一种模块化多电平换流器通用svpwm调制方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，属于多电平电力电子换流器的控制技术领域。该算法将单个模块化多电平换流器等效看成一个二极管钳位型三电平换流器，这样多模块MMC的SVPWM技术就可以等效成三电平SVPWM技术和载波移相技术的组合，限制能量均衡控制模块和电容均压控制模块的输出信号在[?1,1]范围内后，合理分配功率器件的驱动信号，从而完成该算法的调制工作。本发明方法将模块化多电平换流器的SVPWM技术等效成三电平SVPWM技术和载波移相技术的组合，算法简单，直流电压利用率高，且适用于任意电平，可以在MMC控制领域得到广泛的推广和应用。
【专利说明】
一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，属于电力电子技术领域。
【背景技术】
[0002]为了构建坚强电网，加强区域电网互联，提高用户电能质量，直流输电技术得到了广泛的关注与发展。目前，直流输电技术一般采用半控型功率器件晶闸管，使得整个直流输电系统需要大量的无功，在现有的特高压直流输电工程中交流滤波器场一般占整个换流站面积的1/3，如果可以减少交流滤波器场，将极大的节约空间和成本，于是将全控型功率器件绝缘栅双极型晶体管代替晶闸管应用到直流输电工程中的柔性直流输电技术得到了发展，但目前受材料科学的限制，缘栅双极型晶体管功率难以做大，从而影响了柔性直流输电的应用，在国内全面建设常规特高压直流输出工程的同时，柔性直流输电技术还只有舟山多端柔性直流输电示范工程一个，考虑到柔性直流输电技术的众多优越性，随着材料科学的不断进步和完善，柔性直流输出技术必将代替传统常规的直流输电技术，成为电力系统主流的输电手段。
[0003]柔性直流输电技术的关键在于控制模块化多电平换流器(MMC)ο目前，研究模块化多电平换流器的文献已经较多，主要集中在电路结构、运行机理、模型推导、调制技术、控制策略、冗余配置以及故障研究等方面，关于调制技术的研究主要集中在正弦技术脉宽调制方式技术(Sinusoidal Pulse Width Modulat1n，SPWM)上，而空间矢量脉宽调制方式(Space Vector Pulse Width Modulat1n，SVPWM)的研究甚少，但考虑到SVPffM调制技术的开关损耗低、波形质量好、直流电压利用率高等诸多优点，特别是应用到柔性直流输电工程中，能够有效减少直流电压约13.4%，可靠减少串联全控型功率器件的数量，在提高系统可靠性的同时极大地节约成本，因此，研究基于模块化多电平换流器的SVPWM技术是十分有意义的。但是，目前关于模块化多电平换流器的SVPmi技术研究比较少，大多也只是将传统的多电平SVPWM技术应用到模块化多电平换流器中而已，且大部分都是基于3电平换流器进行应用研究，这样随着电平数的增加，电压空间矢量会变得十分复杂，基本难以实现，无法应用到五电平以上的领域。基于上述的分析可知，研究一种适用于任意电平的SVPffM通用调制方法应用到模块化多电平换流器将是非常有意义的。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种模块化多电平换流器通用SVPffM调制方法，解决了现有技术中SVPffM调制方法随着电平数增加算法复杂的技术问题。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提供了一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，所述模块化多电平换流器为三相电路结构，每一相电路均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括N个结构相同的子模块，所述下桥臂包括N个结构相同的子模块，每个子模块为半桥拓扑结构包括两个功率器件，其特征是，所述SVPffM调制方法包括以下步骤:
[0006]步骤I，将给定的直流母线电压目标值Udc*和参考电流值IrZ经过电压外环电流内环的双环控制模块生成参考电压控制信号；
[0007]步骤2，将参考电压控制信号取反后，经过三电平SVPWM调制模块产生两路输出信号，一路作为上桥臂的参考电压调制信号Uwp，另外一路作为下桥臂的参考电压调制信号
