基于峰值预测的模块化多电平换流器桥臂间电压平衡方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法，属于电力电子装置控制【技术领域】。该方法包括通过采集换流器当前运行工况的数据来计算连接电抗阀侧的等效电压和桥臂电压出现最大值时的相位，并预测各桥臂电压波动的最大值，再根据预测的最大值分别计算出相间平衡电流和各相上下桥臂平衡电流的有效值；之后根据阀侧等效电压的基波相位和提出的公式对相间平衡电流和各相上下桥臂平衡电流进行坐标变换，得到形式为换流器内部环流的平衡电流瞬时值指令。本发明的方法可以提升桥臂电压平衡控制器的响应速度，同时可以实现对波动峰值的直接控制、能更好的防止电容过压；同时对换流器的外特性不会产生影响。
【专利说明】基于峰值预测的模块化多电平换流器桥臂间电压平衡方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子装置控制【技术领域】，特别涉及一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法。
【背景技术】
[0002]模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，是柔性直流输电领域的一种最有应用潜质的电压源换流器拓扑结构。
[0003]模块化多电平换流器的主要电路如图1所示。这种换流器由六个桥臂组成，每个桥臂包含一个桥臂电感Lanil和一组子模块，如图中虚线框所示。桥臂中的每一个子模块内都有一个电容和数个电力电子开关，这一电容在换流器运行过程中通过控制保持一个较稳定的直流电压；同时通过电力电子开关可以改变电容的连接形式，从而在子模块端口上输出O电压或者电容电压；再通过一个桥臂中多个子模块的组合，即可合成所需的输出电压。记换流器三相交流端口的电压瞬时值为va、vb, vc,三相交流端口的电流瞬时值为ia、ib、ic,直流端口的电压瞬时值为vd。，换流器内部环流的A相、B相分量瞬时值分别为iac^、ib&(内部环流之和为0，故C相分量为-1ac^-1b&，不独立，不单独列出)，六个桥臂中各电容电压之和的瞬时值为
Vaucap、Valcap、Vbucap、Vblcap、Vcucap、Vclcap0
[0004]当模块化多电平换流器处于稳态时，该换流器各个桥臂的电容电压之和(以下简称桥臂电 压)均存在基频的整数倍频率的波动，同时各桥臂电压的直流分量应当是相等的；但在输出跳变或者不对称故障等扰动的影响下，各桥臂电压的直流分量也会出现不一致，此时就需要恢复各桥臂电压的平衡。这一平衡恢复过程通常是由环流电流实现的。目前对于环流电流的控制主要有两类方案，一类是不主动生成环流，而是依赖桥臂电容电压波动产生的环流，同时可以选择抑制其中不需要的分量；一类是主动按照桥臂电压不平衡的状况来生成环流进行平衡。第一类方法的主要问题是桥臂电压的重新平衡的动态过程是不可控的，有出现过流或过压的可能。而目前提出的一些第二类方法大多是基于周期平均和各相独立控制的方案，周期平均(或其它滤波方法)可以消除电容电压的正常基频波动对平衡电流计算的干扰，但会导致平衡控制器响应速度的减慢；同时各相独立控制可能导致最终生成的三相的平衡电流指令之和不为0，导致用于平衡的电流分量流出换流器，使得换流器的外特性受到平衡过程的影响。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法，本发明可以提升平衡控制器的响应速度，同时可以实现对波动峰值的直接控制、能更好的防止电容过压；同时对换流器的外特性不会产生影响。
[0006]本发明提出的一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法，其特征在于，该方法循环执行I)~5)的步骤:[0007]I)采集和获取控制所需要的数据，包括:
[0008]1-1)采集换流器交流端口三相电压瞬时值va、vb, V。、直流端口电压vd。、桥臂电压
Vaucap Λ ^alcap Λ ^bucap Λ ^blcapΛ ^cucapΛ ^clcap ?
