基于半桥单元串联多电平变流器装置的低频控制方法与流程

本发明涉及半桥单元串联多电平变流器装置的在低频运行条件下的控制方法，该技术适用于所有基于MMC结构的高压变频器、风电变流器、分频输电器、变频电源等装置。

背景技术：

近年来，基于半桥单元串联多电平(简称MMC是Modular Multilevel Converter)结构的变流器技术发展很快，已经广泛应用于柔性直流输电领域。该拓扑结构采用模块化链式串联结构，由两套变流器阀组模块组成，如图1所示。两套阀组模块完全相等，可以互换，中间有直流母线电压Udc。每套阀组模块如图2所示分成三相，由六个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接且结构相同的子单元(Submodule，SM)与一个桥臂电抗器L串联构成，上下两个桥臂构成一相。六个桥臂具有对称性，即各子单元的参数和各桥臂电抗值都是相同的。每个子单元的结构如图3所示，为半桥结构，两个开关器件T1、T2串联，再并联直流电容C。并且开关器件T1、T2分别反并联二极管；T1与T2的公共端，电容C与T2的公共端作为每个单元的输出端，与其他单元相连。T1与T2必须互补导通，当T1导通T2截止时，单元输出高电平；当T2导通T1截止时，单元输出0电平；当T1、T2都截止时，单元处于闭锁状态，一般在故障与启动时使用。如下表：

正常运行时，每个子单元工作在全电压或零电压状态。为叙述方便，定义子单元处于全电压状态为开通，零电压状态为关断。于是，单个相单元可以等效为图4(a)的结构。为了分析模块化多电平变流器的波形生成原理，不妨以a相为例进行说明。(a)中U_a0表示变流器a相的相电压，U_a1、U_a2分别代表a相上、下桥臂电压，U_dc是直流电压。因为MMC结构变流器将电容器分散安装在每个子模块内，为了维持直流电压恒定，每个相单元的上、下两桥臂总的导通模块个数恒定。图4(b)展现了变流器相电压波形的合成原理，从图中看出各相单元上、下桥臂导通的模块数呈现此消彼长的变化趋势。变流器中三相单元具有严格的对称性，每相桥臂可通过子单元的投切控制桥臂输出电压，故每相桥臂均可等效为一个可控电压源，如图4(c)，桥臂电压U_a1和U_a2的波形关于U_dc/2对称，这表明任意时刻二者之和恒为U_dc。

忽略变流器中桥臂电抗器的压降，可得：

将式(1)中的两式相加，得到：

u_a1+u_a2＝U_dc (2)

由上述两式可以得出，模块化多电平变流器正常运行时每相中处于投入状态的子模块数在任意时刻都相等且不变，通过对每相上、下桥臂中处于投入状态的子模块数进行分配来实现变流器交流侧输出多电平波形。

电平数为M的模块化多电平变换器，具有以下明显的优点：

1)每个功率器件仅承受1/(M-1)的母线电压(M为电平数)，降低开关器件耐压值，尤其适用于高压大功率的应用。

2)随着电平数对的增加，有效的提高了输出电压、电流波形质量，减小了输出波形畸变(THD)。与两电平变换器相比，在输出相同电压波形前提下，多电平技术的开关频率更低，开关损耗更小，系统利用率更高。

3)与现有高压变频器结构相比，无需移相变压器，大大地减小了装置体积和损耗，并且节约了成本。

根据MMC结构变流器的计数原理，功率单元直流电容参数设计由纹波系数ε、额定电流I_ac、运行频率ω等条件决定。则直流电容C参数设计应满足在额定工况下

在柔性直流输电工程设计中，MMC功率单元直流电压纹波系数一般设定在10％以内，运行频率在工频50Hz，直流电容量C取值根据公式计算得到。但是如果MMC结构变流器应用在高压变频器、风电变流器等变频领域，当控制方式等其他条件不变时，运行频率越低功率单元直流电压波动越大，而功率单元直流电压纹波系数太高，会导致变流器交流输出电流波形上叠加高次纹波分量，反过来进一步加深功率单元直流电压波动。如此互相影响，当纹波电压超过限制值时，现有的控制方式无法抑制输出电流波动，系统就会发散导致停机。

