主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法与流程

本发明属于高压大容量电力电子换流器控制技术领域，特别涉及主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法。

背景技术：

模块化多电平换流器属于电压源型电力电子换流器，基于绝缘栅双极型晶体管等全控电力电子器件和脉宽调制技术，能够稳定地控制有功功率和无功功率在交直流系统间传输。模块化多电平换流器的电路原理如图1所示。模块化多电平换流器包含a、b、c三个相单元，每个相单元包含两个桥臂，即上桥臂和下桥臂，总共六个桥臂。三个相单元并联在直流正极和直流负极之间，三个相单元的上桥臂和下桥臂的中间点联接三相交流系统。每个桥臂通过的电流分别记为a相上桥臂电流i_ap、a相下桥臂电流i_an、b相上桥臂电流i_bp、b相下桥臂电流i_bn、c相上桥臂电流i_cp、c相下桥臂电流i_cn。每个桥臂由一个桥臂电抗L_s和N个子模块串联组成。每个子模块由两个绝缘栅双极晶体管S₁、S₂，两个续流二极管D₁、D₂以及一个直流电容C_d构成。模块化多电平换流器具有诸多技术优势，如模块化的结构，易于达到高电压等级；多电平的工作方式，利于提升传输效率；高质量的输出电压波形，不需要安装交流滤波器等，使其在高压大容量输电系统中发挥重要作用，在区域电网互联、可再生能源接入等场景下受到广泛重视。

直流电容是模块化多电平换流器的关键指标，是模块化多电平换流器体积和成本的重要决定因素，与模块化多电平换流器的应用前景和经济效益直接相关。按照常规的模块化多电平换流器设计方法，为了降低每个子模块中绝缘栅双极晶体管承受的电压峰值和限制直流电容电压波动，一般都会选择较大的直流电容。直流电容的体积可能会达到整个子模块体积的80％左右，直流电容的成本甚至与绝缘栅双极晶体管的成本相近，导致模块化多电平换流器体积庞大、成本高昂。如果能够降低直流电容电压波动，直流电容就能够相应降低，这对于优化模块化多电平换流器的体积和成本有重要意义。

模块化多电平换流器的控制一般由换流器级控制、二倍频环流控制和底层控制组成。换流器级控制需要根据模块化多电平换流器上级控制器发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令等，动态计算模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压。底层控制首先需要根据得到的三相交流参考电压和直流参考电压，动态计算六个桥臂参考电压；然后以桥臂为单位，针对桥臂中的子模块，根据桥臂参考电压进行脉冲调制和直流电容电压平衡控制，生成脉冲信号；最后根据得到的脉冲信号对绝缘栅双极晶体管进行开关控制。二倍频环流控制会使底层控制发生变化，但不会影响换流器级控制，具体表现为：二倍频环流控制会根据控制目标，动态计算得到一组参考电压，这组参考电压叠加在换流器级控制得到的三相交流参考电压上，会使桥臂参考电压发生变化，底层控制需要根据新的桥臂参考电压进行控制。

桥臂环流是模块化多电平换流器的特征电流，是直流电容电压波动的必然产物。二倍频环流是桥臂环流的主要成分，可以作为降低直流电容电压波动、优化模块化多电平换流器的手段。常规的二倍频环流控制方法以将二倍频环流抑制为零为控制目标，虽然能够在一定程度上降低换流器损耗，但是降低直流电容电压波动的效果并不明显。另一种二倍频环流控制方法以令直流电容电压波动最小为控制目标，虽然能够使直流电容电压波动降到最小，但是直流电容电压波动的过度降低，往往需要非常大的二倍频环流，不但会使换流器损耗大幅增加，并且由于子模块中绝缘栅双极晶体管所需承受的电流应力急剧上升，会导致绝缘栅双极晶体管的选型困难，尤其是在高压大容量场合下，甚至可能无法选择到合适的绝缘栅双极晶体管。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法。本发明通过在桥臂参考电压中注入二倍频参考电压，令初始二倍频环流反转，以达到在不增加换流器损耗前提下大幅度降低直流电容电压波动的目的，实现模块化多电平换流器的优化。

本发明提出的主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法，该方法由换流器级控制、二倍频环流控制和底层控制组成，其特征在于，包括以下步骤：

1)换流器级控制：根据模块化多电平换流器上级控制器发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令，动态计算模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压

2)二倍频环流控制：具体包括：

2-1)动态计算模块化多电平换流器初始二倍频环流：根据实时测量得到的交流电流有效值I、交流电压调制比M、功率因数角计算二倍频环流的初始幅值I_Z0和初始相位θ₀，计算公式如式(1)所示：

