本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种基于两电平SVPWM调制方法的模块化多电平换流器的控制简化方法。
背景技术：
相对传统的交流输电技术，直流输电技术具有输送容量大、送电距离长、线路损耗低、工程投资省、走廊利用率高、运行方式灵活等优点，从而使得特高压直流输电工程在国内得到了广泛的关注与发展。在直流输电技术中，采用绝缘栅双极型晶体管IGBT的柔性直流输电技术无须大量的无功，可以有效节约成本和空间，在输电领域有着广阔的应用前景，但是由于受到IGBT功率的限制，使得柔性直流输电工程难以实现大容量传输，在一定程度上限制了该技术的发展。随着科学技术的不断进步，提高IGBT功率是必然的趋势，柔性直流输电技术必将代替传统的直流输电技术，成为未来主要的输电方式。模块化多电平换流器作为柔性直流输电技术中最为重要的一环，是现在也必将是未来的研究重点。
空间矢量脉宽调制技术(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)凭借其开关损耗低、波形质量好、直流电压利用率高的优点，广泛地应用于电力电子变换器的控制领域，主要集中在两电平和三电平，难以应用到更高的电平，原因在于随着电平数的增加，电压矢量空间图会变得十分复杂，不易数字化现实。因此，在模块化多电平换流器(Modular multilevel converter，MMC)的控制领域关于SVPWM技术的研究也比较少。基于上述的分析，如果可以得到MMC控制领域的简化SVPWM技术，那将充分利用SVPWM技术和MMC结构的优点，广泛地应用到柔性直流输电、高压变频乃至电力电子换流器各个领域中，将是一个十分有意义的研究课题。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术的缺点，本发明提供了一种基于两电平SVPWM调制方法的模块化多电平换流器控制简化算法，该算法将模块化多电平换流器的SVPWM调制方法简化成两电平SVPWM调制方法和载波移相调制方法的组合，算法简单，通用性强，且适用于任意电平。
实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：
一种基于两电平SVPWM调制方法的模块化多电平换流器的控制简化方法，包括以下步骤：
步骤一、将模块化多电平换流器的单模块等效成串联的上桥臂三相半桥和下桥臂三相半桥；
步骤二、建立与模块化多电平换流器的SPWM控制模型等效的SVPWM控制模型；其中，SPWM控制模型包括：参考电压控制模块、能量均衡控制模块、2N个电容均压控制模块和用于输出驱动信号给模块化多电平换流器的2N个载波移相SPWM调制模块，所述SVPWM控制模型将SPWM控制模型中的载波移相SPWM调制模块替换成载波移相2D-SVPWM调制模块，载波移相2D-SVPWM调制模块包括载波移相调制模块和2D-SVPWM生成模块，载波移相2D-SVPWM调制模块的输出信号值限制到[-1,1]范围内，N为模块化多电平换流器中单模块的数量。
步骤三、将2D-SVPWM生成模块的数量简化成2个，并将各2D-SVPWM生成模块移动到能量均衡控制模块和电容均压控制模块之间，同时将电容均压控制模块的输出信号值限制到[-1,1]范围内，且将载波移相2D-SVPWM调制模块替换成载波移相SPWM调制模块；
步骤四、将2D-SVPWM生成模块的数量简化成1个，并将2D-SVPWM生成模块前移到原参考电压控制模块之后，2D-SVPWM生成模块与原参考电压控制模块共同形成新参考电压控制模块，在新参考电压控制模块中，原参考电压控制模块的输出信号取反后输出到2D-SVPWM生成模块；同时将能量均衡控制模块和电容均压控制模块的输出信号值限制到[-1,1]范围内，最终实现基于两电平SVPWM调制方法的模块化多电平换流器的控制。
优选地，所述步骤二中的参考电压控制模块包括电压外环和电流内环，参考电压控制模块的工作过程包括以下步骤：利用电压外环保证直流母线侧电容总压恒定，利用电流内环跟踪参考电流，电压外环和电流内环配合形成双环控制；所述参考电压控制模块输出两路信号，分别用于控制上桥臂三相半桥和下桥臂三相半桥，且其中一路信号取反后能量均衡控制模块进行运算，另一路信号直接与能量均衡控制模块进行运算。
优选地，所述电压外环和电压内环分别采用比例积分调节器，。
优选地，所述能量均衡控制模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器的单模块电容电压目标值与所有单模块电容电压平均值做差后经过比例积分调节器，得到桥臂环流的目标值；取上、下桥臂电流的平均值作为实际环流值；将桥臂环流的目标值与实际环流值作差后经过比例积分调节器，得到能量均衡控制模块的输出信号。