Uwn ；
[0008]步骤3，将给定的直流母线电压目标值Udc*经过能量均衡模块产生两路输出信号，一路加入到上桥臂的参考电压调制信号Uwp得到上桥臂的控制信号Uwpp，另一路取反后加入到下桥臂的参考电压调制信号Uwn得到下桥臂的控制信号Uwnn;
[0009]步骤4，将各子模块的电容电压目标值Uc*经过电容均压控制模块得到其输出信号，上桥臂中各子模块的输出信号分别加入到上桥臂的控制信号Uwpp，下桥臂中各子模块的输出信号取反后分别加入到下桥臂的控制信号Uwnn，得到各子模块的调制信号；
[0010]步骤5，将各子模块的调制信号采用CPS-SPffM调制方法，生成各子模块中功率器件的驱动信号。
[0011]进一步的，在所述步骤一中，电压外环电流内环的双环控制模块包括电压外环和电流内环，所述电压内环采用PI调节器，所述电流内环采用PI调节器。
[0012]进一步的，在所述步骤二中，在三电平SVP丽调制模块中将MMC模块等效看成一个二极管钳位型三电平换流器，根据输出电压相等的原则，将二极管钳位型三电平SVPffM调制算法下的Sxl驱动信号赋值给Vxnl，Sx2驱动信号赋值给Vxp2，Sx3驱动信号赋值给Vxn2，SX4驱动信号赋值给Vxpi，X取值为a、b、c三相，完成驱动信号的分配工作。
[0013]进一步的，在所述步骤三中，所述能量均衡模块具体控制过程为，将MMC子模块电容电压目标值Uc*与X相所有子模块电容电压平均值做差后经过PI调节器，得到X相参考环流的目标值;对上桥臂电流和下桥臂电流取平均值，得到实际环流值;将参考环流的目标值与实际环流值作差后经过PI调节器，乘以比例系数N/Ud。，得到能量均衡控制环节的输出信号，其中X取值为a、b、c三相，Udc是直流母线电压实际值。
[0014]进一步的，在所述步骤四中，电容均压控制模块具体控制过程为，将MMC子模块电容电压目标值Uc*与子模块电容电压实际值作差后经过比例P调节器，再乘以正负号取值±1和比例系数N/Udc，得到子模块电容均压控制环节的输出信号;其中正负号取值，当子模块为上桥臂中子模块时，取值为+1，当子模块为下桥臂中子模块时，取值为-1。
[0015]进一步的，在所述步骤五中，CPS-SPmi调制方法为:当N为奇数时，上、下桥臂调制波的相位相差π，上、下桥臂对应子模块载波的相位相同，相邻子模块载波的相位相差2π/Ν;当N为偶数时，上、下桥臂调制波的相位相差H，上、下桥臂对应子模块载波的相位相差π/Ν，相邻子模块载波的相位相差2π/Ν。
[0016]与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是:本发明方法将模块化多电平换流器的SVPmi技术等效成三电平SVPmi技术和载波移相技术的组合，算法简单，直流电压利用率高，且适用于任意电平，可以在MMC控制领域得到广泛的推广和应用。本发明可以提高直流电压的利用率，减少功率器件的数量，在提高系统可靠性的同时极大地节约成本。
【附图说明】
[0017]图1是本发明模块化多电平变换器通用SVPffM调制方法的原理图。
[0018]图2是本发明电压外环电流内环的双环控制模块原理图。
[0019]图3是本发明单模块MMC的拓扑电路图。
[0020]图4是本发明二极管钳位型三电平换流器的电路图。
[0021 ]图5是本发明能量均衡控制模块的控制原理图。
[0022]图6是本发明电容均压控制模块的控制原理图。
【具体实施方式】
[0023]下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0024]现有技术中模块化多电平换流器(MMC)的每相单元由一系列子模块(submoduI e，SM)级联而成。每个SM都具有I个独立的直流源，通过SM开关器件开通或关断来控制SM输出电平，从而合成期望的输出电压。
[0025]如图1所示，本发明的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，所述模块化多电平换流器为三相电路结构，每一相电路均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括N个结构相同的子模块，所述下桥臂包括N个结构相同的子模块，每个子模块为半桥拓扑结构包括两个功率器件，其特征是，所述SVPffM调制方法包括以下步骤:
