適用于vsc-hvdc的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，屬于電平換流器【技術領域】。本發(fā)明包括三個相單元和第一電壓電容；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊。首先設定好子模塊的開關頻率，其次根據(jù)調(diào)制波的變化來決定子模塊的觸發(fā)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)其充放電時間，進而實現(xiàn)橋臂中各子模塊的電容電壓平衡；然后將直流儲能電容電壓平衡控制分為能量均分控制和電壓均衡控制2個部分。本發(fā)明能夠保證直流電壓的穩(wěn)定和功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，同時子模塊的消耗最小。
【專利說明】適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多電平換流器，尤其涉及一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器及其載波移相調(diào)制策略。

【背景技術】
[0002]世界范圍內(nèi)電力工業(yè)需要采用更加靈活、經(jīng)濟、環(huán)保的輸配電方式來迎接技術、經(jīng)濟與環(huán)境方面的挑戰(zhàn)，因此，先進電力電子裝置的需求變得日益迫切。電壓源換流器型直流輸電(voltage source converter-high voltage DC, VSC-HVDC)的技術優(yōu)勢使其在可再生能源并網(wǎng)、無源網(wǎng)絡供電、城市電網(wǎng)供電、異步交流電網(wǎng)互聯(lián)等領域都發(fā)揮了積極作用，VSC是VSC-HVDC輸電系統(tǒng)中的核心組成部分，其拓撲結(jié)構(gòu)及調(diào)制策略對VSC-HVDC的運行特性以及VSC-HVDC工程的有效性、經(jīng)濟性和可靠性都有很大的影響。目前已投運的VSC-HVDC多采用兩電平VSC或三電平VSC拓撲結(jié)構(gòu)。兩電平VSC存在的主要問題是過高開關頻率帶來的過高開關損耗、IGBT串聯(lián)帶來的靜態(tài)、動態(tài)均壓和電磁干擾，另外，對器件的開關一致性要求很高；三電平VSC存在的主要問題為直流側(cè)的均壓和直流側(cè)中性點存在的3次諧波電流影響。上述兩種拓撲結(jié)構(gòu)也給VSC的設計、布局及裝配帶來了極大的難度。
[0003]為了解決上述VSC的問題，西門子公司提出了一種適用于HVDC和FACTS的新型VSC拓撲結(jié)構(gòu)——模塊化多電平換流器。MMC采用模塊化設計，通過調(diào)整子模塊的串聯(lián)個數(shù)可以實現(xiàn)電壓及功率等級的靈活變化，并且可以擴展到任意電平輸出，減小了電磁干擾和輸出電壓的諧波含量，輸出電壓非常平滑且接近理想正弦波形，因此在網(wǎng)側(cè)不需要大容量交流濾波器；開關器件的開關頻率低，開關損耗也相應減少；由于MMC拓撲將能量分散存儲在橋臂的各個子模塊電容中，提高了故障穿越能力。MMC的這些特點提高了高壓直流輸電系統(tǒng)的經(jīng)濟性、可靠性和適應性。
[0004]雖然西門子承建的世界上首個采用MMC的直流輸電工程(Trans Bay CableProject)已于2010年3月在美國投入商業(yè)運行，但是目前國內(nèi)外學術界對MMC型電壓源換流器直流輸電技術的研究相對較少，諸如調(diào)制策略、電容電壓平衡控制、故障保護等關鍵技術還沒有得到完全解決，亟待深入研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，該發(fā)明能夠保證直流電壓的穩(wěn)定和功率的動態(tài)調(diào)節(jié)，同時子模塊的消耗最小。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案為:一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，所述三相模塊化多電平換流器包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊，N大于等于1，且所述子模塊、電抗器相互串聯(lián)在一起；所述子模塊包括直流儲能電容和開關單元，所述開關單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π/N角度；包括以下步驟:首先，設定好子模塊的開關頻率，其次根據(jù)調(diào)制波的變化來決定子模塊的觸發(fā)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)其充放電時間，進而實現(xiàn)橋臂中各子模塊的電容電壓平衡；然后將直流儲能電容電壓平衡控制分為能量均分控制和電壓均衡控制2個部分，所述能量均分控制部分的作用是保證每個相單元中若干子模塊電容電壓的平均值跟蹤它的參考值，從而使能量均勻的分配到這些子模塊中；所述電壓均衡控制部分的作用是使橋臂上若干子模塊的直流儲能電容電壓跟蹤其參考值。
