本發(fā)明屬于高壓大容量電力電子換流器控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及主動(dòng)利用二倍頻環(huán)流的模塊化多電平換流器優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

模塊化多電平換流器屬于電壓源型電力電子換流器，基于絕緣柵雙極型晶體管等全控電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)，能夠穩(wěn)定地控制有功功率和無(wú)功功率在交直流系統(tǒng)間傳輸。模塊化多電平換流器的電路原理如圖1所示。模塊化多電平換流器包含a、b、c三個(gè)相單元，每個(gè)相單元包含兩個(gè)橋臂，即上橋臂和下橋臂，總共六個(gè)橋臂。三個(gè)相單元并聯(lián)在直流正極和直流負(fù)極之間，三個(gè)相單元的上橋臂和下橋臂的中間點(diǎn)聯(lián)接三相交流系統(tǒng)。每個(gè)橋臂通過(guò)的電流分別記為a相上橋臂電流i_ap、a相下橋臂電流i_an、b相上橋臂電流i_bp、b相下橋臂電流i_bn、c相上橋臂電流i_cp、c相下橋臂電流i_cn。每個(gè)橋臂由一個(gè)橋臂電抗L_s和N個(gè)子模塊串聯(lián)組成。每個(gè)子模塊由兩個(gè)絕緣柵雙極晶體管S₁、S₂，兩個(gè)續(xù)流二極管D₁、D₂以及一個(gè)直流電容C_d構(gòu)成。模塊化多電平換流器具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，如模塊化的結(jié)構(gòu)，易于達(dá)到高電壓等級(jí)；多電平的工作方式，利于提升傳輸效率；高質(zhì)量的輸出電壓波形，不需要安裝交流濾波器等，使其在高壓大容量輸電系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，在區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)、可再生能源接入等場(chǎng)景下受到廣泛重視。

直流電容是模塊化多電平換流器的關(guān)鍵指標(biāo)，是模塊化多電平換流器體積和成本的重要決定因素，與模塊化多電平換流器的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)效益直接相關(guān)。按照常規(guī)的模塊化多電平換流器設(shè)計(jì)方法，為了降低每個(gè)子模塊中絕緣柵雙極晶體管承受的電壓峰值和限制直流電容電壓波動(dòng)，一般都會(huì)選擇較大的直流電容。直流電容的體積可能會(huì)達(dá)到整個(gè)子模塊體積的80％左右，直流電容的成本甚至與絕緣柵雙極晶體管的成本相近，導(dǎo)致模塊化多電平換流器體積龐大、成本高昂。如果能夠降低直流電容電壓波動(dòng)，直流電容就能夠相應(yīng)降低，這對(duì)于優(yōu)化模塊化多電平換流器的體積和成本有重要意義。

模塊化多電平換流器的控制一般由換流器級(jí)控制、二倍頻環(huán)流控制和底層控制組成。換流器級(jí)控制需要根據(jù)模塊化多電平換流器上級(jí)控制器發(fā)送的有功功率指令、無(wú)功功率指令、直流電壓指令、交流電壓指令等，動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊化多電平換流器的三相交流參考電壓和直流參考電壓。底層控制首先需要根據(jù)得到的三相交流參考電壓和直流參考電壓，動(dòng)態(tài)計(jì)算六個(gè)橋臂參考電壓；然后以橋臂為單位，針對(duì)橋臂中的子模塊，根據(jù)橋臂參考電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制和直流電容電壓平衡控制，生成脈沖信號(hào)；最后根據(jù)得到的脈沖信號(hào)對(duì)絕緣柵雙極晶體管進(jìn)行開關(guān)控制。二倍頻環(huán)流控制會(huì)使底層控制發(fā)生變化，但不會(huì)影響換流器級(jí)控制，具體表現(xiàn)為：二倍頻環(huán)流控制會(huì)根據(jù)控制目標(biāo)，動(dòng)態(tài)計(jì)算得到一組參考電壓，這組參考電壓疊加在換流器級(jí)控制得到的三相交流參考電壓上，會(huì)使橋臂參考電壓發(fā)生變化，底層控制需要根據(jù)新的橋臂參考電壓進(jìn)行控制。

