模块化多电平变流器上下桥臂功率不平衡控制方法与流程

技术特征：

1.一种模块化多电平变流器上下桥臂功率不平衡控制方法，所述的模块化多电平变流器包括A、B、C三相，每相分为上桥臂和下桥臂，每个桥臂由N个带有光伏电池的子模块和一个电感L组成，将桥臂的第i个子模块记为SMi，i＝1，2，3···N，其中，N＞1，即所述的模块化多电平变流器每相含有2N个子模块；模块化多电平变流器系统含有连接直流电网的公共直流母线；每个子模块由一个半桥子模块、一个支撑电容CSM和一组光伏电池并联组成；每个子模块的输出电压为0V或光伏电池的电压；所述的半桥子模块结构由两个绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2和两个续流二极管D1、D2组成，绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2串联，VT1的发射极与VT2的集电极相接，续流二极管D1、D2分别反并联在各自相对应的绝缘栅双极型晶闸管VT1和VT2两端；绝缘栅双极型晶闸管VT1的集电极与支撑电容CSM和光伏电池的正极相接，绝缘栅双极型晶闸管VT2的发射极与支撑电容CSM和光伏电池的负极相接；

本控制方法包括电压和电流的采集，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，信号采集，包括：

三相交流电网的相电压uga,ugb,ugc；

三相6个桥臂电流，包括A相上桥臂电流ipa，A相下桥臂电流ina，B相上桥臂电流ipb，B相下桥臂电流inb，C相上桥臂电流ipc，C相下桥臂电流inc；

直流电网电压Udc即直流母线电压；

所有子模块电容电压也就是其所接光伏电池的输出电压，包括A相上桥臂第i个子模块电压usmapi，A相下桥臂第i个子模块电压usmani，B相上桥臂第i个子模块电压usmbpi，B相下桥臂第i个子模块电压usmbni，C相上桥臂第i个子模块电压usmcpi，C相下桥臂第i个子模块电压usmcni；

所有子模块中光伏电池的输出电流，包括A相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvapi，A相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvani，B相上桥臂第i 个子模块的光伏电池的输出电流ipvbpi，B相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvbni，C相上桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvcpi，C相下桥臂第i个子模块的光伏电池的输出电流ipvcni；

流入电网的三相电流iga,igb,igc分别由iga＝ipa-ina,igb＝ipb-inb,igc＝ipc-inc得到；三相桥臂环流idiffa,idiffb,idiffc分别由式得到；

步骤2，通过模块化多电平变流器6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令分别求出6个桥臂的平均输出功率指令并通过该6个桥臂的平均输出功率指令，求出A、B、C三相各自的子模块总平均输出功率指令和三相所有子模块的总平均输出功率值指令具体步骤如下：

步骤2.1，求6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令其过程为：

将采集到的A相上桥臂第i个子模块电压usmapi与光伏电池的输出电流ipvapi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的A相上桥臂第i个子模块电压usmapi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmapiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmapiL相乘得到子模块平均输出功率指令

将采集到的A相下桥臂第i个子模块电压usmani与光伏电池的输出电流ipvani送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的A相下桥臂第i个子模块电压usmani经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmaniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmaniL相乘得到子模块平均输出功率指令

将采集到的B相上桥臂第i个子模块电压usmbpi与光伏电池的输出电流ipvbpi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的B相上桥臂第i个子模块电压usmbpi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmbpiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmbpiL相乘得到子模块平均输出功率指令

将采集到的B相下桥臂第i个子模块电压usmbni与光伏电池的输出电流ipvbni送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的B相下桥臂第i个子模块电压usmbni经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmbniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmbniL相乘得到子模块平均输出功率指令

将采集到的C相上桥臂第i个子模块电压usmcpi与光伏电池的输出电流ipvcpi送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的C相上桥臂第i个子模块电压usmcpi经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmcpiL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmcpiL相乘得到子模块平均输出功率指令

将采集到的C相下桥臂第i个子模块电压usmcni与光伏电池的输出电流ipvcni送到其最大功率点跟踪控制器即MPPT控制器并输出子模块电压指令将采集到的C相下桥臂第i个子模块电压usmcni经过陷波器和一阶低通滤波器，得到处理后的子模块电压平均值usmcniL，与子模块电压指令的差值经PI调节器得到的值作为该子模块的参考输出电流值再与usmcniL相乘得到子模块平均输出功率指令

其计算式分别为：

A相上桥臂第i个子模块电压平均值usmapiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

A相下桥臂第i个子模块电压平均值usmaniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

B相上桥臂第i个子模块电压平均值usmbpiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

B相下桥臂第i个子模块电压平均值usmbniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

C相上桥臂第i个子模块电压平均值usmcpiL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

C相下桥臂第i个子模块电压平均值usmcniL、参考输出电流值与平均输出功率指令的计算式为：

式中的h为陷波器需要滤除的谐波次数、ωh为陷波器需要滤除的谐波角频率、Q为陷波器的品质因数、τ为一阶低通滤波器的时间常数、s为拉普拉斯算子、为对所有数值下标“h”涉及到的方程式进行求积，Kup为比例控制系数、Kui为积分控制系数；

