專利名稱：三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)柔性輸配電、電力電子和用戶電力技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法。
背景技術(shù)：
模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)是近幾年備受關(guān)注的一種多電平換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它采用多個子模塊(subm0dule，SM)級聯(lián)的方式，通過分別控制各個子模塊的投入和切除狀態(tài)，可以使得換流器輸出的交流電壓波形包含很多的電壓階梯以最大限度的逼近正弦波，從而降低輸出電壓中的諧波含量，減小波形畸變，以滿足電網(wǎng)的諧波要求。三相模塊化多電平換流器的基本結(jié)構(gòu)(如圖1所示)是由三相六個橋臂構(gòu)成，每相有上、下兩個橋臂。每個橋臂分別由一個橋臂串聯(lián)電感Ltl和若干個結(jié)構(gòu)相同的子模塊級聯(lián)而成。每個子模塊包括與直流電容串聯(lián)的第一電力電子開關(guān)以及與第一電力電子開關(guān)和直流電容并聯(lián)的第二電力電子開關(guān)。由于在交流系統(tǒng)不對稱故障的情況下，交流系統(tǒng)中可能會出現(xiàn)負(fù)序分量和零序分量，從而產(chǎn)生大量的諧波注入換流器和直流系統(tǒng)，可能會引起電力電子設(shè)備的過電壓和過電流等現(xiàn)象，危及到設(shè)備的安全運行。劉鐘淇等人的“采用MMC變流器的VSC-HVDC系統(tǒng)故障態(tài)研究”(電力電子技術(shù)， 2010,44 (09)，69 71)，借鑒二電平電壓源換流器的正負(fù)零序控制器結(jié)構(gòu)，提出了針對MMC 故障時的系統(tǒng)正負(fù)零序控制器。雖然該控制器可以將交流系統(tǒng)電流中的負(fù)序和零序分量消除，但并不能消除故障情況下MMC內(nèi)部相單元總電壓中的零序二倍頻分量。由于內(nèi)部相單元總電壓與直流電壓密切相關(guān)，因此故障時的直流電壓和直流電流中仍然存在二次諧波分量。這個諧波分量會在直流線路上傳遞，帶來不必要的損耗，同時還會傳遞到對端換流器， 從而危害對端系統(tǒng)的安全。

發(fā)明內(nèi)容
針對交流系統(tǒng)故障情況下?lián)Q流器直流母線電壓存在二次諧波(二倍頻波動)的問題，本發(fā)明提供了一種三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法。本發(fā)明中，通過設(shè)計的控制方法生成用于抑制直流電壓波動的附加控制信號，再通過已有的脈寬調(diào)制方法在橋臂電壓中實現(xiàn)該附加控制信號，從而消除交流系統(tǒng)故障情況下MMC型直流輸電系統(tǒng)的直流電壓中的二次諧波，防止其傳遞到對端系統(tǒng)并造成危害，從而解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題?！N三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法，該三相模塊化多電平換流器由三相六個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由一個電感和若干個結(jié)構(gòu)相同的子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊包括與直流電容串聯(lián)的第一電力電子開關(guān)以及與第一電力電子開關(guān)和直流電容并聯(lián)的第二電力電子開關(guān)，所述的直流電壓波動抑制方法包括以下步驟
(1)將三相上、下橋臂電壓upj、Unj(共六個橋臂電壓)相加后除以三，獲得三個相單元內(nèi)部的零序電壓Udifftl,其中j = a，b，c，分別代表a、b、c三相，ρ表示上橋臂，η表示下橋臂；

(2)將所述的零序電壓Udifftl通過一個帶通濾波算法處理后，獲得用于抑制直流電壓波動的附加控制信號Udiffj ref，其中，j = a,b,c,分別代表a、b、c三相，這里a、b、c三相