[0026]步骤I，将给定的直流母线电压目标值Udc*和参考电流值IrZ经过电压外环电流内环的双环控制模块生成参考电压控制信号。
[0027]电压外环电流内环的双环控制模块原理如图2所示，每一相的控制原理相同，以单相的控制流程来详细说明，图中X取值为a、b、c三相。图中Udc*是直流母线电压目标值，Ud。是直流母线电压实际值，Iref/是X相的参考电流值，Icx是丽C的X相输出电流，Usx是电源电压，Urefx是X相的参考电压控制信号。双环控制主要包括电压外环和电流内环，电压外环主要作用是实现直流电压的稳定，同时输出作为电流内环的电流指令，电流内环主要作用是跟踪指令电流，产生所期望输出的电流。其中电压外环是将直流母线电压目标值Udc*与实际值Ud。作差后经过PI调节器，乘以电源电压相位后得到调节直流电压的有功信号，此有功信号保持直流母线电压的稳定，作为电流内环的指令电流；电流内环是将参考电流目标值Irrf/与实际反馈值Icx作差后经过PI调节器，取反后加上电源电压USX，从而生成参考电压控制信号
Urefx ο
[0028]步骤2，将参考电压控制信号取反后，经过三电平SVPWM调制模块产生两路输出信号，一路作为上桥臂的参考电压调制信号Uwp，另外一路作为下桥臂的参考电压调制信号
Uwn ο
[0029]单模块MMC的拓扑结构如图3所示，图中Vapl和Vap2表示单模块MMC模块的a相上桥臂的功率器件，Vanl和Van2表示单模块MMC模块的a相下桥臂的功率器件;VbpJPVbp2表示单模块丽C模块的b相上桥臂的功率器件，Vbn^Vbn2表示单模块匪C模块的b相下桥臂的功率器件；Vct^PVcp2表示单模块MMC模块的c相上桥臂的功率器件，Vcr^PVcn2表示单模块MMC模块的c相下桥臂的功率器件。
[0030]在三电平SVPWM调制模块中将单模块MMC模块等效看成一个二极管钳位型三电平换流器，该算法将单模块MMC等效看成一个二极管钳位型三电平换流器，这样多模块MMC的SVPffM技术就可以等效成三电平SVPffM技术和载波移相技术的组合，其工作原理与现有技术中SPffM技术和载波移相技术相结合的工作原理是相似的。
[0031]二极管钳位型三电平换流器的电路图如图4所示，以跨接在每相桥臂上的两个串联的二极管钳位。图中Sal、Sa2、Sa3和Sa4分别为二极管钳位型三电平换流器a相从上至下四个功率器件;Sbl、Sb2、Sb3和Sb4分别为二极管钳位型三电平换流器b相从上至下四个功率器件；Scl、Sc2、Sc3和Sc4分别为二极管钳位型三电平换流器c相从上至下四个功率器件。三电平SVPffM调制方法属于现有技术在此不再赘述，最终获得对应每相每个功率器件的驱动信号，分别为Sx1、Sx2、Sx2和Sx2驱动信号，X取值为a、b、c三相。
[0032]以单模块MMC为例，当Vxp2和Vxn^通时，X相输出电压为Udc/2;当Vxpl和Vxn^Vxp2和Vm2导通时，X相输出电压为O;当Vxpl和Vxn2导通时，X相输出电压为-Udc/2。针对二极管钳位型三电平换流器而言，当Sxl和Sx2导通时，X相输出电压为Udc/2;当Sx2和Sx3导通时，X相输出电压为O;当Sx3和Sx4导通时，X相输出电压为-Udc/2。根据输出电压相等的原则，将二极管钳位型三电平SVPffM调制算法下的Sxl驱动信号赋值给Vxnl，Sx2驱动信号赋值给Vxp2，Sx3驱动信号赋值给Vm2，Sx4驱动信号赋值给Vxpl，x取值为a、b、c三相，从而完成驱动信号的分配工作。
[0033]步骤3，将给定的直流母线电压目标值Udc*经过能量均衡模块产生两路输出信号，一路加入到上桥臂的参考电压调制信号Uwp得到上桥臂的控制信号Uwpp，另一路取反后加入到下桥臂的参考电压调制信号Uwn得到下桥臂的控制信号Uwnn。