优选地，所述电容均压控制模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器单模块电容电压目标值与单模块电容电压实际值作差后经过比例调节器后，乘以比例系数，即可得到单模块电容均压控制模块的输出信号。
优选地，所述载波移相SPWM调制模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器单模块参考电压与相位相差固定角度的高频三角载波比较，产生驱动信号。
优选地，所述2D-SVPWM生成模块的工作过程包括以下步骤：将参考电压控制模块的输出电压通过空间矢量脉宽调制模块SVPWM，产生参考电压信号，参考电压信号上叠加能量均衡控制模块输出信号和电容均压控制模块输出信号，得到单模块参考电压，并与三角载波比较从而生成驱动信号。
优选地，所述步骤四中，新参考电压控制模块输出一路信号，能量均衡控制模块输出两路信号，新参考电压控制模块的输出信号直接与能量均衡控制模块的其中一路信号进行运算，能量均衡控制模块的另一路信号取反后与新参考电压控制模块的输出信号进行运算。
本发明的有益效果：
1.本发明将模块化多电平换流器的SVPWM调制方法简化成两电平SVPWM调制方法与载波移相调制方法的组合。
2.本发明可以有效提高直流电压利用率，优化输出波形的质量。
3.本发明实现过程简单，易于实现，且适用于任意电平，通用性强，可以在MMC控制领域得到广泛的应用和推广。
附图说明
图1是本发明的一种实施例中的单模块MMC的拓扑结构；
图2是传统模块化多电平换流器SPWM控制方法；
图3是本发明步骤(1)得到的模块化多电平变换器等效SVPWM控制方法；
图4是本发明步骤(2)得到的模块化多电平变换器简化SVPWM控制方法；
图5是本发明最终获得的模块化多电平变换器的简化SVPWM控制方法。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
图1是本发明一种实施例中单模块MMC的拓扑结构，图中Vpa1和Vpa2表示单模块MMC的a相上桥臂的功率器件，Vna1和Vna2表示单模块MMC的a相下桥臂的功率器件；Vpb1和Vpb2表示单模块MMC的b相上桥臂的功率器件，Vnb1和Vnb2表示单模块MMC的b相下桥臂的功率器件；Vpc1和Vpc2表示单模块MMC的c相上桥臂的功率器件，Vnc1和Vnc2表示单模块MMC的c相下桥臂的功率器件。
一种基于两电平SVPWM调制方法的模块化多电平换流器的控制简化方法，包括以下步骤：
步骤一、将模块化多电平换流器的单模块等效成串联的上桥臂三相半桥和下桥臂三相半桥；
如图1中虚线所示，当将单模块MMC的三相上桥臂的各单模块的电容正负极分别相互连接，则构成了一个上桥臂三相半桥；同理，当将三相下桥臂的各单模块电容正负极分别相互连接，亦构成了一个下桥臂三相半桥。因此，可以将单模块MMC等效看作上桥臂三相半桥和下桥臂三相半桥的串联。
步骤二、建立与模块化多电平换流器的SPWM控制模型等效的SVPWM控制模型；如图2所示，SPWM控制模型包括：参考电压控制模块、能量均衡控制模块、2N个电容均压控制模块和用于输出驱动信号给模块化多电平换流器的2N个载波移相SPWM调制模块，载波移相SPWM调制包括载波移相调制模块和SPWM调制模块；如图3所示，SVPWM控制模型将SPWM控制模型中的载波移相SPWM调制模块替换成载波移相2D-SVPWM调制模块，即采用两电平空间矢量脉宽调制方法(SVPWM)代替正弦脉宽调制方法(SPWM)，载波移相2D-SVPWM调制模块包括载波移相调制模块和2D-SVPWM生成模块，N为模块化多电平换流器中单模块的数量，单模块的电路结构如图1所示，包括上、下两个三相半桥；
结合图1中的单模块MMC对图2中的模块化多电平换流器的传统SPWM控制模型进行描述；图中Udc是直流母线电压目标值，IRef是参考电流值。该传统SPWM控制模型主要分为四个部分：参考电压控制、能量均衡控制、电压均压控制和载波移相调制。其中，参考电压控制主要用于控制期望的输出电压，包括电压外环模块和电流内环模块，电压外环模块用于保证直流母线侧电容总压恒定，电流内环模块用于跟踪参考电流，优选地，电压外环模块和电流内环模块均采用比例积分调节器，所述参考电压控制模块输出两路信号，分别用于控制上桥臂三相半桥和下桥臂三相半桥，且其中一路信号取反后能量均衡控制模块进行运算，另一路信号直接与能量均衡控制模块进行运算；能量均衡控制主要目的是为了保证模块化多电平换流器的三相桥臂平分总能量，即使得各相桥臂直流总压相同；电容均压控制主要目的是通过重新分配桥臂中单模块的能量，使得各单模块的电容电压维持恒定；而载波移相调制主要是利用各个单模块中采用不同调制手段得到的调制波(即采用2D-SVPWM生成模块产生的调制波)，与不同移相方法得到的三角载波进行比较，从而产生功率器件的开关驱动信号。进一步地，前述的移相方法为：当N为奇数时，上、下桥臂调制波的相位相差π，上、下桥臂对应单模块载波的相位相同，相邻单模块载波的相位相差2π/N；当N为偶数时，上、下桥臂调制波的相位相差π，上、下桥臂对应单模块载波的相位相差π/N，相邻单模块载波的相位相差2π/N。
