基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法与流程

本发明涉及一种模块化多电平换流器环流抑制方法，属于电力电子技术领域。

背景技术：

模块化多电平换流器是一种采用模块化结构的、易于拓展且输出波形质量高的换流器，目前被广泛地应用于中高压场合。由于模块化多电平换流器具有三相直流侧并联的结构特点，在模块化多电平换流器正常运行的过程中，其子模块的电容电压均存在波动，使得模块化多电平换流器的相间存在二倍频的环流成分。该环流成分会导致模块化多电平换流器的损耗增大、运行效率降低以及开关器件使用寿命缩短，甚至会影响模块化多电平换流器的暂态稳定性。基于以上背景，模块化多电平换流器的环流抑制一直以来都是模块化多电平换流器控制领域的研究热点。

现有模块化多电平换流器的环流抑制方法主要包括以下三种：

1、授权公告号为cn101854061b的中国发明专利公开了一种三相模块化多电平换流器环流抑制方法，该环流抑制方法将二倍频负序坐标变换后的环流输入比例积分控制器，并将得到的环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制波中，以抑制环流。

2、s.li等人在文章"circulatingcurrentsuppressingstrategyformmc-hvdcbasedonnonidealproportionalresonantcontrollersunderunbalancedgridconditions."(ieeetransactionsonpowerelectronics,2015,30,(1):387-397)中提出：先采用比例谐振控制器提取环流抑制信号，再将该环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制波中，以抑制环流。

3、l.he等人在文章"arepetitivecontrolschemeforharmonicsuppressionofcirculatingcurrentinmodularmultilevelconverters,"(ieeetransactionsonpowerelectronics,2015,30,(1):471-481,)中提出：先采用重复控制器提取环流抑制信号，再将该环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制波中，以抑制环流。

以上三种模块化多电平换流器的环流抑制方法均通过采用控制器得到环流抑制信号，并将环流抑制信号叠加到上、下桥臂的调制信号中的方式来抑制环流。然而，这类基于耦合原理的模块化多电平换流器环流抑制方法会导致原本对称的上、下桥臂调制信号变得不对称，进而影响模块化多电平换流器交流侧输出波形的对称性，降低交流侧输出电压波形质量。

技术实现要素：

本发明为解决现有基于耦合原理的模块化多电平换流器环流抑制方法会影响换流器交流侧输出电压波形质量的问题，提出了一种基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法。

本发明所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法用于对三相模块化多电平换流器的相间二倍频环流进行抑制，所述模块化多电平换流器环流抑制方法将三相模块化多电平换流器的每一相作为目标对象，该方法包括：

步骤一、提取二倍频环流抑制信号ucir_j，其中，j代表任意一相；

步骤二、根据二倍频环流抑制信号ucir_j确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j；

步骤三、根据上、下桥臂调制信号确定用于满足交流侧电压输出需要的上桥臂投入子模块个数nup_j和下桥臂投入子模块个数nlw_j；

步骤四、根据上、下桥臂动作子模块个数ncir_j、上桥臂投入子模块个数nup_j和下桥臂投入子模块个数nlw_j确定上桥臂最终投入子模块个数nfinal_up_j和下桥臂最终投入子模块个数nfinal_lw_j；

步骤五、基于上桥臂最终投入子模块个数nfinal_up_j和下桥臂最终投入子模块个数nfinal_lw_j，确定上桥臂最终投入子模块和下桥臂最终投入子模块。

作为优选的是，步骤一包括：

步骤一一、通过电流传感器采集上桥臂电流iup_j和下桥臂电流ilw_j；

步骤一二、根据公式(1)确定环流真实值icir_j：

步骤一三、将环流真实值icir_j与环流给定值i^*cir_j的差值输入环流抑制控制器，得到二倍频环流抑制信号ucir_j。

作为优选的是，步骤二通过对二倍频环流抑制信号ucir_j进行独立调制的方式确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j；

所述独立调制的具体方式为：将二倍频环流抑制信号ucir_j与载波层叠的三角载波进行比较，进而确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j；