式中，ω为基波角频率，L_s表示桥臂电抗，C_d表示子模块直流电容，N表示每个桥臂中子模块的总数目；

2-2)设置二倍频环流目标值：以令初始二倍频环流反转为目标，二倍频环流目标值的幅值与二倍频环流的初始幅值I_Z0相等，二倍频环流目标值的相位θ^*与二倍频环流的初始相位θ₀差180°，计算公式如式(2)所示：

2-3)在dq旋转坐标系下，动态计算需要注入的二倍频参考电压；dq旋转坐标系以a相交流电压的相位为基准相位，旋转频率为二倍频2ω，旋转方向为负序，即依次经过a相、c相和b相，再根据Park反变换计算得到需要注入的二倍频参考电压

3)底层控制：根据换流器级控制得到的交流参考电压和直流参考电压将2-3)得到的需要注入的二倍频参考电压叠加到交流参考电压和直流参考电压上，分别生成六个桥臂参考电压计算公式如式(8)所示：

根据得到的桥臂参考电压进行脉冲调制和直流电容电压平衡控制，生成脉冲信号；再根据得到的脉冲信号对子模块绝缘栅双极晶体管进行开关控制，以实现优化控制。

本发明的有益效果为：本发明能够实现初始二倍频环流的反转，反转的二倍频环流具有抵消直流电容电压波动中的基频分量和二倍频分量的作用，能够大幅度地降低直流电容电压波动，使得换流器所需的直流电容大大降低。同时，反转的二倍频环流的幅值与初始二倍频环流的幅值相同，不会导致换流器损耗的升高。本发明能够在不影响换流器损耗的前提下，大幅度降低直流电容电压波动，实现模块化多电平换流器成本和体积的优化。

附图说明

图1为模块化多电平换流器的电路原理图。

图2为本发明的主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法的流程框图。

具体实施方式

本发明提出的主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法，下面结合附图和具体实施例进一步说明如下。

本发明提出的主动利用二倍频环流的模块化多电平换流器优化控制方法，该方法由换流器级控制、二倍频环流控制和底层控制组成，具体流程如图2所示，包括以下步骤：

1)换流器级控制：根据模块化多电平换流器上级控制器发送的有功功率指令、无功功率指令、直流电压指令、交流电压指令，动态计算模块化多电平换流器的三相交流参考电压和直流参考电压

2)二倍频环流控制：具体包括：

2-1)动态计算模块化多电平换流器初始二倍频环流：根据实时测量得到的交流电流有效值I、交流电压调制比M、功率因数角计算二倍频环流的初始幅值I_Z0和初始相位θ₀，计算公式如式(1)所示：

式中，ω为基波角频率，L_s表示桥臂电抗，C_d表示子模块直流电容，N表示每个桥臂中子模块的总数目；

2-2)设置二倍频环流目标值：以令初始二倍频环流反转为目标，二倍频环流目标值的幅值与二倍频环流的初始幅值I_Z0相等，二倍频环流目标值的相位θ^*与二倍频环流的初始相位θ₀差180°，计算公式如式(2)所示：

2-3)在dq旋转坐标系下，动态计算需要注入的二倍频参考电压；dq旋转坐标系以a相交流电压的相位为基准相位，旋转频率为二倍频2ω，旋转方向为负序，即依次经过a相、c相和b相，再根据Park反变换计算得到需要注入的二倍频参考电压具体步骤如下：

2-3-1)根据步骤2-2)得到的二倍频环流目标值的幅值和二倍频环流目标值的相位θ^*，计算二倍频环流目标值在dq旋转坐标系下的分量和计算公式如式(3)所示：

2-3-2)根据实时测量获得的六个桥臂电流i_ap、i_an、i_bp、i_bn、i_cp、i_cn，计算二倍频环流实际值i_aZ、i_bZ、i_cZ，计算公式如式(4)所示：

2-3-3)根据Park变换计算二倍频环流实际值在dq旋转坐标系下的分量i_dZ和i_qZ，计算公式如式(5)所示：

2-3-4)采用dq解耦控制方法，计算需要注入的二倍频参考电压在dq旋转坐标系下的分量和计算公式如式(6)所示：

2-3-5)根据Park反变换计算得到需要注入的二倍频参考电压计算公式如式(7)所示：

3)底层控制：根据换流器级控制得到的交流参考电压和直流参考电压将步骤2-3-5)得到的需要注入的二倍频参考电压叠加到交流参考电压和直流参考电压上，分别生成六个桥臂参考电压计算公式如式(8)所示：

根据得到的桥臂参考电压进行脉冲调制和直流电容电压平衡控制，生成脉冲信号；再根据得到的脉冲信号对子模块绝缘栅双极晶体管进行开关控制，以实现优化控制。