模塊化多電平變流器橋臂間能量平衡控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及多電平柔性直流輸電變流器控制技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于模 塊化多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器電容儲能控制的模塊化多電平變流器橋臂間能量平衡控制方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 柔性直流輸電技術(shù)已廣泛應(yīng)用于海上風(fēng)電場并網(wǎng)系統(tǒng)，隨著海上風(fēng)電場規(guī)模的不 斷擴大，柔性直流輸電變流器的電壓等級和容量需求也不斷提高，同時沿海等地區(qū)部分電 網(wǎng)屬于弱交流系統(tǒng)，這對變流器的控制提出了更高的要求.
[0003] 模塊化多電平變流器以模塊化功率單元為基礎(chǔ)，采用多級串聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)電 壓等級，目前常用的功率單元拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括半橋、全橋以及半橋和全橋混合結(jié)構(gòu)，已投運的 大容量柔性直流輸電系統(tǒng)均采用半橋結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)對于直流側(cè)故障沒有隔離能力，系統(tǒng) 直流雙極短路情況下容易造成開關(guān)器件損壞，目前已有大量文獻(xiàn)提出改進(jìn)的模塊化多電平 結(jié)構(gòu)，主要有鉗位式雙子模塊結(jié)構(gòu)和全橋模塊結(jié)構(gòu)，具有直流故障的閉鎖能力，是未來模塊 化多電平變流器的主要發(fā)展方向，但目前實際工程應(yīng)用還較少。對于上述各種模塊化多電 平結(jié)構(gòu)在連接弱交流系統(tǒng)時，由于風(fēng)電場輸出功率存在較大波動，易造成電網(wǎng)側(cè)交流電壓 波動，從而使變流器直流側(cè)正負(fù)極母線電壓出現(xiàn)不平衡，若對此不加以控制，將嚴(yán)重影響并 網(wǎng)電能質(zhì)量，甚至因雙極不平衡造成變流器橋臂過電壓等保護動作，以至系統(tǒng)停運。
[0004] 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，劉鐘淇等人在電力系統(tǒng)自動化上所發(fā)表的"基于 模塊化多電平變流器的輕型直流輸電系統(tǒng).2010, 34 (2) :53-58"針對采用半橋結(jié)構(gòu)的模塊 化多電平變流器介紹了一種最近電平逼近（NLM)的調(diào)制方法，以及橋臂內(nèi)電容電壓平衡策 略。所采用的NLM方法，根據(jù)控制信號的幅值經(jīng)取整運算近似得到6個橋臂所有模塊為"投 入"或"切除"狀態(tài)的個數(shù)。再利用電容電壓排序方法結(jié)合橋臂電流方向，具體確定投入和 切除的模塊序號。使得電流為充電方向時，電容電壓最低的模塊為投入狀態(tài)，電容電壓最高 的模塊為切除狀態(tài)；反之電流為放電方向時，電容電壓最高的模塊為投入狀態(tài)，電容電壓最 低的模塊為切除狀態(tài)。但該文獻(xiàn)對各橋臂電容電壓和的平衡未加控制，在系統(tǒng)連接弱交流 電網(wǎng)時，傳輸功率波動易出現(xiàn)正負(fù)極不平衡情況，威脅變流器安全。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種模塊化多電平變流器 橋臂間能量平衡控制方法，通過對橋臂電容存儲能量的平衡控制，實現(xiàn)模塊化多電平橋臂 間電壓平衡控制，以保證在變流器傳輸功率波動以及弱交流電網(wǎng)連接過程中，正負(fù)極母線 電壓平衡，在變流器常規(guī)的電網(wǎng)電壓定向矢量控制方法計算所得到控制信號基礎(chǔ)上疊加平 衡控制分量，實現(xiàn)擾動工況下系統(tǒng)平衡控制。與現(xiàn)有成熟控制方法能夠相互配合，對傳統(tǒng)功 率/電壓-電流的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)無任何影響，易于現(xiàn)有工程系統(tǒng)的實現(xiàn)和改造。