[0034]能量均衡模块的控制原理如图5所示，每一相的控制原理相同，以单相的控制流程来详细说明，图中X取值为a、b、C三相。图中Uc*是MMC的子模块电容电压目标值，Ucavx是MMC的X相所有子模块电容电压平均值，iPX是X相上桥臂电流，inx是X相下桥臂电流，Vi^x相能量均衡控制环节的输出信号。将MMC子模块电容电压目标值Uc*与X相所有子模块电容电压平均值Ucavx做差后经过PI调节器，得到X相参考环流的目标值izlx%对上桥臂电流ipx和下桥臂电流inx取平均值，得到实际环流值izx;将参考环流的目标值izl/与实际环流值izx作差后经过PI调节器，乘以比例系数N/Ud。，得到能量均衡控制环节的输出信号Vlx，其中N是指单相每个桥臂的子模块数，比例系数N/Ud。以限制该输出信号在[-1，I]范围之内。得到的输出信号一路加入到上桥臂的参考电压调制信号Uwp得到上桥臂的控制信号Uwpp，另一路取反后加入到下桥臂的参考电压调制信号Uwn得到下桥臂的控制信号Uwnn。
[0035]步骤4，将各子模块的电容电压目标值Uc*经过电容均压控制模块得到其输出信号，上桥臂中各子模块的输出信号分别加入到上桥臂的控制信号Uwpp，下桥臂中各子模块的输出信号取反后分别加入到下桥臂的控制信号Uwnn，得到各子模块的调制信号。
[0036]电容均压控制模块的控制原理如图6所示，单相中上桥臂和下桥臂的各子模块的控制原理相同，以单相中一个子模块的控制流程来详细说明，图中X取值为a、b、c三相，i取值为1、2、……N子模块。图中Ucxi是MMC的X相第i个模块的电容电压实际值，V2xi是X相第i个模块电容均压控制环节的输出信号。将MMC子模块电容电压目标值Uc*与子模块电容电压实际值Ucx^差后经过比例P调节器，再乘以正负号取值±1和比例系数N/Ud。，得到子模块电容均压控制环节的输出信号V2xl，该输出信号在[-1，I]范围之内。其中正负号取值，当子模块为上桥臂中子模块时，依据上桥臂电流iPX方向取值为+1，当子模块为下桥臂中子模块时，依据下桥臂电流inx方向取值为-1。上桥臂中各子模块的输出信号分别加入到上桥臂的控制信号Uwpp，下桥臂中各子模块的输出信号取反后加入到下桥臂的控制信号Uwnn，从而得到各子模块最终的调制信号。如图1中所示，Uwppl是上桥臂第I个模块的最终调制信号;Uwnnl是下桥臂第I个模块的最终调制信号，UwppN是上桥臂第N个模块的最终调制信号;UwnnN是下桥臂第N个模块的最终调制信号。
[0037]步骤5，将各子模块的调制信号采用CPS-SPffM调制方法，生成各子模块中功率器件的驱动信号。
[0038]CPS-SPWM(载波移相正弦脉宽调制)技术为对于每个桥臂中的N个子模块，均采用较低开关频率的SPWM，使它们对应的三角载波依次移开1/N三角载波周期，S卩2JT/N相位角，然后与同一条正弦调制波进行比较，产生出N组PffM调制波信号，分别驱动N个子模块中功率器件，决定它们是投入或是切除。本申请中具体采用的CPS-SPffM调制方法为:当N为奇数时，上、下桥臂调制波的相位相差η，上、下桥臂对应子模块载波的相位相同，相邻子模块载波的相位相差2VN;当N为偶数时，上、下桥臂调制波的相位相差H，上、下桥臂对应子模块载波的相位相差VN，相邻子模块载波的相位相差2VN。如图1中所示，Uwppl是经CPS-SPffM调制后输出上桥臂第I个模块的驱动信号SMi; Uwnnl是经CPS-SPmi调制后输出下桥臂第I个模块的驱动信号SMl，Uwppn是经CPS-SPffM调制后输出上桥臂第N个模块的驱动信号SMN； UwnnN是经CPS-SPffM调制后输出下桥臂第N个模块的驱动信号SMN。
[0039]本发明将三电平SVPffM生成模块放到参考电压控制模块之后，使得所有MMC模块共用该调制信号，不会随着模块数量的增加而增加，进而完成了SVPWM调制；同时采用载波移相技术实现任意模块的移相，从而实现多电平电压的输出。因此，本发明采用一个三电平SVPffM模块与载波移相技术即可实现任意电平的SVPffM技术。
[0040]本发明提供的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，该方法将模块化多电平换流器的SVPWM技术等效成三电平SVPffM技术和载波移相技术的组合，算法简单，直流电压利用率高，且适用于任意电平，可以在MMC控制领域得到广泛的推广和应用。
