一种适用于高电平模块化多电平换流器的定量控制igbt平均开关频率的闭环控制策略的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于输配电技术领域，尤其设及一种适用于高电平模块化多电平换流器的 定量控制IGBT平均开关频率的闭环控制策略。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器高压直流输电（modular multilevel converter based HVDC，MMC-HVDC)是电压源换流器高压直流输电VSC-HVDC在多电平领域的重要分支。具有 有功功率和无功功率独立控制、输出电压电平数多（谐波含量低）、模块化设计、冗余控制、 开关频率低和可向无源网络供电等优点。除此之外，MMC开关损耗低，故障穿越能力强，更 适用于柔性直流输电领域，因此在大规模风电并网、城市配网增容、电力交易W及电网互联 等方面都有着广阔的应用前景。
[0003] 与两电平或S电平电压源换流器高压直流输电VSC-HVDC相比，模块化多电平换 流器高压直流输电MMC-HVDC有W下主要优点： (1) 模块化设计，便于扩容； (2) 开关频率较低，开关损耗较小，等效开关频率较高； (3) 换流器交流侧出口电压谐波含量少，无需交流滤波器。
[0004] MMC中子模块IGBT开关频率大小一直是MMC换流器设计及其正常运行的重要参 数，开关频率增大则会导致系统损耗增加、降低电容使用寿命W及增加系统运行成本。子模 块电容电压均衡控制环节也是MMC控制研究中的重要研究方向，其原理是根据MMC桥臂电 流方向W及需要导通的子模块个数，通过电容均压环节控制流经子模块电容的桥臂电流W 及子模块导通、关断的时间，从而达到桥臂子模块电容电压稳定在额定值附近的目的。因 此，子模块IGBT开关频率与电容均压过程直接相关，进而与子模块电容电压波动幅值也存 在关联。目前已有大量文献研究了 IGBT开关频率与电容电压波动幅值的关系W及降低频 率的方法，但是均属于非定量控制开关频率的控制方式，无法准确控制频率大小，可能造成 子模块电容电压波动幅度较大，从而影响系统的稳定运行W及换流器的运行效率。因此，提 出一种适用于高电平模块化多电平换流器的定量控制IGBT平均开关频率的控制策略很有 必要。
【发明内容】
[0005] 针对上述技术背景中描述的高电平模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC 中子模块电容降低频率方面存在的挑战，本发明提出了一种适用于高电平模块化多电平换 流器的定量控制IGBT平均开关频率的闭环控制策略。首先提出了一种改进的电容均压排 序算法并且推导了其子模块电容电压纹波幅值与IGBT平均开关频率的数学关系，然后设 计了一种在线测量IGBT平均开关频率的模块，从而实现开关频率的划窗式动态测量。最后 基于PI控制器的频率控制环节与排序模块、频率测量模块组成了一个闭环控制系统。当实 IGBT开关频率与频率参考值不同时，两者偏差值输入PI环节W后经过限幅环节输出子 模块电容电压纹波波动阔值，进而通过调整排序均压模块中电容电压波动幅度使得快速趋 近于目标值，实现系统频率的精确定量控制，保证系统的稳定运行。
[0006] 本发明的技术方案是一种适用于高电平模块化多电平换流器的定量控制IGBT平 均开关频率的闭环控制策略，包括W下步骤： 步骤1 :首先确定采用新型子模块电容电压排序策略，计算临界排序步长，得到子模块 IGBT开关频率目标值下的电容电压纹波波动幅值范围； 步骤2 :基于所设计的一种在线测量IGBT平均开关频率的模块，实现开关频率的划窗 式动态测量，得到精确的IGBT平均开关频率大小； 步骤3 :根据IGBT开关频率定量控制器，实现子模块IGBT平均开关频率的定量控制， 降低系统开关频率，从而降低系统功率器件的开关损耗，实现换流器的低开关损耗运行。
[0007] 步骤1按照临界排序步长基于新型排序策略对子模块电容电压进行排序，同时根 据IGBT平均开关频率和子模块电容电压纹波波动幅值的关系得到纹波幅值阔值的波动范 围。
[0008] 步骤1. 1 :新型子模块电容电压排序策略 新型排序策略对原有的传统排序均压方法做如下改进，W减小排序过程中IGBT不必 要的开通关断动作，从而降低换流器的损耗。假设子模块电容电压波动阔值Up为子模块电 容电压与子模块平均电容电压差值的两倍，即：
其中，U。为各相桥臂子模块平均电容电压，U。。。,。。1为子模块实际电容电压值。根据新 型电容电压平衡方法的原理，子模块IGBT开关动作仅发生在W下时刻： 1)置换：若此时刻所需导通子模块个数N。,占上一时刻导通子模块个数N。1湘等 (Nw?=N"id)时，当监测到超过阔值Up的子模块时，则将此时导通状态下电容电压最大的子模 块与旁路状态下电容电压最小的子模块开关状态进行置换。