[0006] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。
[0007] -種模塊化多電平變流器橋臂間能量平衡控制方法，包括以下步驟：
[0008] 第一步，計算橋臂電容儲存能量，包括一個橋臂所有級聯(lián)模塊電容電壓儲存能量 的加和；
量，C為電容容量，Ud。為電容電壓平均值；
[0010] 所述橋臂電容儲存能量為N ? W。，其中N為一個橋臂級聯(lián)模塊個數(shù)，此處認(rèn)為橋臂 內(nèi)所有模塊電容電壓一致，橋臂內(nèi)各級聯(lián)模塊電容電壓平衡控制可采用【背景技術(shù)】中提供的 已公開文獻(xiàn)中記載的電容電壓排序方法；
[0011] 第二步，基于PI (比例-積分）調(diào)節(jié)器，計算橋臂電容儲存能量平衡控制模塊輸 出；
[0012] 包括以下步驟
[0013] (1)計算變流器上、下橋臂儲存能量差的給定值1#與實際上、下橋臂能量差的 實際反饋值N 之誤差信號AW將上述給定值和實際反饋{直的誤差信號AW。送入PI調(diào) 節(jié)器；
[0014] (2)將誤差信號AWc作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過比例-積分（PI)運算，PI調(diào)節(jié) 器的輸出為用于能量平衡的電流幅值給定信號
[0015] 第三步，基于比例-諧振（PR)調(diào)節(jié)器，計算電容儲存能量平衡控制信號；
[0016] 包括以下步驟
[0017] ⑴將能量平衡的電流幅值給定信號Iwref與電網(wǎng)相位信號相乘得到平衡控制所 需電流的給定信號iw_；ref;
[0018] iw ref= I w ref ? sina
[0019] 其中a為電網(wǎng)相位角；
[0020] (2)計算平衡控制所需電流的給定信號iw 和環(huán)流電流i @的誤差信號A i w @;
[0021] 所述環(huán)流電流為i@= 〇. 5 ? (i up+id_)，其中iu#P i d_分別為變流器上橋臂和下 橋臂的電流值；
[0022] (3)將誤差信號A U乍為PR調(diào)節(jié)器的輸入，經(jīng)過比例-諧振（PR)運算，PR調(diào) 節(jié)器的輸出為用于能量平衡的控制信號Uw ref;
[0023] 第四步，將三相分別計算得出的能量平衡控制信號仏#與變流器原控制器輸出控 制信號U'Mf_ab。相疊加得到變流器三相調(diào)制信號UMf_ab。。
[0024] 優(yōu)選地，所述級聯(lián)模塊可以為半橋結(jié)構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)以及半橋和全橋混合結(jié)構(gòu)。
[0025] 優(yōu)選地，所述變流器上、下橋臂之間經(jīng)電抗器Ll和電抗器L2串聯(lián)組成；所述上、下 橋臂均由多個級聯(lián)模塊的高壓端和低壓端依次串聯(lián)連接組成。
[0026] 優(yōu)選地，所述PI調(diào)節(jié)器的輸入端與誤差信號AWe信號連接，所述PI調(diào)節(jié)器的輸 出端與電流幅值給定信號I w_Mf信號連接；其中，PI調(diào)解器結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示；
[0027] 優(yōu)選地，所述電網(wǎng)相位角a可由鎖相環(huán)獲得。
[0028]優(yōu)選地，所述PR調(diào)節(jié)器包括對輸入信號的比例運算環(huán)節(jié)和諧振運算環(huán)節(jié)，比例運 算環(huán)節(jié)和諧振運算環(huán)節(jié)并聯(lián)后，再分別與輸入、輸出信號串聯(lián)；其中，PR調(diào)節(jié)器的輸入端與 誤差信號A U目連接，PR調(diào)節(jié)器的輸出端與能量平衡的控制信號U 連接。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明提供的模塊化多電平變流器橋臂間能量平衡控制方法，通過電容儲存 能量平衡控制環(huán)節(jié)計算得到能量平衡所需電流給定數(shù)值，基于PR調(diào)節(jié)器輸出能量平衡控 制信號，使橋臂環(huán)流跟蹤給定，實現(xiàn)變流器上下橋臂中功率模塊儲存能量平衡的目的。計算 所得到的平衡控制信號可以直接與電網(wǎng)電壓定向的矢量控制方法輸出調(diào)制信號直接疊加， 與現(xiàn)有控制方法相互兼容，易于對現(xiàn)有控制系統(tǒng)優(yōu)化和改造。
