[发明专利]一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)采用目前国际上较为流行的新型多电平拓扑结构。其模块化设计、良好的扩展性等性能在高压直流输电等领域具有广阔的应用前景。其是由多个子模块（Submodule,SM）堆叠而成，如图1所示，通过控制子模块的投入和退出，就可以控制交流侧输出电压，从而实现交直流功率交换。同时，所输出的交流电压波形包含很多的电压阶梯以最大限度的逼近正弦波，从而减少甚至无需配置滤波装置。模块化多电平换流器的核心单元——子模块(Sub Module，SM)如图1中的3所示，是由半桥结构的IGBT模块和电容器并联构成，每个半桥结构的IGBT模块包括反并联二极管和可自关断的电力电子开关器件IGBT。其基本拓扑结构(如图1)所示，与H桥级联型多电平结构类似，模块化多电平换流器由三个相单元(Phase Module或Phase Unite，图1中的1)组成，每个相单元包含上下对称的换流桥臂(Converter Leg)（如图1中的2所示），而每个换流桥臂又由多个子模块和一个桥臂电抗器串联而成。

正常运行时，模块化多电平换流器通过控制子模块中两个开关器件的开通关断，合理地控制各相子模块的投入和切除数，可以得到不同的交流输出电压。换流器各相投入的子模块共同构成了直流侧电压。由此可见，换流器内部能量的平衡即子模块电容电压的平衡直接关系到换流器交直流侧输出电压质量。

目前关于模块化多电平换流器子模块电容电压平衡控制的研究大多以交流系统对称为前提，根据研究内容可以分为两类：单桥臂子模块电容电压平衡控制；相间电压平衡控制。其中单桥臂子模块电容电压的平衡控制是相间电压平衡控制的基础。单桥臂子模块电容电压平衡控制的一种主要方法是根据桥臂电流、子模块电容电压大小及当前投入模块数指令，确定各子模块的投入与切出。相间电压平衡控制主要有两种方法：一种控制方式是以相间能量为控制目标的电压平衡控制；此外，由于相间电压的不平衡会产生以二倍频负序为主的谐波环流，另外一种控制方法即通过抑制相间二倍频负序谐波环流来实现相间电压平衡。事实上，模块化多电平换流器的电压平衡应包括各桥臂子模块电容电压平衡控制，各相上下桥臂间电压平衡控制，相间电压平衡控制以及总的子模块电容电压平衡控制。其中各桥臂内部子模块电容电压的平衡是其他三者的基础，上下桥臂间电压的不平衡会产生基频谐波环流，相间电压不平衡会导致二倍频谐波环流，而总的子模块电容电压的平衡会导致交直流功率的不平衡。

徐政、屠卿瑞等人的“一种三相模块化多电平换流器环流抑制方法”（申请号：201010162065.8），提出了一种以抑制桥臂环流二倍频谐波的相间电压平衡控制方法。具体过程为：利用二倍基波频率的负序旋转坐标变换，对检测到的桥臂电流进行处理后，再通过信号处理和前馈补偿环节，得到用于抑制环流的附加控制信号；然后用直流电压值的二分之一减去该附加控制信号，并与已有的换流器交流侧输出电压参考信号叠加得到桥臂电压指令值；最后，进行脉宽调制得到换流器各桥臂的触发脉冲，使换流器输出相应的电压。此方法只是用于相间电容电压的平衡，对于上下桥臂电容电压的平衡以及总的子模块电容电压的平衡并未涉及。同时，该控制方法是在两相旋转坐标系下实现的，对于交流电网不对称相间电容电压的平衡控制并不适用。

徐政、屠卿瑞等人的“三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法”（申请号：201110274735.X），提出了一种不对称交流电网下，三相模块化多电平换流器的直流电压波动抑制方法。具体过程为：首先，利用检测到的换流器桥臂电压，计算得到相单元内部的零序电压分量；再次，通过带通滤波算法，得到用于抑制直流母线电压二倍频波动的附加控制信号；然后用直流电压值的二分之一减去该附加控制信号，并与已有的换流器交流侧输出电压参考信号叠加得到桥臂电压指令值；最后，再进行脉宽调制得到换流器各桥臂的触发脉冲，使换流器输出相应的电压。上述控制方法一定程度上消除了总的子模块电容电压二倍频波动对直流侧输出电压的影响，但交流电网不对称期间换流器内部能量的平衡控制并未详细论述。

上述两种子模块电容电压平衡控制方法其共同的不足在于：第一，两种控制方式均未设计上下桥臂电容电压的平衡控制，以及总的电容电压平衡；第二，未能对交流系统故障工况下模块化多电平换流器桥臂环流控制目标进行明确。

发明内容