[0009] 2)增减：若此时刻所需导通子模块个数大（小）于上一时刻导通子模块个数，贝U 根据桥臂电流igfm方向决定此刻开通（旁路）特定的子模块。当且i。《〉〇时，选择 将处于旁路状态的子模块中电容电压最小的子模块导通；若igfm<〇,则选择将处于旁路状态 的子模块中电容电压最大的子模块导通。当N"w<N"id且i。《〉〇时，选择旁路导通子模块中电 容电压最大的子模块；若igfm<〇,则选择旁路导通子模块中电容电压最小的子模块。综上所 述，假设导通子模块序列为Uw,旁路子模块序列为Uwp。
[0010] 而此新型排序方法的临界排序步长需满足
其中，O。为网侧基波角频率，f。为网侧基波频率，N为MMC中单个桥臂子模块数量。
[0011] 步骤1. 2 :子模块电容电压纹波幅值与IGBT平均开关频率的数学关系的确定 通过每个控制周期内子模块电容电压排序过程，使得特定子模块的开关状态发生变 化，从而影响排序时刻前后的桥臂电压，最终达到子模块电容电压平衡控制的目的。因此， 不妨令A V。。。为每个排序周期内子模块开关状态变化时，对桥臂电压所产生的补偿电压的 大小，则由新型排序算法原理可分为W下两部分。
[001引1)当N。。片心且满足置换子模块开关状态的条件时，系统将交换此时刻最大电容 电压子模块和最小电容电压子模块的开关状态。由于子模块工作状态改变前后的电压差由 Up决定，因此可知此时桥臂补偿电压满足：
由于排序均压环节的原理是使得所有子模块电容电压趋于额定值，因此补偿效果由负 值标定。
[001引。当N。6>^〉N。ld或拥，系统将根据排序算法选择投入（旁路）一个子模块。 若桥臂上一时刻旁路（导通）的子模块队列个数较多，则增减子模块前后的桥臂电压补偿 值将近似为电容电压阔值的一半，即：
若桥臂上一时刻旁路（导通）的子模块队列个数较少，则由于相应子模块更多的投切 次数导致增减子模块前后的桥臂电压补偿值将小于电容电压阔值的一半，则此时满足：
综上所述，新型电容排序均压过程对桥臂电压补偿作用总和A v。。。。^可表示为
其中，ni、ri2分别表示在第一、二情况下子模块IGBT的开关动作次数。由式（6)可得一 个开关周期内平均开关频率fwg的计算公式为
其中，T为工频50化对应的周期。
[0014] 一个系统基频周期T内，由于上下桥臂对称性，仅对上桥臂进行分析。上桥臂电压 存在恒定的电压差值，并且满足
其中，dvup 为每个排序周期内导致的桥臂电压差值。
[0015] 由于子模块电容排序电压的目标是消除桥臂电容电压值的电压偏差，因此由式 化）、（7)可知排序均压后的电压补偿值A Vtum gii与桥臂电压偏差值满足
将式（3)~做代入式（9)可得：
其中，fm"d为调制所需的频率，满足
因此，由式（IOa)、（IOb)可知，MMC电容纹波阔值Up与子模块IGBT平均开关频率f Wg 之间呈反比例关系且两者乘积存在上下限值约束。
[0016] 步骤2通过排序环节输出的子模块IGBT触发脉冲信号，基于所设计的划窗计算频 率模块，在线计算出IGBT平均开关频率。
[0017] 此测量模块分为单采样时刻内频率计算模块I和多采样时刻平均开关频率计算 模块II两部分。首先根据任一相桥臂输入的N维桥臂子模块IGBT触发信号Tj (脚，统计触 发脉冲〇、1跳变的次数；其次，计算单采样时间AT(即系统采样时间）内的频率；最后，通 过划窗方式统计出固定划窗时间内的平均开关频率。
[001引在每一采样时刻录入新的频率值fO W后，每一划窗内所记录的频率值依次挪位 填充下一个划窗，同时系统计算并输出固定划窗时间内的平均开关频率大小t满足
步骤3基于新型子模块电容电压排序策略W及在线划窗策略IGBT平均开关频率模块 W及公差带调制策略，根据所设计的IGBT开关频率定量控制器实现子模块IGBT平均开关 的定量控制。
[0019] 基于PI控制器的频率控制环节与排序模块、频率测量模块组成了一个闭环控制 系统。当实测IGBT开关频率fiM与频率参考值f ref不同时，两者偏差值输入PI环节W后经 过限幅环节输出子模块电容电压纹波波动阔值AUpw,进而通过调整排序均压模块中电容 电压波动幅度使得fms快速趋近于目标值f Wf，实现系统频率的精确定量控制，保证系统的 稳定运行。
[0020] 本发明的效果在于，提出一种适用于高电平模块化多电平换流器的定量控制IGBT 平均开关频率的闭环控制策略。可W精确定量控制子模块IGBT的平均开关频率。分析推 导了子模块电容电压波动幅度与IGBT平均开关频率之间呈反比例关系的结论，进而为PI 控制器的输出限幅阔值的设置提供了理论依据。同时，设计了在线测量IGBT平均开关频率 的模块，最后设计了基于PI控制器的IGBT平均开关频率的闭环控制器。通过稳态、潮流翻 转W及交、直流侧严重系统级故障情况下的仿真验证了所提出响应控制策略的鲁棒性和适 用性。能够通过定量控制IGBT平均开关频率的方法避免功率器件的重复开通关断过程，降 低了功率器件的损耗，在保证系统稳定运行的同时保证了系统频率的降低。
【附图说明】
[0021] 图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图； 图2是子模块结构图； 图3是本发明提供的适用于高电平MMC的新型子模块电容电压均衡策略框图； 图4是IGBT平均开关频率在线测量模块原理图； 图5是IGBT平均开关频率定量控制原理框图； 图6是公差带调制原理图； 图7是IGBT平均开关频率与电容波动阔值的关系曲线。
[002