一种混合型MMC子模块电容电压波动差异的抑制方法和装置与流程
本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种混合型mmc子模块电容电压波动差异的抑制方法和装置。
背景技术：
柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。由于模块化多电平换流器具备易扩展、波形好和模块化设计等特点适用于高压大功率等场合，在柔性直流输电领域备受关注。由半桥子模块和全桥子模块构成的混合mmc，兼具经济性和直流故障穿越能力，已经成为当前的研究热点并逐渐被工程采用。
然而，与传统直流输电换流器相比，同等容量等级的混合型模块化多电平换流器中电容体积更大，因而带来的成本不容忽视。且随着输送容量和直流母线电压等级的提高，电容规模扩大引起的经济和技术问题将更加严重。同时，混合型模块化多电平换流器在过调制运行时全桥子模块与半桥子模块电容电压波动存在差异，且较大程度的影响了整体电容电压的波动水平，致使换流器整体电容电压波动水平增大。现有技术不能满足混合型模块化多电平换流器对轻型化的需求。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术中混合型模块化多电平换流器全桥子模块与半桥子模块电容电压波动存在差异而导致的子模块电容电压波动水平增大的不足，本发明提供一种混合型mmc子模块电容电压波动差异的抑制方法和装置，当混合型模块化多电平换流器稳定运行时，根据系统运行参数确定三次谐波电压修正量，然后根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量，接着通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压，最后通过改变混合型模块化多电平换流器的调制波电压降低了子模块电容电压波动，混合型模块化多电平换流器在能够稳定运行基础上，全桥子模块和半桥子模块的电容电压波动差异减小，模块化多电平换流器子模块电容电压整体波动得到抑制，轻型化效果明显。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供一种混合型mmc子模块电容电压波动差异的抑制方法和装置，包括：
当混合型模块化多电平换流器稳定运行时，根据系统运行参数确定三次谐波电压修正量；
根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量；
通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压；
通过改变混合型模块化多电平换流器的调制波电压抑制全桥子模块和半桥子模块的电容电压波动差异，同时也能够抑制模块化多电平换流器子模块电容电压整体波动。
混合型模块化多电平换流器稳定的约束条件如下式：
其中，m表示混合型模块化多电平换流器的电压调制比，
所述三次谐波电压修正量按下式确定：
其中，δuthi表示三次谐波电压注入量，ω为系统频率，
所述根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量，包括：
采集混合型模块化多电平换流器的桥臂电流，并根据下式确定混合型模块化多电平换流器的三相内部电流：
其中，icirj表示混合型模块化多电平换流器的内部环流，j＝a、b、c，ipj、inj分别表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的电流；
将icirj进行abc/dq变换，得到混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量i2fd和i2fq；
根据混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量，按下式确定d轴环流抑制电压修正量和q轴环流抑制电压修正量：
其中，ucird_ref表示d轴环流抑制电压修正量，ucirq_ref表示q轴环流抑制电压修正量，i2fd表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流分量，i2fq表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流分量，i2fd_ref表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流参考值，i2fq_ref表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流参考值，kp1、kp2表示比例系数，ki1、ki2表示积分系数，ω表示系统频率，larm表示桥臂电感；
将ucird_ref和ucirq_ref进行dq/abc变换，得到三相环流抑制电压修正量。
所述通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压，包括：
按下式确定外环功率控制器输出的电流参考值：
其中，id_ref表示外环功率控制器输出的d轴电流参考值，iq_ref表示外环功率控制器输出的q轴电流参考值，p表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率，q表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率，pref表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率参考值，qref表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率参考值，kp3、kp4表示比例系数，ki3、ki4表示积分系数；
根据id_ref和iq_ref，并按下式确定内环电流控制器输出的电压参考值：
其中，ed_ref表示内环电流控制器输出的d轴电压参考值，eq_ref表示内环电流控制器输出的q轴电压参考值，id表示外环功率控制器输出的d轴实际电流，iq表示外环功率控制器输出的q轴实际电流，kp5、kp6表示比例系数，ki5、ki6表示积分系数；
