[发明专利]基于工频固定开关频率模块化多电平变流器的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及模块化多电平拓扑结构中高压电能质量控制器以及高压直流输电领域，尤其涉及一种基于工频固定开关频率模块化多电平变流器的控制方法。

背景技术

随着社会进步和工业发展，现代电力系统存在两大特点：输配电系统庞大，电力系统电压和功率等级的不断提升。首先，现代社会对电力的需求越来越多，为了满足用户对电力日益增长的需求，电力系统变得越来越庞大，覆盖范围也越来越广阔。这给电力系统的稳定性带来挑战。同时，由于我国地域辽阔，但资源分布不平衡，为了提高长远距离输电的效率，高压直流输电（HVDC，high-voltage direct current）技术应用越来越广泛。其次，现代电力系统的负载也有新的特点：电力电子装置具有优越的性能，已经被工农业等消费产业大量采用。然而，电力电子装置作为非线性负载，会向电网注入无功和谐波，随着非线性负载容量的增大，其对配电系统的影响也越来越大，使系统存在不安全，不稳定隐患。对中高压输配电系统进行无功补偿，可以有效改善电力系统的稳定性。不同供电系统之间通过高压直流输电系统（HVDC）互联，可以解决系统不同步问题，也可以阻止故障在系统之间蔓延，是改善系统稳定性与可靠性的可行方法。

模块化多电平变流器（MMC，Modular Multilevel Converter）自从提出之后就得到学者的广泛的研究和工程师的强烈关注。模块化多电平变流器具有诸多优点：模块化设计、低开关频率、低功耗、高质量的频谱特性等。这些优点给模块化多电平变流器的制造，安装，维护带来了巨大方便，也使得其不用网侧变压器直接挂入中高压电网。现在模块化多电平变流器已被应用于高压直流输电系统和中高压电能质量控制系统，成为改善输配电系稳定性与可靠性的有效方法。

随着高压大功率的不断发展，工程应用中总希望模块化多电平变流器具有更高的效率。其中最有效的一个方法就是减少半导体开关器件的开关频率。然而，在实际应用中，开关频率的降低会给调制策略以及电容电压平衡控制带来极大困难。针对模块化多电平变流器所提出的许多调制策略与电容电压平衡控制方法已不再适用。因此，需要一种新型的调制策略以及相应的电容电压平衡控制方法来使得模块化多电平变流器有效地工作在固定工频开关频率下。

针对模块化多电平变流器低开关频率下的控制方法问题，许多研究工作与成果已被提出。例如一种基于固定工频开关频率的调制策略，且能量在子模块间的均匀分配是由周期性地移位脉冲波形来实现，但是该方法由于未考虑各子模块能量损耗不同的问题而无法保证直流电容电压平均值恒定。作为进一步的完善，还有学者提出了一种微调脉冲宽度的控制方法来保持电容电压恒定，但是这种方法会增大输出电压的谐波含量。还有一类平衡电容电压的方法是通过对电容电压进行排序并由桥臂电流的极性来判断是否对电容进行充放电。但是这类方法的问题是开关频率较高且不固定。本文作者尚未看到针对基于工频固定开关频率模块化多电平变流器的很好的控制策略。为此，还需要对基于工频开关频率模块化多电平变流器的控制策略问题进行系统的研究。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种在工频固定开关频率下模块化多电平变流器的调制策略以及相应的电容电压平衡控制方法。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

包括以下步骤：

1）、编制脉冲波形初始参数表：

1.1、根据一个工频周期内脉冲波形的特征，设定表示该脉冲波形的一组参数为(γ_k,w_k)，其中，γ_k为脉冲波形中心点位置，w_k为半脉冲波形宽度；

1.2、将模块化多电平变流器每个桥臂的子模块分成若干组，每组中含有四个子模块，且设每组中的脉冲波形包括s_k1，s_k2，s_k3，s_k4，其参数分别为(γ_k,w_k)，(-γ_k,π-w_k)，(-γ_k,w_k)，(γ_k,π-w_k)；

1.3、设定调制比m，将所设定的调制比m代入下列关系式，得到所设定的调制比m下的脉冲波形初始参数γ_k'、w_k'：