步骤2.2，通过步骤2.1得到的6个桥臂的各子模块的平均输出功率指令分别求出6个桥臂的平均输出功率指令

步骤2.3，通过步骤2.2得到的6个桥臂的平均输出功率指令，求出A、B、C三相各自的子模块总平均输出功率指令和三相所有子模块的总平均输出功率值指令

步骤3，能量分配控制；

根据系统调配指令获取直流电网输出功率指令和三相交流电网有功输出功率指令进而获取三相交流电网有功电流id的指令值和三相桥臂零序环流idiffa0,idiffb0,idiffc0的指令值所述的三相桥臂零序环流idiffa0,idiffb0,idiffc0为三相桥臂环流idiffa,idiffb,idiffc的零序分量；

设三相交流电网电压uga,ugb,ugc,和三相交流电网电流iga,igb,igc,分别为：

式中，Um,Im分别为三相交流电网电压和电流的峰值，为三相交流电网功率因数；

设iq为无功电流，为iq的参考值，令电网有功电流id的指令值获取方式为：

三相桥臂零序环流idiffa0,idiffb0,idiffc0的指令值的获取方式为：

式中，分别为A、B、C三相桥臂从直流侧吸收的功率指令值，式中0≤α≤1，α由系统调度指令得到；

令三相功率对称，即A、B、C三相各自的子模块总平均输出功率指令相等，则三相桥臂零序环流的指令值通过下式获得：

式中，

步骤4，根据上下桥臂功率差值获取三相桥臂基频环流idiffa1,idiffb1,idiffc1的指令值所述的三相桥臂基频环流idiffa1,idiffb1,idiffc1为三相桥臂环流idiffa,idiffb,idiffc的基频分量；为使idiffa1,idiffb1,idiffc1环流幅值最小，令三相桥臂基频环流指令值的参考相位与三相交流电网相电压uga,ugb,ugc,一致，因此，三相桥臂基频环流的指令值的峰值获取方式为：

则对应步骤3所述三相交流电网相电压uga,ugb,ugc,的三相桥臂基频环流指令值为：

当为负时，表示电流方向与uga,ugb,ugc,相反；

步骤5，三相交流电网的功率控制；

步骤5.1，对步骤3中得到的三相交流电网电流iga,igb,igc,进行跟踪控制，具体的，先根据步骤1中采集得到的三相交流电网电压uga,ugb,ugc，经软件锁相环PLL得到三相交流电网电压的dq分量ugd,ugq和相角θg，然后令三相交流电网对称时Um＝ugd,ugq＝0，再将得到的iga,igb,igc经abc/dq坐标变换得到基于三相交流电网相角θg定向的三相交流电网电流iga,igb,igc的dq分量id,iq；

步骤5.2，根据步骤3得到的有功电流指令值以及系统无功指令值与id,iq作差后经PI控制方程式得到三相电感电压的dq分量，其方程式为：

上式中的Kp为比例控制系数、Ki为积分控制系数；

步骤5.3，先将步骤5.2得到的udl,uql经dq/abc坐标变换得到基于电网相角θg定向的三相交流电感电压的ual,ubl,ucl，再将三相交流电感电压ual,ubl,ucl与三相交流电网电压uga,ugb,ugc分别相加得到三相交流输出电压参考值

步骤6，桥臂环流的控制；

三相桥臂环流指令值由步骤3所述的三相桥臂零序环流指令值与步骤4所述的三相桥臂基频环流指令值组成：

所述环流指令值与步骤1所述的三相桥臂环流idiffa,idiffb,idiffc作差后经PI控制方程式得到A、B、C三相的桥臂电感电压参考值，其计算式为：

式中的Kip为比例控制系数、Kii为积分控制系数；

步骤7，根据步骤 5得到的三相交流输出电压参考值步骤6中得到的桥臂电感电压参考值和步骤1中采样得到的直流电压Udc生成6个桥臂的调制波：

先得到6个桥臂输出电压参考值，其表达式为：

然后得6个桥臂调制波，其表达式为：

6个桥臂调制波与各桥臂子模块的载波信号分别比较，得到每个子模块的PWM开关信号，在所述载波分配调制策略中采用按如下载波移相方式产生三角载波信号：

设定每相上桥臂N个子模块对应的三角载波信号依次对应CP1，CP2，CP3，…，CPN，相邻的三角载波间隔相位为1/N，每相下桥臂N个子模块对应的三角载波信号依次对应CN1，CN2，CN3，…，CNN，相邻的三角载波间隔1/N，下桥臂与上桥臂的对应相同序号的三角波信号间隔1/(2N)，所有三角载波信号的峰值均为1，幅值为0-1，变流器的三相输出电压可达2N+1电平；

各桥臂的调制波与对应桥臂子模块的三角载波信号比较，当调制波大于等于三角载波时，对应子模块的PWM信号为1，令该子模块绝缘栅双极型晶闸管VT1导通，绝缘栅双极型晶闸管VT2关闭，此时该子模块输出电压为光伏电池的电压；当调制波小于三角载波时，对应子模块的PWM信号为0，令该子模块的绝缘栅双极型晶闸管VT1关闭，绝缘栅双极型晶闸管VT2导通，此时该子模块输出电压为0。