2] 图8是按照本发明提供的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用于高电平MMC时所得的电容电压波形。
[0023] 图9是固定IGBT平均开关频率目标值的情况下，采用定量控制IGBT平均开关频 率的闭环控制策略所得到的器件开关频率波形。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性 的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0025] 图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图。图1中，模块化多电平电压源换 流器（MMC)的拓扑结构，每相有上下两个桥臂，每个桥臂由N个半桥子模块W及桥臂电抗器 L构成。其中Ud。为直流侧电压，I为桥臂电流，V。up、Vg d。?分别为a相上、下桥臂的桥臂 电压；iup。、id。?。分别为流经a相上、下桥臂的桥臂电流，交流侧线电流为i w(j=a，b，C)。
[0026] 图2是模块化多电平换流器高压直流输电MMC-HVDC中使用的半桥子模块结构图。 图2中，半桥子模块是由两个绝缘栅双极型晶体管IGBT V T2,两个反并联二极管〇1、DzW 及一个电容C构成，单个半桥子模块可输出的电压是电容电压Uc或者是0,因此能够输出1， 0两种电平。
[0027] 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。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。,苗上一时刻导通子模块个数N Did相等 (Nw?=N"J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。
[0028] 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i。?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1。"<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Ucw。
[0029] 图4是IGBT平均开关频率在线测量模块原理图。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T,㈱，统计触发脉冲0、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，如图中黑色虚线框所示。在每一采样时刻录入新的频率值f。^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。
[0030] 图5是IGBT平均开关频率定量控制原理框图。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ffw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A Upw,进而通过调整排序均压模块中电容电压波动幅度使得f快速趋近于目标值 fref，实现系统频率的精确定量巧制，保证系统的稳定fe行。
[0031] 图6是公差带调制原理图。首先，由MMC的基本结构可得到单相等效电路，假设网 侦m电压源VgW代替，阀侧W电压源VsW代替，其中通过电阻Rsq和电感Lsq连接。则可 知电压与电流的关系满足：
从而可得到：
从而电压积分(磁链）可得到：
定义磁链差为：
其中4。。代表实际磁链，4 f。。代表参考磁链大小。磁链公差带调制控制器应该将上述 磁链差值限定在± 5中，即
参考磁链由下式得到：
将式（15)、（18)代入式（14)中得到：
综上所述，由磁链差值可得到公差带调制原则： 1) 如果+S，磁链公差带输出（n ,)为+0. 5 ; 2) 如果4 diff< - S，磁链公差带输出（n 4 )为-0. 5 ; 3) 如果+ 5 < -8,磁链公差带输出保持现有状态不变。
[0032] 通过上述原则，磁链公差带控制将影响桥臂参考电压电平数（+1，-I或0)，从而影 响其数值的大小。然而，为了控制相间环流，桥臂参考电压值通常需要补偿环流。定义子模 块电容电压额定值V^cgp=UdyN,得到上下桥臂需投入子模块数量为：
在PSCAD/EMTDC中搭建401电平双端MMC-HVDC系统，系统主要参数如表1所示： 表1系统参数表
两端系统交换有功功率额定值为1000MW，无功功率为OMVar。采用最近电平逼近调制 计算上、下桥臂需要导通的子模块个数。
[003引图7是子模块IGBT平均开关频率fms与子模块电容电压波动阔值百分比U P的关 系曲线。W A相上桥臂为例，设定各子模块IGBT平均开关频率fms为120Hz，则由图6中黑 色线可知，此时Up将会在[0. 07,0. 12]之间变化，考虑到控制系统裕度的原因，设置PI控制 器中的输出限幅值AUpm。,为图6中理论区间的1. 5~2倍，因此可设定AUpmi"=〇, AUp"_=〇. 2。
[0034] 图8为按照本发明提供的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用于高电平MMC时所得的电容电压波形。由于PI环控制环 节输出的子模块电容电压阔值AUp的波动，从而影响子模块电容电压波动的幅值，但仍在 ±6. 1%的范围内波动，满足纹波波动阔值的要求。
[0035] 图9为固定IGBT平均开关频率目标值的情况下，采用定量控制IGBT平均开关频 率的闭环控制策略所得到的器件开关频率波形。由图可知在投入PI环控制环节W后，子模 块IGBT在3s时稳定在目标值120Hz，通过截取放大4~6s的仿真图可知系统频率波动幅度 较小，保证了功率器件的安全稳定运行。
[0036] 通过W上所述，充分验证了本发明提出的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正确性和可行性。通过新型排序均压算 法与PI控制器的协调配合，对IGBT平均开关频率实现了定量控制，同时也保证了系统的稳 定运行，极大得方便了实际工程中降低IGBT开关频率的实施过程。通过稳态、潮流翻转W 及交、直流严重系统级故障情况下的仿真也验证了本文所提出响应控制策略的鲁棒性和适 用性。
[0037] W上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明掲露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该W权利要求的保护范围 为准。
【主权项】
1. 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，所述方法包含的具体步骤如下： 步骤1 :基于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 :基于开关频率的划窗式动态测量模块，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并结合公差带调制策略，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。2. 根据权利要求1所述的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，其中步骤1中，包括以下两个步骤： 步骤1. 1 :新型子模块电容电压排序策略 假设子模块电容电压波动阈值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@tual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开关动作仅发生在置换与增减时刻； 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；由新型 排序算法原理可知，IGBT平均开关频率f avg、调制频率匕。,、子模块电容电压波动给阈值Up， a相上桥臂开关函数Fupa、系统调制比m分别满足：其中，C是子模块电容值，f。为系统基频，T为一个控制周期，i up为a相上桥臂电流，N 为一向桥臂包含的子模块个数。3. 根据权利要求1中所述的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，其中步骤2中，基于在线测量IGBT平均开关频率的模块，实现开 关频率的划窗式动态测量；系统计算并输出固定划窗时间内的平均开关频率大小f ins，满 足其中，匕（i=l，2,... M)为各个划窗内所记录的IGBT平均开关频率大小，Μ为划窗个数， AT为每个划窗的时间间隔。4.根据权利要求1中所述的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，其中步骤3中，包括根据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；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。
【专利摘要】本发明公开了一种提出了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。其技术方案是，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控制器提出了定量控制IGBT平均开关频率的闭环控制器。本发明应用于模块化多电平电压源换流器中，在桥臂子模块数量庞大的情况下，具有降低IGBT开关频率，保证系统稳定运行的功能，最终实现对系统频率的主动定量控制，有效降低系统运行损耗。
【IPC分类】H02M7/483, H02M7/219
【公开号】CN105634305
【申请号】CN201510778020
【发明人】赵成勇, 许建中, 何智鹏, 徐莹
【申请人】华北电力大学
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2015年11月16日