如图3中所示，Uw1px表示MMC上桥臂第x个单模块的调制信号，Uw1nx表示MMC下桥臂第x个单模块的调制信号，0≤x≤N。，且模块化多电平换流器由N个单模块串联而成
步骤三、考虑到电容均压控制环节之前，上、下桥臂所有单模块的调制波分别共用各自能量均衡控制环节的输出信号，如图4所示，将2D-SVPWM生成模块的数量简化成2个，并将各2D-SVPWM生成模块移动到能量均衡控制模块和电容均压控制模块之间，同时将电容均压控制模块的输出信号值限制到[-1,1]范围内，使得能量均衡控制模块的输出信号首先分别经过各2D-SVPWM生成模块，2D-SVPWM生成模块和对应的电容均压控制模块经过运算后输出到载波移相SPWM调制模块，由图4中可见，Uw2p表示MMC上桥臂所有单模块的共用控制信号，Uw2n表示MMC下桥臂所有单模块的共用控制信号；
步骤四、考虑到能量均衡控制环节之前，上、下桥臂所有单模块的调制波共用参考电压控制环节的输出信号，如图5所示，将2D-SVPWM生成模块的数量简化成1个，并将2D-SVPWM生成模块前移到原参考电压控制模块之后，2D-SVPWM生成模块与原参考电压控制模块共同形成新参考电压控制模块，新参考电压控制模块中，原参考电压控制模块的输出信号取反后输出到2D-SVPWM生成模块；同时将能量均衡控制模块和电容均压控制模块的输出信号值限制到[-1,1]范围内，新参考电压控制模块与能量均衡控制模块的输出经过加减运算后分别与对应的电容均压控制模块的输出信号做加减运算，最后输出信号到载波移相SPWM调制模块(即生成各模块的最终调制波)，由各载波移相SPWM调制模块将前述的调制波与不同相位的三角载波进行比较，最终输出所有功率器件的开关驱动信号给模块化多电平换流器，实现基于两电平SVPWM调制方法的模块化多电平换流器的控制，图5中，Uw3n表示MMC参考电压控制环节的输出信号。所述新参考电压控制模块的输出信号直接与能量均衡控制模块的其中一路信号进行运算，能量均衡控制模块的另一路信号取反后与新参考电压控制模块的输出信号进行运算。
在本发明的一种实施例中，所述参考电压控制模块的工作过程包括以下步骤：电压外环和电流内环的双环控制，电压内环采用比例积分调节器，电流内环采用比例积分调节器。
优选地，所述能量均衡控制模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器的单模块电容电压目标值与所有单模块电容电压平均值做差后经过比例积分调节器，得到桥臂环流的目标值；取上、下桥臂电流的平均值作为实际环流值；将环流的目标值与实际环流值作差后经过比例积分调节器，得到能量均衡控制模块的输出信号。
优选地，所述电容均压控制模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器单模块电容电压目标值与单模块电容电压实际值作差后经过比例调节器后，乘以比例系数，即可得到单模块电容均压控制模块的输出信号。
优选地，所述载波移相SPWM调制模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器单模块参考电压与相位相差固定角度的高频三角载波比较，产生驱动信号。
优选地，所述2D-SVPWM生成模块的工作过程包括以下步骤：将模块化多电平换流器原参考电压控制模块的输出电压通过空间矢量脉宽调制模块，产生新参考电压信号，新参考电压信号上叠加能量均衡控制模块输出信号和电容均压控制模块输出信号，得到单模块参考电压，并与三角载波比较从而生成驱动信号。
本发明的简化算法的控制过程为：将模块化多电平换流器直流电压参考值Udc和输出电流参考值IRef，通过参考电压控制模块，得到参考电压信号；将参考电压信号取反后，通过2DSVPWM模块，得到调制后参考电压信号；在该调制参考电压信号上分别叠加能量均衡控制模块输出信号和电容均压控制模块输出信号，可得到各个单模块对应的参考电压值；该参考电压值分别与不同相位的三角载波比较，即可得到功率器件的驱动信号。相对于现有技术而言，本发明将模块化多电平换流器等效看作上桥臂三相半桥和下桥臂三相半桥的串联后，合理简化控制模型，用两电平SVPWM模块替代了三电平SVPWM模块，控制算法得以进一步简化，具有推广、应用价值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。