变换器，其个数为单台或多台，其交流端口的相数为三相、单相或多相，其具体拓扑为两电平、多电平或模块化多电平结构。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明控制方法，包括：步骤1：根据单台或多台电压源型变换器共直流侧电压运行的实际情况，获取各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值；步骤2：基于各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值，进一步得到各自该台电压源型变换器的最低直流侧电压需求值；步骤3：取所有电压源型变换器的最低直流侧电压需求值中的最大值，经限幅后得到直流侧电压参考指令，并利用其控制直流侧电压的主电压源型变换器，以实现直流侧电压的控制，该控制方法适用于单台电压源型变换器或共直流侧电压的多台电压源型变换器，解决电压源型变换器中直流侧电压偏高导致的变换器效率低/开关损耗高以及电力电子器件电压应力大的问题，以及脉宽调制中不必要的零矢量造成的开关损耗问题。
(2)本发明提出一种实现方法更为通用、便于控制器实现、适用范围也更广的技术方案，其不需要计算调制度、不需要引入新的比例积分调节器，控制方式及参数设计更为简单、且控制效果更好。本发明无需调制度计算但实现了对调制度更好的控制，可有效减小不必要的零矢量开关过程，因此不仅可以降低单次开关过程的开关损耗，还可以从减少开关次数的角度降低电压源型变换器的开关损耗。
(3)本发明相比现有技术，控制器系统更加简便、控制参数设计更加灵活，且取得的稳态和动态控制效果均更好。
附图说明
图1为本发明的控制流程示意图；
图2为本发明的详细示例示意图；
图3为采用本发明方法的仿真测试结果示意图；
图4为本发明的改进控制流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，本发明的基本内容是：针对共直流侧电压的n台电压源型变换器，计算各台电压源型变换器交流端口相电压峰值upha_mag_i，用upha_mag_i除以该台电压源型变换器采用的脉宽调制算法对应的直流侧电压利用率kdc_i，得到各台电压源型变换器的最低直流侧电压需求取多台共直流侧电压的电压源型变换器的最低直流侧电压需求的最大值，经限幅后得到直流侧电压参考指令/>将/>提供给控制直流侧电压的主电压源型变换器，实现直流侧电压的控制。
本发明所述技术方案适用于单台电压源型变换器、或多台电压源型变换器共直流侧电压运行的情况。所述的电压源型变换器不限定交流端口的相数，可以是三相、单相或多相；也不限定具体拓扑，可以是两电平、多电平或模块化多电平等结构。
依据电压源型变换器的工作原理，单个电压源型变换器、或多个电压源型变换器共直流侧电压运行时，有且只有一个电压源型变换器控制直流侧电压，本发明中将该电压源型变换器记作主电压源型变换器。当只有单个电压源型变换器时主电压源型变换器为其自身；当多个电压源型变换器共直流侧电压运行时主电压源型变换器为预先指定的其中之一。
本发明包括交流端口相电压峰值计算模块和直流侧电压参考值计算模块，其中交流端口相电压峰值计算模块依据测量值或控制量实施计算，并将计算结果输入至直流侧电压参考值计算模块。
(1)交流端口相电压峰值计算模块。本发明提供三种计算电压源型变换器交流端口相电压峰值方法：
1)采用矢量控制的电压源型变换器。交流端口相电压的幅值其中k是由坐标变换矩阵确定的常系数。对于电流环没有前馈项的情形，ud和uq分别是矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量；对于电流环有前馈项的情形，ud和uq分别是矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量与各自前馈项之和，如图2所示。
2)采用幅相控制的电压源型变换器。幅相控制中的幅值乘以系数k2即可得到电压源型变换器交流端口相电压峰值，k2是由具体控制确定的常系数，用来表示控制器中的电压幅值参考值与交流端口相电压峰值之间的比值。
3)一种通用的逆推计算方法。对于电压源型变换器交流端口通过阻抗网络连接至某一电压已知节点的情况，采用计算或测量的方法获取该节点的电压和电流，计算电压源型变换器交流端口与该节点之间所连阻抗网络上的压降，进一步逆推得到电压源型变换器交流端口电压，并将其转化为电压源型变换器交流端口相电压峰值。
(2)直流侧电压参考值计算模块
首先，计算每一电压源型变换器计算自身的最低直流侧电压需求值并将其通信至主电压源型变换器。/>的计算方法是采用电压源型变换器交流端口相电压峰值除以直流电压利用率kdci。其中，为了表述的唯一性和准确性，本发明中将直流侧电压利用率定义为电压源型变换器交流端口可输出的最大相电压峰值与直流侧电压之比。当脉宽调制算法采用正弦波脉宽调制时，直流侧电压利用率为0.5；当脉宽调制算法采用空间矢量脉宽调制时，直流侧电压利用率为/>当采用三次谐波注入正弦波脉宽调制时，直流侧电压利用率为/>
然后，主电压源型变换器接收与之共直流侧电压的所有电压源型变换器的最低直流侧电压需求值取它们的最大值后通过限幅器，以限幅器的输出作为直流侧电压参考值，并以此控制直流侧电压。其中限幅器的上限值和下限值可以预先设定，也可以接收外部指令。
本发明经过仿真验证是可行的。由两个共直流侧电压的两电平电压源型变换器构成测试系统，在相同的工况下对比现有技术和本发明，结果如图3所示。测试工况测试如下：电压源型变换器1连接线电压有效值恒定为690V的交流电源，电压源型变换器2连接电压随时间变化的交流电源，指定电压源型变换器1为主电压源型变换器。该工况下，除285-322秒外的大部分时间内，电压源型变换器2所需的直流侧电压高于电压源型变换器1。实施例中变换器采用矢量控制和空间矢量脉宽调制，交流端口相电压的幅值其中ud和uq分别为矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量，k3r/2s是由坐标变换矩阵决定的常系数。