将ed_ref、eq_ref进行dq/abc变换，得到三相虚拟电动势；
根据三次谐波电压修正量δuthi、三相虚拟电动势和三相环流抑制电压修正量，并按下式确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压：
其中，upj_ref、unj_ref表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的调制波电压，ej_ref表示三相虚拟电动势，ucirj_ref表示三相环流抑制电压修正量。
另一方面，本发明还提供一种混合型模块化多电平换流器轻型化装置，包括：
谐波发生控制器，用于当混合型模块化多电平换流器稳定运行时，确定三次谐波电压修正量；
换流抑制控制器，用于根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量；
调制波电压控制器，用于通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压；
系统控制器，用于通过混合型模块化多电平换流器的调制波电压降低子模块电容电压波动。
所述谐波发生控制器包括：
判断单元，用于根据下述约束条件判断混合型模块化多电平换流器是否稳定，若满足约束条件，混合型模块化多电平换流器稳定：
其中，m表示混合型模块化多电平换流器的电压调制比，
所述谐波发生器还包括：
三次谐波电压修正量确定单元，用于按下式确定三次谐波电压修正量：
其中，δuthi表示三次谐波电压注入量，ω为系统频率，
所述环流抑制器包括：
三相内部电流确定单元，用于采集混合型模块化多电平换流器的桥臂电流，并根据下式确定混合型模块化多电平换流器的三相内部电流：
其中，icirj表示混合型模块化多电平换流器的内部环流，j＝a、b、c，ipj、inj分别表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的电流；
abc/dq变换单元，用于将icirj进行abc/dq变换，得到混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量i2fd和i2fq；
环流抑制电压修正量确定单元，用于根据混合型模块化多电平换流器内部环流的d轴分量和q轴分量，按下式确定d轴环流抑制电压修正量和q轴环流抑制电压修正量：
其中，ucird_ref表示d轴环流抑制电压修正量，ucirq_ref表示q轴环流抑制电压修正量，i2fd表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流分量，i2fq表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流分量，i2fd_ref表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流参考值，i2fq_ref表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流参考值，kp1、kp2表示比例系数，ki1、ki2表示积分系数，ω表示系统频率，larm表示桥臂电感；
第一dq/abc变换单元，用于将ucird_ref和ucirq_ref进行dq/abc变换，得到三相环流抑制电压修正量。
所述第一控制器包括：
电流参考值确定单元，用于按下式确定外环功率控制器输出的电流参考值：
其中，id_ref表示外环功率控制器输出的d轴电流参考值，iq_ref表示外环功率控制器输出的q轴电流参考值，p表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率，q表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率，pref表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率参考值，qref表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率参考值，kp3、kp4表示比例系数，ki3、ki4表示积分系数；
电压参考值确定单元，用于根据id_ref和iq_ref，并按下式确定内环电流控制器输出的电压参考值：
其中，ed_ref表示内环电流控制器输出的d轴电压参考值，eq_ref表示内环电流控制器输出的q轴电压参考值，id表示外环功率控制器输出的d轴实际电流，iq表示外环功率控制器输出的q轴实际电流，kp5、kp6表示比例系数，ki5、ki6表示积分系数；
第二dq/abc变换单元，用于将ed_ref、eq_ref进行dq/abc变换，得到三相虚拟电动势；
调制波电压确定单元，用于根据三次谐波电压修正量δuthi、三相虚拟电动势和三相环流抑制电压修正量，并按下式确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压：
其中，upj_ref、unj_ref表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的调制波电压，ej_ref表示三相虚拟电动势，ucirj_ref表示三相环流抑制电压修正量。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的混合型模块化多电平换流器轻型化方法中，当混合型模块化多电平换流器过调制稳态运行时，根据系统运行状态确定三次谐波电压修正量，然后确定环流抑制电压修正量，最后确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压，该策略能够抑制混合型模块化多电平换流器全桥子模块和半桥子模块的电容电压波动差异，同时能够降低换流器整体的电容电压波动水平，轻型化效果明显，且混合型模块化多电平换流器能够稳定运行。本发明提供的技术方案引入了三次谐波电压注入量，在保持直流母线电压和输送功率不变的前提下能够有效的抑制混合型模块化多电平换流器全桥子模块和半桥子模块电容电压波动差异，同时降低了换流器整体的子模块电容电压纹波水平；