的附加控制信號相等，即 Udiffa ref = Udiffb ref = Udiffc ref ；(3)用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去步驟⑵中生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號UdiffDrf后，再減去所述的三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值e」ref，得到j(luò)相上橋臂電壓的參考值Upj ref，其中，j = a, b，c，分別代表a、b、c三相；用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去步驟⑵中生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號Udiffj 后，再加上所述的三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值 ej—ref，得到j(luò)相下橋臂電壓的參考值Unj ref，其中，j = a，b，c，分別代表a、b、c三相；(4)由步驟(3)得到的j相上、下橋臂電壓參考值Upj &和unj Mf，通過脈寬調(diào)制后生成觸發(fā)脈沖，以控制相應(yīng)橋臂上各個子模塊電力電子開關(guān)的開通與關(guān)斷，使得橋臂電壓的實際值與橋臂電壓的參考值相同，實現(xiàn)對各橋臂電壓的控制，從而可以在交流系統(tǒng)不對稱故障的情況下，消除MMC直流電壓的二倍頻波動，相應(yīng)直流電流中的二倍頻波動也同時被消除。步驟(2)中，所述的帶通濾波算法可以用傳遞函數(shù)表示為2^ 2 ,其中，
S + 2g0)cs + (Dc
Ktl為零序分量的比例增益系數(shù)，ω。為截止頻率，為抑制直流電壓中的二次諧波，這里取為兩倍的基波頻率，即ω。= 20^，COtl為基波頻率，ξ為阻尼比，s為拉普拉斯算子；步驟(3)中，所述的三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值ej ref可以通過已有技術(shù)產(chǎn)生，比如通過外環(huán)功率控制技術(shù)和內(nèi)環(huán)電流控制技術(shù)生成，也可以通過其他已有的非線性控制技術(shù)生成。所述的三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值。 ref是用于控制MMC外部交流側(cè)電壓電流特性的信號，對本發(fā)明提出的MMC直流電壓波動抑制方法不產(chǎn)生影響，但由于ej &是保證MMC正常運行的基礎(chǔ)，因此在生成最后的橋臂電壓參考值&和時，還必須考慮此信號。需要特別說明的是，如果步驟(3)中沒有加入本發(fā)明提出的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號UdiffDrf，而僅僅只考慮1/2直流母線電壓值Ud。/2和交流側(cè)輸出電壓參考值^ref，即用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去換流器交流側(cè)輸出電壓參考值，得到j(luò)相上橋臂電壓的參考值；同時用1/2的直流母線電壓值Ud。/2加上換流器交流側(cè)輸出電壓參考值，得到j(luò)相下橋臂電壓的參考值，并將這兩個橋臂電壓參考值用于脈寬調(diào)制，那么，此時，在交流系統(tǒng)不對稱情況下，只能保證MMC交流側(cè)電壓和電流達(dá)到要求，而直流側(cè)電壓和電流中則仍會出現(xiàn)嚴(yán)重的二次諧波，可能會使三相模塊化多電平換流器無法正常運行，并產(chǎn)生不必要的損耗和干擾。而本發(fā)明通過加入用于抑制直流電壓波動的附加控制信號UdiffDrf，則可以消除上述情況下直流側(cè)電壓和電流中存在的二次諧波。MMC換流器的直流電壓在正常情況下不存在二倍頻的波動，但當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障的情況下，MMC的直流電壓中就會產(chǎn)生二倍頻的波動分量。在采用本發(fā)明的直流電壓波動抑制方法后，消除了換流器直流母線電壓中的二次諧波，由此二次諧波電壓引起的直流母線中的二次諧波電流也同時被消除，從而可以有效防止其傳遞到對端系統(tǒng)而造成危害。


圖1為三相模塊化多電平換流器基本結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的三相模塊化多電平換流器直流電壓波動抑制方法的示意圖。圖3為本發(fā)明的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號的生成過程。圖4為未采用本發(fā)明的抑制方法時，三相模塊化多電平換流器直流母線的電壓波形的示意圖。圖5為采用本發(fā)明的直流電壓波動抑制方法后，三相模塊化多電平換流器直流母線電壓波形的示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施例詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施方式