为了解决功率单元直流电压纹波问题，现有的技术方式是增加直流支撑电容量。但是这种办法只在工频运行条件有效，如果在低频运行条件下从经济上来说不可行。假设在50Hz运行频率时功率单元直流电容量C取值为10mf，当运行频率下降到5Hz时，为了保持同等的电压纹波系数和额定电流，依据以上公式分析功率单元直流电容量C取值需要100mf；当运行频率下降到1Hz时，功率单元直流电容量C取值需要500mf。功率单元直流电容量越大，装置成本和体积就越高，市场竞争力就越低，过大的电容量甚至会导致产品在工程设计和应用中完全不可行。MMC结构变流器的这种低频特性大大地限制了装置在变频、风电变流器、分频输电、变频电源等这些运行频率低于50Hz的应用领域。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供基于半桥单元串联多电平变流器装置的低频控制方法。

本发明所采用的技术方案为：

基于半桥单元串联多电平变流器装置的低频控制方法，包括以下步骤：(A)由控制器实时采集MMC装置交流侧输出电流瞬时值；(B)控制器从所采集MMC装置交流侧输出电流瞬时值中提取出输出电流的基波、各次谐波、负序分量；(C)以输出电流中除基波以外的各次谐波和负序分量作为目标值；(D)通过闭环调节算法控制变流器发出与目标值大小相等、方向相反的电流波形与目标值互相抵消，通过主动控制消除输出电流的谐波和负序分量。

其中，所述闭环调节算法采用比例控制(P)或者比例-积分控制(PI)或者比例-谐振(PR)反馈控制实现。

或者，所述闭环调节算法采用重复学习控制的前馈型控制方法实现。

进一步，该低频控制方法应用于高压变频器、高压风电变流器、高压分频输电装置和频率小于50Hz的高压低频电源中。

所述闭环调节算法用于控制输出电流能够实时地跟随采集MMC装置交流侧输出电流瞬时值的各次谐波和负序分量。

与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：本发明不额外增加装置成本，而是通过控制算法消除谐波，抑制波动，保证变流器从0Hz到50Hz各个频率下的运行稳定性，大大节省了功率单元直流电容配置，拓展了MMC类变流器在低频应用场合使用可行性。为MMC结构的变流器装置应用于高压变频器、风电变流器、高压分频输电装置和其他各种高压低频(小于50Hz)电源开拓了广泛的空间。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1为MMC变流器两端阀组模块结构图；

图2为MMC一端阀组模块结构图；

图3为MMC功率单元的示意图；

图4为基于MMC技术的多电平电压波形生成原理图。

具体实施方式

本发明技术从技术原理上分析MMC变流器在低频条件下电流发散的原因，首次提出通过在控制方法上增加输出电流反馈来抑制电压波动和电流反馈。具体方式是采集变流器交流侧输出电流瞬时值，通过软件算法提取出输出电流的基波(与输出电压同频率)、各次谐波、负序等成分；以输出电流中除基波以外的各次谐波和负序分量作为目标值，通过闭环调节算法控制变流器发出与目标值大小相等、方向相反的电流波形与目标值互相抵消，通过主动控制消除输出电流的谐波和负序分量。在理想情况下输出电流的谐波和负序分量几乎完全抵消，只剩下基波成分。因为输出电流波形更加平滑，所以在低频运行条件下功率单元电压波动能够控制在有效范围之内，更不会发生输出电流发散的现象。

闭环调节算法可以采用比例控制(P)或者比例-积分控制(PI)或者比例-谐振(PR)反馈控制实现；也可以采用重复学习控制等前馈型控制方式实现。闭环调节算法的功能是为了输出电流能够实时地跟随谐波和负序成分。

本发明不额外增加装置成本，而是通过控制算法消除谐波，抑制波动，保证变流器从0Hz到50Hz各个频率下的运行稳定性，大大节省了功率单元直流电容配置，拓展了MMC类变流器在低频应用场合使用可行性。为MMC结构的变流器装置应用于高压变频器、风电变流器、高压分频输电装置和其他各种高压低频(小于50Hz)电源开拓了广泛的空间。

以上所述仅为本发明的优先实施方式，本发明并不限定于上述实施方式，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。