本发明提供的混合型模块化多电平换流器轻型化装置包括谐波发生控制器、环流抑制控制器、调制波电压控制器和系统控制器。谐波发生控制器，用于当混合型模块化多电平换流器稳定时，确定三次谐波电压修正量；环流抑制控制器，根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量；调制波电压控制器，用于通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压；系统控制器，用于通过混合型模块化多电平换流器的调制波电压降低子模块电容电压波动，混合型模块化多电平换流器能够稳定运行，轻型化效果明显；
本发明提供的技术方案充分发挥了混合型mmc可以无闭锁穿越直流故障，兼顾经济性和控制灵活性的特点，能够在保持直流母线电压和输送功率不变的前提下，能够大幅度降低子模块电容电压波动差异和整体波动水平，降低子模块电容的成本，实现模块化多电平换流器的轻型化；
附图说明
图1是本发明实施例中混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动差异的抑制方法方法流程图；
图2是本发明实施例中三次谐波电压修正量确定过程图；
图3是本发明实施例中三相环流抑制电压修正量确定过程图；
图4是本发明实施例中通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量实现混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动差异的抑制的流程图；
图5是本发明实施例中混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动差异的抑制装置结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种混合型mmc子模块电容电压波动差异的抑制方法和装置，具体流程图如图1所示，具体过程如下：
s101：当混合型模块化多电平换流器稳定时，根据系统运行参数确定三次谐波电压修正量；
s102：根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量；
s103：通过s101确定的三次谐波电压修正量和s102确定的三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压；
s104：通过混合型模块化多电平换流器的调制波电压抑制全桥子模块和半桥子模块的电容电压波动差异，同时也能够抑制模块化多电平换流器子模块电容电压整体波动。。
其中，混合型模块化多电平换流器包括三个相单元，每个相单元包括一个上桥臂和一个下桥臂，上桥臂和下桥臂中子模块个数相等，子模块包括半桥子模块和全桥子模块。
上述的s101中，混合型模块化多电平换流器稳定的约束条件如下式：
其中，m表示混合型模块化多电平换流器的电压调制比，
进一步地，三次谐波电压修正量确定过程如图2所示，三次谐波电压修正量按下式确定：
其中，δuthi表示三次谐波电压注入量，ω为系统频率，
上述s102中，三相环流抑制电压修正量确定过程图如图3所示，pi表示比例积分控制器，根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量的具体过程如下：
1、采集混合型模块化多电平换流器的桥臂电流，并根据下式确定混合型模块化多电平换流器的三相内部电流：
其中，icirj表示混合型模块化多电平换流器的内部环流，j＝a、b、c，ipj、inj分别表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的电流；
2、将icirj进行abc/dq变换，得到混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量i2fd和i2fq；
3、根据混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量，按下式确定d轴环流抑制电压修正量和q轴环流抑制电压修正量：
其中，ucird_ref表示d轴环流抑制电压修正量，ucirq_ref表示q轴环流抑制电压修正量，i2fd表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流分量，i2fq表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流分量，i2fd_ref表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流参考值，i2fq_ref表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流参考值，kp1、kp2表示比例系数，ki1、ki2表示积分系数，ω表示系统频率，larm表示桥臂电感；
4、将ucird_ref和ucirq_ref进行dq/abc变换，得到三相环流抑制电压修正量。
上述s103中，如图4，通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压，具体过程如下：
1、按下式确定外环功率控制器输出的电流参考值：
其中，id_ref表示外环功率控制器输出的d轴电流参考值，iq_ref表示外环功率控制器输出的q轴电流参考值，p表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率，q表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率，pref表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率参考值，qref表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率参考值，kp3、kp4表示比例系数，ki3、ki4表示积分系数；