，但本發(fā)明不受所述具體實施例所限。如圖1所示，三相模塊化多電平換流器由a、b、c三相共六個橋臂構(gòu)成，其中每相均有上下兩個橋臂。每個橋臂1分別由一個橋臂串聯(lián)電感Ltl和N個子模塊2級聯(lián)而成。子模塊SMl SMN結(jié)構(gòu)相同，每個子模塊2由第一電力電子開關(guān)T1、第二電力電子開關(guān)T2 (T1, T2選用具有自關(guān)斷能力的電力電子開關(guān)，通常為IGBT、IGCT、GT0等，本實施例采用IGBT)、 與第一電力電子開關(guān)反并聯(lián)的二極管D1、與第二電力電子開關(guān)反并聯(lián)的二極管D2以及直流電容C構(gòu)成。其中，電容C與第一電力電子開關(guān)T1串聯(lián)后，再與第二電力電子開關(guān)T2并聯(lián)。 每相的上橋臂中由N個子模塊的輸出電壓之和構(gòu)成橋臂電壓uw.，每相的下橋臂中由N個子模塊的輸出電壓之和構(gòu)成橋臂電壓Uiu.,下標(biāo)ρ和η分別表示上橋臂和下橋臂；下標(biāo)j = a, 比(3，分別表示3，13，(3三相。橋臂電壓的參考方向如圖1中所示。如圖2所示的三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法的示意圖中，Upj 和Ulu.為測得的橋臂電壓值，Udiffj ref為按圖3所示的方法和過程生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號。ej M為三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值，可以由外環(huán)功率控制技術(shù)和內(nèi)環(huán)電流控制技術(shù)得到，也可以由其他非線性控制技術(shù)得到，屬于現(xiàn)有技術(shù)。ud。為直流母線電壓。最后分別得到j(luò)相上橋臂和下橋臂電壓的參考值uw. &和Unj
，將它們送入脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)(現(xiàn)有技術(shù)中多采用多電平載波相移或載波層疊調(diào)制算法)， 生成相應(yīng)的觸發(fā)脈沖來控制各個子模塊電力電子開關(guān)1\、T2的開通與關(guān)斷，使得橋臂電壓的實際值與橋臂電壓的參考值相同，實現(xiàn)對各橋臂電壓的控制，從而消除直流母線電壓中的二次諧波。如圖2和圖3所示，一種三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法，具體步驟如下(1)測量每相的上、下橋臂電壓Upj和Unj，其中，下標(biāo)ρ表示上橋臂，下標(biāo)η表示下橋臂，下標(biāo)j = a, b，c，分別表示a、b、c三相；將三相上、下橋臂共六個橋臂的橋臂電壓相加(upa+una+upb+unb+up。+uj后除以三，獲得三個相單元內(nèi)部的零序電壓Udifftl ；(2)將此零序電壓Udifftl通過一個帶通濾波算法處理后，即可獲得用于抑制直流電壓波動的附加控制信號Udiffj ref，其中，j = a,b,c,分別代表a、b、c三相，這里a、b、c三相
的附加控制信號相等，即 Udiffa ref = Udiffb ref = Udiffc ref ；該帶通濾波算法可以用傳遞函數(shù)表示為2丄J C工2，其中，K0為零序分量的
S + LQmcS + COc
比例增益系數(shù)，ω。為截止頻率，為抑制直流電壓中的二次諧波，這里取為兩倍的基波頻率， 即ω。= 20^，COtl為基波頻率，ξ為阻尼比，s為拉普拉斯算子；(3)用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去步驟(2)中生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號UdiffDrf后，再減去三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值e」
，得到j(luò)相上橋臂電壓的參考值upj ref，其中，j = a，b，c，分別代表a、b、c三相；用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去步驟(2)中生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號Udiffj &后，再加上三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值e」ref，得到j(luò)相下橋臂電壓的參考值Unj ref，其中，j = a，b，c，分別代表a、b、c三相；其中，三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值ej Mf可以通過已有應(yīng)用的外環(huán)功率控制方法和內(nèi)環(huán)電流控制方法生成，也可以通過其他已有的非線性控制方法生成，換流器交流側(cè)輸出電壓參考值是主要用于控制MMC外部交流電壓電流特性的信號，對本實施例中的MMC直流電壓波動抑制方法不產(chǎn)生影響；(4)由步驟(3)得到的j相上、下橋臂電壓參考值Upj &和Unj Mf，通過脈寬調(diào)制后生成觸發(fā)脈沖，用來控制相應(yīng)橋臂上各個子模塊電力電子開關(guān)的開通與關(guān)斷，使得橋臂電壓的實際值與橋臂電壓的參考值相同，實現(xiàn)對各橋臂電壓的控制，從而可以在交流系統(tǒng)不對稱故障的情況下，消除MMC直流電壓的二倍頻波動，相應(yīng)直流電流中的二倍頻波動也同時被消除。