[0009]1-2)从锁相环获取当前d轴位置wt ；
[0010]1-3)从交流端口控制器获取d轴电流和q轴电流参考值id p iq_r ；
[0011]1-4)获取换流器桥臂等效电容和换流器等效连接电抗)，满足公式(1)，其中Csbffl为子模块电容，N为每桥臂子模块数，Larm为桥臂电感，f为交流系统频率(公式(I)适用于常规的半桥子模块型模块化多电平换流器，对于其它的一些变体拓扑结构，可按相关结构的等效电容和等效连接电抗公式进行计算)；
[0012]Ceq = Csbffl/N
[0013](I)
[0014]Xeq = ^fLarm
[0015]2)计算连接电抗阀侧等效三相电压的幅值和相位:
[0016]2-1)对步骤I)中采集的三相电压瞬时值va、Vb> Vc进行dq变换得到vd、Vq ；
[0017]2-2)按照公式(2)计算连接电抗阀侧等效d轴电压Vdl和q轴电压Vql ；
[0018]Vdl = Vd+X^jVr
[0019](2)
[0020]vql = vq-Xeqid_r
[0021]2-3)对Vdl和Vql进行dq反变换得到连接电抗阀侧等效三相电压瞬时值val、vbl、
Vcl ；
[0022]2-4)对一个工频周期内的\1、\1、'1形成的序列进行傅里叶变换得到阀侧等效三相电压的幅值 umaga、umagb、umag。和相位 0ua、0ub、euc；
[0023]3)计算各桥臂电压出现最大值时的相位:
[0024]3-1)按照公式(3)计算三相电流当前相位Θ ia、Θ ib、Θ ic和交流电流幅值Iaep，其中arctan2为四象限反正切函数；
[0025]
Oia = arctan 2(if rJd r) + wt
Hf霞
4=4+120°
I if....1 f:
^acp ~ ^Ir
[0026]3-2)按照公式⑷计算各相的稳态直流电流分量Idc;a、Idcb> Idcc ；
r U 咖Jm,,CO 紙-Θ.)
I,——-------------------------------------------------------------------------------------
細η ,
[0027]Iikh = —⑷
2νΛ
,—UniugtJ卿cm(ek-ej
dcc/%
2'k
[0028]3-3)按照公式(5)计算各桥臂电流的过零点相位Θ czp i, i = I~6 ;其中下标I~6分别表示A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂、A相下桥臂、B相下桥臂、C相下桥臂，后续的类似下标的意义相同；
[0029]
【权利要求】
1.一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法，其特征在于，该方法循环执行I)~5)的步骤: 1)采集和获取控制所需要的数据，包括: 1-1)采集换流器交流端口三相电压瞬时值va、vb、v。、直流端口电压vd。、桥臂电压vauc;ap、Valcap Λ ^bucap Λ ^blcap Λ ^cucapΛ ^clcap ? 1-2)从锁相环获取当前d轴位置wt ； 1-3)从交流端口控制器获取d轴电流和q轴电流参考值id P iq_r ； 1-4)获取换流器桥臂等效电容和换流器等效连接电抗Xrai，满足公式(1)，其中Csbm为子模块电容，N为每桥臂子模块数，Larm为桥臂电感，f为交流系统频率； 2)计算连接电抗阀侧等效三相电压的幅值和相位: 2-1)对步骤I)中采集的三相电压瞬时值va、vb>vc进行dq变换得到vd、Vq ； 2-2)按照公式⑵计算连接电抗阀侧等效d轴电压Vdl和q轴电压Vql ；
2-3)对vdl和vql进行dq反变换得到连接电抗阀侧等效三相电压瞬时值val、vbl、vcl ； 2-4)对一个工频周期内的Val、Vbl、Vc;1形成的序列进行傅里叶变换得到阀侧等效三相电压的幅值 Umaga、Umagb, Umagc 和相位 Θ ua、Θ ub、Θ uc ； 3)计算各桥臂电压出现最大值时的相位: 3-1)按照公式(3)计算三相电流当前相位0ia、0ib、Qi。和交流电流幅值，其中arctan2为四象限反正切函数；
【文档编号】H02M1/32GK103973088SQ201410220000
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月22日 优先权日:2014年5月22日
【发明者】杨文博, 许树楷, 宋强, 朱喆, 刘文华, 黎小林, 饶宏 申请人:中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心, 清华大学