[0041]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种模块化多电平换流器通用SVPmi调制方法，所述模块化多电平换流器为三相电路结构，每一相电路均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括N个结构相同的子模块，所述下桥臂包括N个结构相同的子模块，每个子模块为半桥拓扑结构包括两个功率器件，其特征是，所述SVPffM调制方法包括以下步骤: 步骤I，将给定的直流母线电压目标值Udc*和参考电流值IrZ经过电压外环电流内环的双环控制模块生成参考电压控制信号； 步骤2，将参考电压控制信号取反后，经过三电平SVP丽调制模块产生两路输出信号，一路作为上桥臂的参考电压调制信号UWP，另外一路作为下桥臂的参考电压调制信号Uwn; 步骤3，将给定的直流母线电压目标值Udc*经过能量均衡模块产生两路输出信号，一路加入到上桥臂的参考电压调制信号Uwp得到上桥臂的控制信号Uwpp，另一路取反后加入到下桥臂的参考电压调制信号Uwn得到下桥臂的控制信号Uwnn; 步骤4，将各子模块的电容电压目标值Uc*经过电容均压控制模块得到其输出信号，上桥臂中各子模块的输出信号分别加入到上桥臂的控制信号Uwpp，下桥臂中各子模块的输出信号取反后分别加入到下桥臂的控制信号Uwnn,得到各子模块的调制信号； 步骤5，将各子模块的调制信号采用CPS-SPWM调制方法，生成各子模块中功率器件的驱动信号。2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，其特征是，在所述步骤一中，电压外环电流内环的双环控制模块包括电压外环和电流内环，所述电压内环采用PI调节器，所述电流内环采用PI调节器。3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，其特征是，在所述步骤二中，在三电平SVPffM调制模块中将MMC模块等效看成一个二极管钳位型三电平换流器，根据输出电压相等的原则，将二极管钳位型三电平SVPffM调制算法下的Sxl驱动信号赋值给Vxnl，Sx2驱动信号赋值给Vxp2，Sx3驱动信号赋值给Vxn2，SX4驱动信号赋值给Vxpl，X取值为a、b、c三相，完成驱动信号的分配工作。4.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，其特征是，在所述步骤三中，所述能量均衡模块具体控制过程为，将MMC子模块电容电压目标值Uc*与X相所有子模块电容电压平均值做差后经过PI调节器，得到X相参考环流的目标值;对上桥臂电流和下桥臂电流取平均值，得到实际环流值;将参考环流的目标值与实际环流值作差后经过PI调节器，乘以比例系数N/Udc，得到能量均衡控制环节的输出信号，其中X取值为a、b、c三相，Udc是直流母线电压实际值。5.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，其特征是，在所述步骤四中，电容均压控制模块具体控制过程为，将MMC子模块电容电压目标值Uc*与子模块电容电压实际值作差后经过比例P调节器，再乘以正负号取值±1和比例系数N/Udc，得到子模块电容均压控制环节的输出信号;其中正负号取值，当子模块为上桥臂中子模块时，取值为+1，当子模块为下桥臂中子模块时，取值为-1 ;Ud。是直流母线电压实际值。6.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器通用SVPWM调制方法，其特征是，在所述步骤五中，CPS-SPmi调制方法为:当N为奇数时，上、下桥臂调制波的相位相差31，上、下桥臂对应子模块载波的相位相同，相邻子模块载波的相位相差2VN;当N为偶数时，上、下桥臂调制波的相位相差^上、下桥臂对应子模块载波的相位相差VN，相邻子模块载波的相位 相差2jt/N。
【文档编号】H02M7/5387GK106026733SQ201610545846
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月12日
【发明人】田涛, 谭风雷, 张兆君, 陈昊, 刘丹, 刘一丹, 朱超, 邓凯
【申请人】国网江苏省电力公司检修分公司, 国网江苏省电力公司, 国家电网公司