载波层叠的三角载波幅值等于所述模块化多电平换流器的子模块电容电压。

作为优选的是，步骤三通过对上、下桥臂调制信号进行解调的方式确定用于满足交流侧电压输出需要的上桥臂投入子模块个数nup_j和下桥臂投入子模块个数nlw_j。

作为优选的是，步骤四根据公式(2)确定上桥臂最终投入子模块个数nfinal_up_j：

nfinal_up_j＝nup_j+ncir_j(2)

根据公式(3)确定下桥臂最终投入子模块个数nfinal_lw_j：

nfinal_lw_j＝nlw_j+ncir_j(3)。

作为优选的是，步骤五包括：

步骤五一、通过电压传感器采集目标桥臂的所有子模块的电容电压，并根据电容电压对所有子模块进行排序；

步骤五二、根据目标桥臂的电流方向与子模块排序结果选择目标桥臂最终投入的子模块：当目标桥臂的电流为正时，选择电容电压较低的目标个数的子模块作为最终投入子模块；当目标桥臂的电路为负时，选择电容电压较高的目标个数的子模块作为最终投入子模块。

本发明所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法，将三相模块化多电平换流器的每一相作为目标对象，根据环流抑制信号确定用于抑制环流的上、下桥臂投入或者切除的子模块个数，根据上、下桥臂调制信号确定用于满足交流侧电压输出需要的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数，将用于抑制环流的上、下桥臂投入或者切除的子模块个数同步叠加到用于满足交流侧电压输出需要的上桥臂投入子模块个数和下桥臂投入子模块个数中，以实现环流抑制与交流侧输出的解耦，使得环流被抑制的同时不影响交流侧的输出波形。本发明所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法灵活且可适用性广，可以和各种调制方式相互结合得到最佳的交流侧输出波形。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法进行更详细的描述，其中：

图1为实施例提及的三相模块化多电平换流器的电路原理图；

图2为实施例提及的三相模块化多电平换流器的子模块的电路原理图；

图3为实施例所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法的流程框图；

图4为实施例提及的确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j的原理示意图；

图5为实施例提及的未叠加环流抑制信号的上、下桥臂调制信号和叠加有环流抑制信号的上、下桥臂调制信号的波形图；

图6为实施例提及的在改进的最近电平逼近调制下且无环流抑制时的a相环流的波形图；

图7为实施例提及的在改进的最近电平逼近调制下且无环流抑制时的交流侧输出电压的波形图；

图8为实施例提及的在改进的最近电平逼近调制下且将环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制信号中的环流抑制方案下的a相环流波形图；

图9为实施例提及的在改进的最近电平逼近调制下且将环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制信号中的环流抑制方案下的交流侧输出电压的波形图；

图10为实施例提及的在改进的最近电平逼近调制下且本发明的环流抑制方案下的a相环流波形图；

图11为实施例提及的在改进的最近电平逼近调制下且本发明的环流抑制方案下的交流侧输出电压的波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法作进一步说明。

实施例：下面结合图1至图11详细地说明本实施例。

本实施例所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法用于对三相模块化多电平换流器的相间二倍频环流进行抑制，所述模块化多电平换流器环流抑制方法将三相模块化多电平换流器的每一相作为目标对象，该方法包括：

步骤一、提取二倍频环流抑制信号ucir_j，其中，j代表任意一相；

步骤二、根据二倍频环流抑制信号ucir_j确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j；

步骤三、根据上、下桥臂调制信号确定用于满足交流侧电压输出需要的上桥臂投入子模块个数nup_j和下桥臂投入子模块个数nlw_j；

步骤四、根据上、下桥臂动作子模块个数ncir_j、上桥臂投入子模块个数nup_j和下桥臂投入子模块个数nlw_j确定上桥臂最终投入子模块个数nfinal_up_j和下桥臂最终投入子模块个数nfinal_lw_j；

步骤五、基于上桥臂最终投入子模块个数nfinal_up_j和下桥臂最终投入子模块个数nfinal_lw_j，确定上桥臂最终投入子模块和下桥臂最终投入子模块。

本实施例的步骤一包括：

步骤一一、通过电流传感器采集上桥臂电流iup_j和下桥臂电流ilw_j；

步骤一二、根据公式(1)确定环流真实值icir_j：

步骤一三、将环流真实值icir_j与环流给定值i^*cir_j的差值输入环流抑制控制器，得到二倍频环流抑制信号ucir_j。

本实施例的步骤二通过对二倍频环流抑制信号ucir_j进行独立调制的方式确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j；