圖4是未采用本發(fā)明的直流電壓波動抑制方法的情況下，三相模塊化多電平換流器直流母線電壓的波形。從圖4中可以看出，在1.0秒時由于交流系統(tǒng)發(fā)生了不對稱故障， MMC的直流電壓中出現(xiàn)了明顯的二倍頻波動(二次諧波)。這個諧波分量會帶來不必要的損耗和干擾，同時會傳遞到對端換流器，危害整個系統(tǒng)的安全運行。圖5是采用本發(fā)明的直流電壓波動抑制方法后，換流器直流母線電壓的波形。與圖4對比后發(fā)現(xiàn)，同樣在1. 0秒時交流系統(tǒng)發(fā)生了不對稱故障，由于應(yīng)用本發(fā)明的直流電壓波動抑制方法，換流器直流電壓中的二次諧波被完全消除，從而減小了這個有害的諧波分量對換流器運行安全的威脅。以上列舉的僅是本發(fā)明的若干個具體實施例，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)認(rèn)為是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法，該三相模塊化多電平換流器由三相六個橋臂構(gòu)成，每個橋臂由一個電感和若干個結(jié)構(gòu)相同的子模塊級聯(lián)而成，每個子模塊包括與直流電容串聯(lián)的第一電力電子開關(guān)以及與第一電力電子開關(guān)和直流電容并聯(lián)的第二電力電子開關(guān)，所述的直流電壓波動抑制方法包括以下步驟(1)將三相上、下橋臂電壓Upj、Unj相加后除以三，獲得三個相單元內(nèi)部的零序電壓 udiff。，其中j = a，b，c，分別代表a、b、c三相，ρ表示上橋臂，η表示下橋臂；(2)將所述的零序電壓Udifftl通過一個帶通濾波算法處理后，獲得用于抑制直流電壓波動的附加控制信號Udiffj ref，其中，j = a, b，c，分別代表a、b、c三相，這里a、b、c三相的附加控制信號相等，即 Udiffa ref = Udiffb ref = Udiffc ref ；(3)用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去步驟⑵中生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號UdiffDrf后，再減去所述的三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值e」，得到j(luò)相上橋臂電壓的參考值upj ref，其中，j = a，b，c，分別代表a、b、c三相；用1/2的直流母線電壓值Ud。/2減去步驟(2)中生成的用于抑制直流電壓波動的附加控制信號Udiffj &后，再加上所述的三相模塊化多電平換流器交流側(cè)輸出電壓參考值e」ref， 得到j(luò)相下橋臂電壓的參考值unj ,ef，其中，j = a,b, c，分別代表a、b、c三相；(4)由步驟(3)得到的j相上、下橋臂電壓參考值upjMf和unj Mf，通過脈寬調(diào)制后生成觸發(fā)脈沖，以控制相應(yīng)橋臂上各個子模塊電力電子開關(guān)的開通與關(guān)斷，使得橋臂電壓的實際值與橋臂電壓的參考值相同。
2.如權(quán)利要求1所述的三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法，其特征在Kr, ω s于，步驟(2)中，所述的帶通濾波算法用傳遞函數(shù)表示為2丄J c丄2 ,其中，Ktl為零序S + LQmcS + COc分量的比例增益系數(shù)，ω。為截止頻率，取值為兩倍的基波頻率，ξ為阻尼比，S為拉普拉斯算子。全文摘要
本發(fā)明公開了一種三相模塊化多電平換流器的直流電壓波動抑制方法，利用檢測到的換流器橋臂電壓，計算得到相單元內(nèi)部的零序電壓分量，通過帶通濾波算法，得到用于抑制直流母線電壓二倍頻波動的附加控制信號。然后用直流電壓值的二分之一減去該附加控制信號，并與已有的換流器交流側(cè)輸出電壓參考信號疊加得到橋臂電壓參考值，再進(jìn)行脈寬調(diào)制得到換流器各橋臂的觸發(fā)脈沖，使換流器輸出相應(yīng)的電壓。采用該直流電壓波動抑制方法，可以在交流系統(tǒng)發(fā)生不對稱故障的情況下，消除直流母線電壓中的二次諧波，避免這個二次諧波流入對端換流器造成危害。
文檔編號H02M1/12GK102332809SQ20111027473
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月16日
發(fā)明者唐庚, 屠卿瑞, 徐政, 薛英林 申請人:浙江大學(xué)