[0007]對于每個橋臂中的N個子模塊，均采用較低開關頻率的SPWM，最后將投入的各子模塊輸出電壓Usm相疊加,得到MMC的橋臂輸出電壓波形。
[0008]所述三相模塊化多電平換流器還包括安全開關，所述安全開關并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關包括高速旁路開關和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
[0009]一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制器，所述抑制器采用陷波器提取出環(huán)流中的二倍頻分量，再以比例諧振PR控制器對其進行跟蹤補償，并將補償信號疊加在子模塊參考電壓中，從而達到限制環(huán)流的目的。
[0010]一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制方法，分為環(huán)流2次分量提取及理想PR控制器兩個部分，首先，通過陷波器陷除環(huán)流中的二次成分，再將其與原環(huán)流做差，從而得到環(huán)流二次基本成分；將此二次環(huán)流與參考值再做差，然后將參考值選取為0，將差值送入PR控制器進行跟蹤處理，即可得到需要的參考電壓補償信號。
[0011]本發(fā)明提供的一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，相比現(xiàn)有技術，具有以下有益效果:
[0012]1、由于本發(fā)明結(jié)合CPSM調(diào)制策略，提出了一種子模塊電容電壓平衡控制策略，確保各子模塊電容電壓處于相同的等級范圍之內(nèi)且能保持電壓變化的一致性，從而保證直流電壓的穩(wěn)定和功率的動態(tài)調(diào)節(jié)。由于每個子模塊中器件開關頻率都是相同且較低的，電容電壓無需排序，這就避免了因排序?qū)е碌倪^多的IGBT開關次數(shù)，從而降低MMC開關損耗；
[0013]3、由于所述抑制器采用陷波器提取出環(huán)流中的二倍頻分量，再以比例諧振PR控制器對其進行跟蹤補償，并將補償信號疊加在子模塊參考電壓中，從而達到限制環(huán)流的目的。因此提出的NNCS對于MMC環(huán)流二次基頻分量具有明顯的抑制作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1 MMC結(jié)構(gòu)圖；
[0015]圖2 MMC子模塊結(jié)構(gòu)圖；
[0016]圖3 MMC整流側(cè)系統(tǒng)等值電路圖；
[0017]圖4相單元間的環(huán)流；
[0018]圖5能量均勻控制；
[0019]圖6電壓均衡控制；
[0020]圖7結(jié)合電容電壓平衡控制量的CPS-SPWM調(diào)制原理圖；
[0021]圖8環(huán)流抑制控制框圖。

【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0023]一種用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，如圖1所示，包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；且所述每個相單元的并聯(lián)支路上均串聯(lián)有一個電流調(diào)節(jié)器；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，即上下2個橋臂構(gòu)成一個相單元，根據(jù)MMC的模塊化設計，6個橋臂具有對稱性，各子模塊的電氣參數(shù)和各橋臂電抗值都是相同的。所述橋臂包括電抗器L和N個子模塊(sub modUle，SM)，N大于等于1，且所述子模塊、電抗器L相互串聯(lián)在一起；
[0024]如圖2所示，所述子模塊包括直流儲能電容和開關單元，所述開關單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)。圖中，USM、iSM分別為子模塊的輸出電壓和該所在橋臂輸出電流，Uc為子模塊的電容電壓，KpK2分別為聞速旁路開關與壓接式封裝晶閘管，其作用是用于保護措施來增強MMC的安全性；通過2個開關管T1和T2的作用，可以使得Usm同時在2種電流方向的情況下進行電容電壓隊和O之間的切換。因此可以橋臂為單位進行載波移相調(diào)制。
[0025]還包括安全開關，所述安全開關并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關包括高速旁路開關和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
[0026]圖3為MMC-HVDC系統(tǒng)中整流側(cè)的等值電路圖，橋臂中的R代表橋臂器件的等值損耗電阻。由于換流器中3個相單元具有嚴格的對稱性，以a相為例。P點和N點表示換流器直流側(cè)的正負母線，它們相對于參考中性點O的電壓分別為Udc/2和-Udc;/2。Ual和Ual分別是a相上、下橋臂可控電壓源電壓；Uatl為a相交流輸出側(cè)的電壓。可以得到