所述独立调制的具体方式为：将二倍频环流抑制信号ucir_j与载波层叠的三角载波进行比较，进而确定用于抑制环流的上、下桥臂动作子模块个数ncir_j；

载波层叠的三角载波幅值等于所述模块化多电平换流器的子模块电容电压。

本实施例的步骤三通过对上、下桥臂调制信号进行解调的方式确定用于满足交流侧电压输出需要的上桥臂投入子模块个数nup_j和下桥臂投入子模块个数nlw_j。

本实施例的步骤四根据公式(2)确定上桥臂最终投入子模块个数nfinal_up_j：

nfinal_up_j＝nup_j+ncir_j(2)

根据公式(3)确定下桥臂最终投入子模块个数nfinal_lw_j：

nfinal_lw_j＝nlw_j+ncir_j(3)。

本实施例的步骤五包括：

步骤五一、通过电压传感器采集目标桥臂的所有子模块的电容电压，并根据电容电压对所有子模块进行排序；

步骤五二、根据目标桥臂的电流方向与子模块排序结果选择目标桥臂最终投入的子模块：当目标桥臂的电流为正时，选择电容电压较低的目标个数的子模块作为最终投入子模块；当目标桥臂的电路为负时，选择电容电压较高的目标个数的子模块作为最终投入子模块。

图1为三相模块化多电平换流器的电路原理图，所述三相模块化多电平换流器的每相均分为上、下桥臂，udc为直流侧电压，sm为子模块，ulw_j和uup_j分别为任意相的下桥臂电压和上桥臂电压。图2为三相模块化多电平换流器的子模块的电路原理图，子模块为半桥结构，t1和t2均为功率开关器件，usm为子模块电容电压。

三相模块化多电平换流器的直接可控输出电压如公式(4)所示：

式中，uj(j代表三相中的任意相)为三相模块化多电平换流器交流侧控制输出电压；

当上、下桥臂同时投入或切除相同数目的子模块时，根据公式(5)：

可知三相模块化多电平换流器交流侧输出的电压不变。

图5为未叠加环流抑制信号的上、下桥臂调制信号和叠加有环流抑制信号的上、下桥臂调制信号的波形图。如图5所示，实线为未叠加环流抑制信号的上、下桥臂调制信号的波形，此时上、下桥臂调制信号对称。虚线为叠加有环流抑制信号的上、下桥臂调制信号的波形，此时上、下桥臂调制信号不再对称。

图6为在改进的最近电平逼近调制下且无环流抑制时的a相环流的波形图，图7为在改进的最近电平逼近调制下且无环流抑制时的交流侧输出电压的波形图。如图6和图7所示，环流为二倍频环流，环流的二倍频波动部分就是所需要抑制的部分。

图8为在改进的最近电平逼近调制下且将环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制信号中的环流抑制方案下的a相环流波形图，图9为在改进的最近电平逼近调制下且将环流抑制信号叠加到上、下桥臂调制信号中的环流抑制方案下的交流侧输出电压的波形图。如图8和图9所示，在上、下桥臂调制信号中叠加有环流抑制信号时，二倍频环流虽然被抑制，但是交流电压质量明显下降，uj的总谐波失真(thd)较大。

图10为在改进的最近电平逼近调制下且本发明的环流抑制方案下的a相环流波形图，图11为在改进的最近电平逼近调制下且本发明的环流抑制方案下的交流侧输出电压的波形图。如图10和图11所示，二倍频环流被很好抑制，且交流侧输出电压uj依旧拥有良好波形质量。这说明本实施例所述的基于解耦原理的模块化多电平换流器环流抑制方法将环流抑制与交流侧输出相解耦，在保证交流侧输出电压波形质量的情况下，具有良好的环流抑制效果。

虽然在本文中参照了特定的实施方法来描述本发明，但应该理解的是，这些实施例仅是本发明的原理和应用示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他布置，只要不偏离所附权利要求限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方法来结合不同的从属权利要求和本文中所述特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。