2、根据id_ref和iq_ref，并按下式确定内环电流控制器输出的电压参考值：
其中，ed_ref表示内环电流控制器输出的d轴电压参考值，eq_ref表示内环电流控制器输出的q轴电压参考值，id表示外环功率控制器输出的d轴实际电流，iq表示外环功率控制器输出的q轴实际电流，kp5、kp6表示比例系数，ki5、ki6表示积分系数；
3、将ed_ref、eq_ref进行dq/abc变换，得到三相虚拟电动势；
4、根据δuthi、三相虚拟电动势和三相环流抑制电压修正量，并按下式确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压：
其中，upj_ref、unj_ref表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的调制波电压，ej_ref表示三相虚拟电动势，ucirj_ref表示三相环流抑制电压修正量。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种混合型模块化多电平换流器轻型化装置，结构图如图5所示，具体包括谐波发生器、换流抑制器、第一控制器和第二控制器，下面对上述三个模块的功能进行详细介绍：
其中的谐波发生控制器，用于当混合型模块化多电平换流器稳定时，根据系统参数确定三次谐波电压修正量；
其中的环流抑制控制器，用于根据混合型模块化多电平换流器的桥臂电流确定三相环流抑制电压修正量；
其中的调制波电压控制器，用于通过三次谐波电压修正量和三相环流抑制电压修正量确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压；
其中的系统控制器，用于通过混合型模块化多电平换流器的调制波电压抑制全桥子模块和半桥子模块电容电压波动差异，降低整体的子模块电容电压波动。
上述谐波发生控制器具体包括判断单元和三次谐波电压修正量确定单元，具体如下：
1、判断单元，用于根据下述约束条件判断混合型模块化多电平换流器是否稳定，若满足约束条件，混合型模块化多电平换流器稳定：
其中，m表示混合型模块化多电平换流器的电压调制比，
2、三次谐波电压修正量确定单元，用于按下式确定三次谐波电压修正量：
其中，δuthi表示三次谐波电压注入量，ω为系统频率，k为三次谐波电压注入系数，表达式如下：
上述的环流抑制控制器包括三相内部电流确定单元、abc/dq变换单元、环流抑制电压修正量确定单元和第一dq/abc变换单元，具体如下：
1、三相内部电流确定单元，用于采集混合型模块化多电平换流器的桥臂电流，并根据下式确定混合型模块化多电平换流器的三相内部电流：
其中，icirj表示混合型模块化多电平换流器的内部环流，j＝a、b、c，ipj、inj分别表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的电流；
2、abc/dq变换单元，用于将icirj进行abc/dq变换，得到混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量i2fd和i2fq；
3、环流抑制电压修正量确定单元，用于根据混合型模块化多电平换流器内部换流的d轴分量和q轴分量，按下式确定d轴环流抑制电压修正量和q轴环流抑制电压修正量：
其中，ucird_ref表示d轴环流抑制电压修正量，ucirq_ref表示q轴环流抑制电压修正量，i2fd表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流分量，i2fq表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流分量，i2fd_ref表示混合型模块化多电平换流器的d轴电流参考值，i2fq_ref表示混合型模块化多电平换流器的q轴电流参考值，kp1、kp2表示比例系数，ki1、ki2表示积分系数，ω表示系统频率，larm表示桥臂电感；
4、第一dq/abc变换单元，用于将ucird_ref和ucirq_ref进行dq/abc变换，得到三相环流抑制电压修正量。
上述的调制波电压控制器包括电流参考值确定单元、电压参考值确定单元、第二dq/abc变换单元和调制波电压确定单元具体如下：
1、电流参考值确定单元，用于按下式确定外环功率控制器输出的电流参考值：
其中，id_ref表示外环功率控制器输出的d轴电流参考值，iq_ref表示外环功率控制器输出的q轴电流参考值，p表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率，q表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率，pref表示混合型模块化多电平换流器输出的有功功率参考值，qref表示混合型模块化多电平换流器输出的无功功率参考值，kp3、kp4表示比例系数，ki3、ki4表示积分系数；
2、电压参考值确定单元，用于根据id_ref和iq_ref，并按下式确定内环电流控制器输出的电压参考值：
其中，ed_ref表示内环电流控制器输出的d轴电压参考值，eq_ref表示内环电流控制器输出的q轴电压参考值，id表示外环功率控制器输出的d轴实际电流，iq表示外环功率控制器输出的q轴实际电流，kp5、kp6表示比例系数，ki5、ki6表示积分系数；
3、第二dq/abc变换单元，用于将ed_ref、eq_ref进行dq/abc变换，得到三相虚拟电动势；
4、调制波电压确定单元，用于根据δuthi、三相虚拟电动势和三相环流抑制电压修正量，并按下式确定混合型模块化多电平换流器的调制波电压：
其中，upj_ref、unj_ref表示混合型模块化多电平换流器中上、下桥臂的调制波电压，ej_ref表示三相虚拟电动势，ucirj_ref表示三相环流抑制电压修正量。
为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
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