本例中从三相静止坐标系变换到同步旋转坐标系的变换矩阵为从同步旋转坐标系到三相静止坐标系的变换矩阵为/>时，因此可确定出k3r/2s＝1。
计算直流侧电压参考值限幅器的上限和下限按照本例的需求分别设置为1.15kV和0.9kV。以此作为主电压源型变换器的直流电压参考值并实施控制。
测试发现，“现有技术”中若将调制度参考值设置为1，由于动态性能的限制，实际运行中调制度在1上下波动，并时常超出1，表明发生了不期望的过调制。因此下图中为了避免此种情况将“现有技术”中调制度参考值设置为0.98，可见在271s和340s附近仍然发生了轻微的过调制。对比可见“本发明”在相同的测试工况下直流侧电压更低，调制度逼近1的稳态性能和动态性能更优。
本发明中为了表述的唯一性和准确性，将直流侧电压利用率指定为电压源型变换器交流端口可输出的最大相电压峰值与直流侧电压之比，相应的求取了交流端口相电压峰值用以确定直流电压参考值。直流侧电压利用率有时候也被定义为电压源型变换器交流端口可输出的最大线电压峰值与直流侧电压之比，相应的应求取交流端口线电压峰值用以确定直流电压参考值。采用其余的定义方法可以得到相应的表述，本质上与本发明的实现方法一致，仍属于本发明的范畴。
上述方案给出的是直流侧电压动态贴下限的运行方式，是较为底层的算法，实际应用中可以根据实际需要灵活调整。例如在一些工作场景下如果希望为直流侧电压留出一定裕度，可以在上述直流侧电压参考值的基础上叠加偏置量、或乘以大于1的系数；又如在一些工作场景下如果希望为直流侧电压不要频繁波动，可以在上述直流侧电压参考值留有裕度的前提下增加低通滤波器。上述改进用法可以在理解本发明意图的基础上灵活选择、或配合使用，一种典型的结合使用方法如图4所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1：单台或多台电压源型变换器共直流侧电压运行时，有且只有一个所述电压源型变换器控制直流侧电压，将该所述电压源型变换器定义为主电压原型变换器，当只有单台所述电压源型变换器时主电压原型变换器为其自身，当多台所述电压源型变换器共直流侧电压运行时主电压原型变换器为预先设定的其中之一，根据单台或多台电压源型变换器共直流侧电压运行的实际情况，获取各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值；
步骤2：基于各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值，进一步得到各自该台电压源型变换器的最低直流侧电压需求值；
步骤3：取所有电压源型变换器的最低直流侧电压需求值中的最大值，经限幅后得到直流侧电压参考指令，并利用其控制直流侧电压的主电压源型变换器，以实现直流侧电压的控制；
所述的步骤2具体包括：利用各台电压源型变换器的交流端口相电压峰值，除以该台电压源型变换器采用不同脉宽调制算法得到的对应的直流侧电压利用率，得到电压源型变换器的最低直流侧电压需求值；
所述直流侧电压利用率定义为电压源型变换器交流端口能够输出的最大相电压峰值与直流侧电压之比。
2.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，当所述步骤1中的电压源型变换器采用矢量控制的电压源型变换器时，电压源型变换器的交流端口相电压峰值，其计算公式为：
，
式中，为电压源型变换器的交流端口相电压峰值，k为由坐标变换矩阵确定的常系数，对于矢量控制中电流环没有前馈项的情形，/>和/>分别为矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量，对于矢量控制中电流环有前馈项的情形，/>和/>分别为矢量控制中电流闭环输出的d、q轴电压分量与各自前馈项之和。
3.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，当所述步骤1中的电压源型变换器采用幅相控制的电压源型变换器时，电压源型变换器的交流端口相电压峰值，其计算方法具体包括：将幅相控制中的幅值乘以系数k 2，即得到电压源型变换器的交流端口相电压峰值，其中k 2为由具体控制确定的常系数，用于表示控制器中的电压幅值参考值与交流端口相电压峰值之间的比值。
4.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，所述步骤1中电压源型变换器的交流端口相电压峰值的获取方法还包括通用的逆推计算方法，所述通用的逆推计算方法具体包括：对于电压源型变换器交流端口通过阻抗网络连接至某一电压已知节点的情况，采用计算或测量的方法获取该节点的电压和电流，计算电压源型变换器交流端口与该节点之间所连阻抗网络上的压降，进一步逆推得到电压源型变换器交流端口电压，并将其转化为电压源型变换器交流端口相电压峰值。
5.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，于所述直流侧电压利用率定义下，当所述脉宽调制算法采用正弦波脉宽调制时，所述直流侧电压利用率为0.5。
6.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，于所述直流侧电压利用率定义下，当所述脉宽调制算法采用空间矢量脉宽调制时，所述直流侧电压利用率为，当所述脉宽调制算法采用三次谐波注入正弦波脉宽调制时，所述直流侧电压利用率为/>。
7.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，所述步骤3中的直流侧电压参考指令还能够通过叠加偏置量，或乘以大于1的系数，或增加低通滤波器以满足所述直流侧电压的主电压源型变换器的各种实际控制需求。
8.根据权利要求1所述的一种电压源型变换器的动态贴下限直流侧电压控制方法，其特征在于，所述的步骤1中的电压源型变换器，其交流端口的相数为单相或多相，其具体拓扑为两电平或多电平。
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