橋臂環(huán)流是模塊化多電平換流器的特征電流，是直流電容電壓波動(dòng)的必然產(chǎn)物。二倍頻環(huán)流是橋臂環(huán)流的主要成分，可以作為降低直流電容電壓波動(dòng)、優(yōu)化模塊化多電平換流器的手段。常規(guī)的二倍頻環(huán)流控制方法以將二倍頻環(huán)流抑制為零為控制目標(biāo)，雖然能夠在一定程度上降低換流器損耗，但是降低直流電容電壓波動(dòng)的效果并不明顯。另一種二倍頻環(huán)流控制方法以令直流電容電壓波動(dòng)最小為控制目標(biāo)，雖然能夠使直流電容電壓波動(dòng)降到最小，但是直流電容電壓波動(dòng)的過(guò)度降低，往往需要非常大的二倍頻環(huán)流，不但會(huì)使換流器損耗大幅增加，并且由于子模塊中絕緣柵雙極晶體管所需承受的電流應(yīng)力急劇上升，會(huì)導(dǎo)致絕緣柵雙極晶體管的選型困難，尤其是在高壓大容量場(chǎng)合下，甚至可能無(wú)法選擇到合適的絕緣柵雙極晶體管。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種主動(dòng)利用二倍頻環(huán)流的模塊化多電平換流器優(yōu)化控制方法。本發(fā)明通過(guò)在橋臂參考電壓中注入二倍頻參考電壓，令初始二倍頻環(huán)流反轉(zhuǎn)，以達(dá)到在不增加換流器損耗前提下大幅度降低直流電容電壓波動(dòng)的目的，實(shí)現(xiàn)模塊化多電平換流器的優(yōu)化。

本發(fā)明提出的主動(dòng)利用二倍頻環(huán)流的模塊化多電平換流器優(yōu)化控制方法，該方法由換流器級(jí)控制、二倍頻環(huán)流控制和底層控制組成，其特征在于，包括以下步驟：

1)換流器級(jí)控制：根據(jù)模塊化多電平換流器上級(jí)控制器發(fā)送的有功功率指令、無(wú)功功率指令、直流電壓指令、交流電壓指令，動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊化多電平換流器的三相交流參考電壓和直流參考電壓

2)二倍頻環(huán)流控制：具體包括：

2-1)動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊化多電平換流器初始二倍頻環(huán)流：根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的交流電流有效值I、交流電壓調(diào)制比M、功率因數(shù)角計(jì)算二倍頻環(huán)流的初始幅值I_Z0和初始相位θ₀，計(jì)算公式如式(1)所示：

式中，ω為基波角頻率，L_s表示橋臂電抗，C_d表示子模塊直流電容，N表示每個(gè)橋臂中子模塊的總數(shù)目；

2-2)設(shè)置二倍頻環(huán)流目標(biāo)值：以令初始二倍頻環(huán)流反轉(zhuǎn)為目標(biāo)，二倍頻環(huán)流目標(biāo)值的幅值與二倍頻環(huán)流的初始幅值I_Z0相等，二倍頻環(huán)流目標(biāo)值的相位θ^*與二倍頻環(huán)流的初始相位θ₀差180°，計(jì)算公式如式(2)所示：

2-3)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，動(dòng)態(tài)計(jì)算需要注入的二倍頻參考電壓；dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以a相交流電壓的相位為基準(zhǔn)相位，旋轉(zhuǎn)頻率為二倍頻2ω，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)序，即依次經(jīng)過(guò)a相、c相和b相，再根據(jù)Park反變換計(jì)算得到需要注入的二倍頻參考電壓

3)底層控制：根據(jù)換流器級(jí)控制得到的交流參考電壓和直流參考電壓將2-3)得到的需要注入的二倍頻參考電壓疊加到交流參考電壓和直流參考電壓上，分別生成六個(gè)橋臂參考電壓計(jì)算公式如式(8)所示：

根據(jù)得到的橋臂參考電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制和直流電容電壓平衡控制，生成脈沖信號(hào)；再根據(jù)得到的脈沖信號(hào)對(duì)子模塊絕緣柵雙極晶體管進(jìn)行開關(guān)控制，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)初始二倍頻環(huán)流的反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)的二倍頻環(huán)流具有抵消直流電容電壓波動(dòng)中的基頻分量和二倍頻分量的作用，能夠大幅度地降低直流電容電壓波動(dòng)，使得換流器所需的直流電容大大降低。同時(shí)，反轉(zhuǎn)的二倍頻環(huán)流的幅值與初始二倍頻環(huán)流的幅值相同，不會(huì)導(dǎo)致?lián)Q流器損耗的升高。本發(fā)明能夠在不影響換流器損耗的前提下，大幅度降低直流電容電壓波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模塊化多電平換流器成本和體積的優(yōu)化。