' I
Ual =乃Udc - Uao
[0027]<(I)
Uil2=Iud^Uao
[0028]將式(I)中的上下兩式相加，得到
[0029]Ual+Ua2 = Udc(2)
[0030]由式(I)可知，三相交流電壓的輸出是通過對相單元中上、下橋臂處于投入狀態(tài)的子模塊個數(shù)進行調(diào)整而得到的；由公式(2)可知，直流電壓等于相單元中上、下橋臂電壓之和，即保證相單元中在任何時刻投入的子模塊個數(shù)都相同，這些是MMC正常工作的必備條件。
[0031]由于MMC中3個相單元具有嚴格的對稱性，并且相單元中上、下2個橋臂同樣也具有嚴格的對稱性，因此直流電流Idc在3個相單元間被均分，a相的輸出端電流也被上、下2個橋臂均分為2部分?？梢缘玫絘相上、下橋臂電流為.-L —.lal ~l:idc —la
[0032]I11(°)
[0033]根據(jù)MMC中三個相單元的對稱性，b相、c相與a相具有上述同樣的工作機理。
[0034]—種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的載波移相調(diào)制方法，對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π /N角度；設橋臂參考電壓為子模塊I的參考電壓力》I = 1,2,...，Ν;各子模塊參考電壓均應等于橋臂參考電壓，S卩《Χ.;Ν個子模塊參考電壓和N組載波相比較，產(chǎn)生N組PWM脈沖，分別控制N個子模塊的上IGBT，取反并加入一定的死區(qū)時間后控制N個子模塊的下IGBT，以避免各子模塊發(fā)生直通后電容迅速放電；所述橋臂輸出電壓是由所有子模塊的二電平PWM脈沖疊加而成。
[0035]實際上，在電容電壓平衡的條件下，若想控制整個橋臂按照輸出電壓，只需滿足橋臂內(nèi)所有子模塊的參考電壓之和等于橋臂參考電壓的N倍，即:
[0036]?^ιζ =Nubr(4)。

/:1
[0037]允許各子模塊的參考電壓存在微小差異。
[0038]式(4)為保證橋臂輸出特性不變的約束條件。只要滿足式(4)，就可以做到不改變整個橋臂輸出電壓的同時，小范圍(±10%)調(diào)整橋臂內(nèi)部各子模塊的參考電壓。這使得CPSM方法更為靈活，也為平衡控制策略的設計提供了基礎。
[0039]當采用CPSM方法時，每個功率器件的開關頻率取決于三角載波的頻率，因此調(diào)整參考電壓不會引起額外的開關過程，不會帶來額外的開關損耗。功率器件的開關頻率確定，也便于估算出由功率器件帶來的換流器損耗，利于實際工程裝置散熱系統(tǒng)的準確設計。具體的開關頻率可以綜合考慮換流器的工作效率和諧波性能等因素選擇。
[0040]結(jié)合CPS-SPWM調(diào)制方式，提出了一種新的電容電壓平衡控制策略，這種策略提前設定好子模塊的開關頻率，然后根據(jù)調(diào)制波的變化來決定子模塊的觸發(fā)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)其充放電時間，進而實現(xiàn)橋臂中各子模塊的電容電壓平衡。換流器中的3個相單元并聯(lián)于直流側(cè)母線上，在運行時每個相單元產(chǎn)生的直流電壓很難保持嚴格一致，因此就有環(huán)流在3個相單元間流動，圖4為MMC換流器內(nèi)部的環(huán)流原理圖。
[0041]由于圖3所示的換流器的各相單元結(jié)構(gòu)是對稱性的，以a相位例，Icirl為流經(jīng)a相單元的環(huán)流，由圖4可得
[0042]jw— al 2 — al 2(5)
、 L ~ hi I Kil
[0043]得到環(huán)流Url表達式:
[0044]icirl = (ial+ia2)/2(6)
[0045]其他相單元依次類推。
[0046]由式(5) —(6)可以得出，環(huán)流只存在于換流器內(nèi)部，獨立于換流器外部所接電源或負荷。盡管橋臂電抗可以限制環(huán)流的大小，但是相單元間環(huán)流的存在仍會使橋臂電流發(fā)生畸變，也會對電容電壓平衡產(chǎn)生一定影響，所以就有必要采用合適的控制策略對電容電壓平衡和環(huán)流進行協(xié)同控制。
[0047]一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，包括以下步驟:首先，設定好子模塊的開關頻率，其次根據(jù)調(diào)制波的變化來決定子模塊的觸發(fā)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)其充放電時間，進而實現(xiàn)橋臂中各子模塊的電容電壓平衡；然后將直流儲能電容電壓平衡控制分為能量均分控制和電壓均衡控制2個部分，所述能量均分控制部分的作用是保證每個相單元中若干子模塊電容電壓的平均值跟蹤它的參考值，從而使能量均勻的分配到這些子模塊中；所述電壓均衡控制部分的作用是使橋臂上若干子模塊的直流儲能電容電壓跟蹤其參考值。
