[发明专利]模块化多电平换流器无源性建模与控制方法

权利要求书

1.模块化多电平换流器无源性建模与控制方法，包括如下步骤：

S1、建立模块化多电平换流器无源性数学模型，求取在一个开关周期内的平均化状态空间方程；

S2、建立基于平均化状态空间方程的模块化多电平换流器能量成型方法算法模型，定义从输入状态变量ξ到输出状态变量X之间的无源系统；

S3、建立换流器阻尼注入算法模型，设计阻尼矩阵W以确保模块化多电平换流器各直流侧电容电压的稳定控制和交流侧电流的快速跟踪控制；并提取基于无源控制算法的多电平换流器上、下桥臂中各模块的开关函数；

S4、搭建基于各模块开关函数的换流器控制模型：比较直流侧电容电压参考值与实测值，并根据阻尼矩阵W参数进行电压外环控制；同时，按照类似方法对交流侧电流进行电流内环控制；然后比较获得的开关函数与三角载波并形成模块化多电平换流器各开关的PWM脉冲控制信号用以实现对直流侧电容电压的控制和交流侧电流的跟踪。

2.根据权利要求1所述的无源性建模与控制方法，其特征在于，步骤S1建立模块化多电平换流器无源性数学模型具体基于单相结构的模块化多电平换流器，过程如下：单相结构的模块化多电平换流器中，上桥臂和下桥臂分别由两个半桥模块组成，每个半桥由两个IGBT、两个反并联二极管、直流侧电容以及直流侧等效并联电阻四部分构成；其中，C_uk和C_dk，k=1或2，分别为上、下桥臂第k个模块的直流母线电容，R_uk和R_dk分别为上、下桥臂第k个模块直流侧电容两端的等效并联电阻，T_uk,j和T_dk,j，k=1或2、j=1或2，分别为上、下桥臂第k个模块的第j个IGBT，D_uk,j和D_dk,j，k=1或2、j=1或2，分别为上、下桥臂第k个模块的第j个反并联二极管；V_d为直流电网电压，u_v为模块化多电平换流器输出的多电平电压，i_u和i_d分别为上、下桥臂电流；L_g和R_g分别表示交流电网侧的电感和等效电阻，v_g为交流电网电压；

基于基尔霍夫定律，建立模块化多电平换流器上、下桥臂的微分方程：

Lediudt+Reiu+mu,1uc,u1+mu,2uc,u2=Vd2-uv---(1)]]>

Lediddt+Reid+md,1uc,d1+md,2uc,d2=Vd2+uv---(2)]]>

其中，m_u,k和m_d,k，k=1或2分别表示上、下桥臂第k个模块的开关函数；u_c,uk和u_c,dk，k=1或2分别表示上、下桥臂第k个模块直流侧电容电压；L_e和R_e分别表示各个桥臂的电感和等效电阻；i_u和i_d分别表示上、下桥臂电流；V_d为直流电网电压，u_v为模块化多电平换流器输出的多电平电压，即桥臂中点的电压；

基于基尔霍夫定律，建立上、下桥臂各单元直流侧的微分方程如下：

Cu1duc,u1dt+uc,u1Ru1-mu,1iu=0---(3)]]>

Cu2duc,u2dt+uc,u2Ru2-mu,2iu=0---(4)]]>

Cd1duc,d1dt+uc,d1Rd1-md,1id=0---(5)]]>

Cd2duc,d2dt+uc,d2Rd2-md,2id=0---(6)]]>

其中，C_uk和C_dk，k=1或2分别为上、下桥臂第k个模块的直流母线电容，R_uk和R_dk分别为上、下桥臂第k个模块直流侧电容两端的等效并联电阻；

将公式（1）～（6）改写成如下的矩阵微分方程形式：

Dz·+Rz+mu,1Mu1z+mu,2Mu2z+md,1Md1z+md,2Md2z=ξ---(7)]]>

其中ξ为系统的输入向量，状态变量z及系数矩阵D、R、M_u1、M_u2、M_d1、M_d2分别为：

ξ=[Vd2-uv,Vd2+uv,0,0,0,0]T]]>

z=[i_u,i_d,u_c,u1,u_c,u2,u_c,d1,u_c,d2]^T

D=diag{L_e,L_e,C_u1,C_u2,C_d1,C_d2}

R=diag{Re,Re,1Ru1,1Ru2,1Rd1,1Rd2}]]>

Mu1=001000000000-100000000000000000000000,]]>Mu2=000100000000000000-100000000000000000]]>

Md1=0000000000000000100000000-10000000000,]]>Md2=0000000000010000000000000000000-10000]]>

由于系数矩阵M_u1、M_u2、M_d1、M_d2均为反对称矩阵，均满足z^TM_hz=0，其中h分别取u₁、u₂、d₁和d₂之一，模块化多电平换流器的能量函数E表示为：

E=12zTDz,D=DT>0---(8)]]>

模块化多电平换流器耗散能量E_dis表示为：

Edis=12zTRz,R=RT>0---(9)]]>

采用平均化方法对状态变量在一个控制周期进行平均化处理，即方程（7）可改写为：

DX·+RX+su,1Mu1X+su,2Mu2X+sd,1Md1X+sd,2Md2X=ξ---(10)]]>

其中，X为状态变量z在一个开关周期的平均值，表示为：

X=[i‾u,i‾d,u‾c,u1,u‾c,u2,u‾c,d1,u‾c,d2]T---(11)]]>

其中，X各元素分别为状态变量z各元素在一个开关周期的平均值；s_u,k和s_d,k分别为在一个开关周期内上、下桥臂第k个模块的平均化开关函数。