[0030] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0031] 1、本發(fā)明能夠?qū)ψ兞髌鬟B接弱交流系統(tǒng)或傳輸功率波動工況下出現(xiàn)的正負(fù)極不 平衡或橋臂間能量不平衡進(jìn)行抑制；
[0032] 2、本發(fā)明可以與現(xiàn)有技術(shù)中的橋臂內(nèi)電容電壓配合使用，有效提高變流器抗擾性 能和動態(tài)性能。
【附圖說明】
[0033] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0034] 圖1是模塊化多電平橋臂能量平衡控制方法結(jié)構(gòu)圖；
[0035] 圖2橋臂能量平衡控制方法中功率模塊允許結(jié)構(gòu)，其中，（a)為第一種結(jié)構(gòu)，（b)為 第二種結(jié)構(gòu)；
[0036] 圖3模塊化多電平一相橋臂結(jié)構(gòu)；
[0037] 圖4 PI調(diào)節(jié)器和PR調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)，其中，（a)為比例-積分（PI)控制器，（b)為比 例-諧振（PR)控制器。
[0038] 圖中，1為級聯(lián)模塊；Vd。為直流電壓，Kp為比例環(huán)節(jié)放大倍數(shù)（取常數(shù)），K :為積 分環(huán)節(jié)放大倍數(shù)（取常數(shù)），&為為諧振環(huán)節(jié)方法倍數(shù)（取常數(shù)），s為微分算子，Wtl為電網(wǎng) 角頻率。
【具體實施方式】
[0039] 下面對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明：本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程。應(yīng)當(dāng)指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保 護范圍。
[0040] 實施例
[0041] 本實施例提供了一種模塊化多電平變流器橋臂間能量平衡控制方法，在現(xiàn)有控制 策略基礎(chǔ)上疊加控制信號，實現(xiàn)橋臂間電容儲存能量平衡控制。本實施例提供的控制方法 包含電容儲能計算環(huán)節(jié)（通過電容儲能計算模塊實現(xiàn)）、能量平衡控制環(huán)節(jié)（通過能量平衡 控制模塊實現(xiàn)）和平衡信號計算環(huán)節(jié)（通過平衡信號計算模塊實現(xiàn)），具體包括如下步驟：
[0042] 第一步，利用電容儲能計算模塊，計算電容儲存能量。電容儲能計算模塊的輸入端 分別與A相上橋臂電容電壓平均值信號和下橋臂電容電壓平均值信號相連。電容儲能計算 模塊的輸出端分別與上、下橋臂能量差值相連。
[0043] 第二步，基于PI調(diào)節(jié)器，計算橋臂電容儲存的能量平衡控制模塊輸出。能量平衡 控制模塊的輸入端信號為一相上下橋臂電容儲能差值給定和實際反饋值的差值信號。能量 平衡控制模塊的輸出端與能量平衡的電流給定信號連接。
[0044]第三步，基于比例-諧振（PR)調(diào)節(jié)器，利用平衡信號計算模塊，計算電容儲存能量 平衡控制信號，平衡信號計算模塊輸入端與能量平衡的電流的給定信號和環(huán)流電流的差值 信號相連接。平衡信號計算模塊的輸出端輸出為能量平衡控制信號。
[0045] 第四步，如圖1所示，將三相分別計算得出的能量平衡控制信號與變流器原控制 器輸出控制信號相疊加得到變流器三相調(diào)制信號。
[0046]進(jìn)一步地，變流器由功率模塊（級聯(lián)模塊）串聯(lián)組成，其中級聯(lián)模塊可以為半橋結(jié) 構(gòu)、全橋結(jié)構(gòu)以及半橋和全橋混合結(jié)構(gòu)。
[0047]進(jìn)一步地，一相上下橋臂結(jié)