[0048]I)能量均分控制。該部分的作用是保證每個相單元中若干子模塊電容電壓的平均值跟蹤它的參考值，從而使能量均勻的分配到這些子模塊中?？刂平Y(jié)構(gòu)如圖5所示環(huán)流是在各模塊間循環(huán)流通的，并且不受負荷側(cè)電流的影響，可以設計一個獨立的環(huán)流控制內(nèi)環(huán)來實現(xiàn)對環(huán)流的調(diào)節(jié)。電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器，控制相單元中平均電容電壓值跟蹤電容電壓參考值，PI調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定；電流內(nèi)環(huán)也采用PI調(diào)節(jié)器，控制環(huán)流跟蹤給定環(huán)流參考值的變化，其輸出作為電容電壓平衡控制調(diào)節(jié)量。例如，Suto時，環(huán)流參考值Umf增加。電容電壓控制中的獨立電流環(huán)迫使環(huán)流實際值跟蹤環(huán)流參考值。因此，環(huán)流控制環(huán)的反饋控制使Uto在不受負荷側(cè)電流的影響下跟蹤它的參考值u&rf，uCJa為子模塊電容電壓。

【權利要求】
1.一種適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，所述三相模塊化多電平換流器包括三個相單元和第一電壓電容，所述三個相單元其中的兩個相單元之間相互并聯(lián)在一起后在與第一電壓電容和另外的一個相單元并聯(lián)在一起；所述相單元包括兩個并聯(lián)在一起的橋臂，所述橋臂包括電抗器和N個子模塊，N大于等于I，且所述子模塊、電抗器相互串聯(lián)在一起；所述子模塊包括直流儲能電容和開關單元，所述開關單元包括第一、第二絕緣柵雙極型晶體管，所述第一絕緣柵雙極型晶體管與直流儲能電容串聯(lián)后，與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；還包括兩個反并聯(lián)的第一、第二二極管，所述第一二極管與第一絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)，所述第二二極管與第二絕緣柵雙極型晶體管并聯(lián)；對于N+1電平的三相模塊化多電平換流器，每個橋臂包含N個級聯(lián)的子模塊，需要采用N組二電平的三角載波，三角載波相位依次錯開2 π/N角度，其特征在于，包括以下步驟:首先，設定好子模塊的開關頻率，其次根據(jù)調(diào)制波的變化來決定子模塊的觸發(fā)狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)其充放電時間，進而實現(xiàn)橋臂中各子模塊的電容電壓平衡；然后將直流儲能電容電壓平衡控制分為能量均分控制和電壓均衡控制2個部分，所述能量均分控制部分的作用是保證每個相單元中若干子模塊電容電壓的平均值跟蹤它的參考值，從而使能量均勻的分配到這些子模塊中；所述電壓均衡控制部分的作用是使橋臂上若干子模塊的直流儲能電容電壓跟蹤其參考值。
2.根據(jù)權利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的子模塊電容電壓平衡控制方法，其特征在于:對于每個橋臂中的N個子模塊，均采用較低開關頻率的SPWM,最后將投入的各子模塊輸出電壓Usm相疊加，得到MMC的橋臂輸出電壓波形。
3.根據(jù)權利要求1所述的用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器，其特征在于:所述三相模塊化多電平換流器還包括安全開關，所述安全開關并聯(lián)在子模塊上，所述安全開關包括高速旁路開關和壓接式封裝晶閘管，所述高速旁路開關與壓接式封裝晶閘管相互并聯(lián)。
4.一種基于權利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制器，其特征在于:所述抑制器采用陷波器提取出環(huán)流中的二倍頻分量，再以比例諧振PR控制器對其進行跟蹤補償，并將補償信號疊加在子模塊參考電壓中，從而達到限制環(huán)流的目的。
5.一種基于權利要求1所述的適用于VSC-HVDC的三相模塊化多電平換流器的MMC內(nèi)部環(huán)流抑制方法，其特征在于:分為環(huán)流2次分量提取及理想PR控制器兩個部分，首先，通過陷波器陷除環(huán)流中的二次成分，再將其與原環(huán)流做差，從而得到環(huán)流二次基本成分；將此二次環(huán)流與參考值再做差，然后將參考值選取為O，將差值送入PR控制器進行跟蹤處理，即可得到需要的參考電壓補償信號。
【文檔編號】H02M7/00GK104201910SQ201410466692
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月12日 優(yōu)先權日:2014年9月12日
【發(fā)明者】余海濤, 孟高軍, 胡敏強, 黃磊 申請人:東南大學