附圖說(shuō)明

圖1為模塊化多電平換流器的電路原理圖。

圖2為本發(fā)明的主動(dòng)利用二倍頻環(huán)流的模塊化多電平換流器優(yōu)化控制方法的流程框圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的主動(dòng)利用二倍頻環(huán)流的模塊化多電平換流器優(yōu)化控制方法，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明如下。

本發(fā)明提出的主動(dòng)利用二倍頻環(huán)流的模塊化多電平換流器優(yōu)化控制方法，該方法由換流器級(jí)控制、二倍頻環(huán)流控制和底層控制組成，具體流程如圖2所示，包括以下步驟：

1)換流器級(jí)控制：根據(jù)模塊化多電平換流器上級(jí)控制器發(fā)送的有功功率指令、無(wú)功功率指令、直流電壓指令、交流電壓指令，動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊化多電平換流器的三相交流參考電壓和直流參考電壓

2)二倍頻環(huán)流控制：具體包括：

2-1)動(dòng)態(tài)計(jì)算模塊化多電平換流器初始二倍頻環(huán)流：根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量得到的交流電流有效值I、交流電壓調(diào)制比M、功率因數(shù)角計(jì)算二倍頻環(huán)流的初始幅值I_Z0和初始相位θ₀，計(jì)算公式如式(1)所示：

式中，ω為基波角頻率，L_s表示橋臂電抗，C_d表示子模塊直流電容，N表示每個(gè)橋臂中子模塊的總數(shù)目；

2-2)設(shè)置二倍頻環(huán)流目標(biāo)值：以令初始二倍頻環(huán)流反轉(zhuǎn)為目標(biāo)，二倍頻環(huán)流目標(biāo)值的幅值與二倍頻環(huán)流的初始幅值I_Z0相等，二倍頻環(huán)流目標(biāo)值的相位θ^*與二倍頻環(huán)流的初始相位θ₀差180°，計(jì)算公式如式(2)所示：

2-3)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，動(dòng)態(tài)計(jì)算需要注入的二倍頻參考電壓；dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系以a相交流電壓的相位為基準(zhǔn)相位，旋轉(zhuǎn)頻率為二倍頻2ω，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)樨?fù)序，即依次經(jīng)過(guò)a相、c相和b相，再根據(jù)Park反變換計(jì)算得到需要注入的二倍頻參考電壓具體步驟如下：

2-3-1)根據(jù)步驟2-2)得到的二倍頻環(huán)流目標(biāo)值的幅值和二倍頻環(huán)流目標(biāo)值的相位θ^*，計(jì)算二倍頻環(huán)流目標(biāo)值在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量和計(jì)算公式如式(3)所示：

2-3-2)根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)量獲得的六個(gè)橋臂電流i_ap、i_an、i_bp、i_bn、i_cp、i_cn，計(jì)算二倍頻環(huán)流實(shí)際值i_aZ、i_bZ、i_cZ，計(jì)算公式如式(4)所示：

2-3-3)根據(jù)Park變換計(jì)算二倍頻環(huán)流實(shí)際值在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量i_dZ和i_qZ，計(jì)算公式如式(5)所示：

2-3-4)采用dq解耦控制方法，計(jì)算需要注入的二倍頻參考電壓在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的分量和計(jì)算公式如式(6)所示：

2-3-5)根據(jù)Park反變換計(jì)算得到需要注入的二倍頻參考電壓計(jì)算公式如式(7)所示：

3)底層控制：根據(jù)換流器級(jí)控制得到的交流參考電壓和直流參考電壓將步驟2-3-5)得到的需要注入的二倍頻參考電壓疊加到交流參考電壓和直流參考電壓上，分別生成六個(gè)橋臂參考電壓計(jì)算公式如式(8)所示：

根據(jù)得到的橋臂參考電壓進(jìn)行脈沖調(diào)制和直流電容電壓平衡控制，生成脈沖信號(hào)；再根據(jù)得到的脈沖信號(hào)對(duì)子模塊絕緣柵雙極晶體管進(jìn)行開關(guān)控制，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制。