考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法
2023-09-18 18:05:10 4
考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，主要抑制模塊化多電平換流器橋臂環流中的低頻振蕩環流與二倍頻環流。通過分析橋臂電壓與橋臂環流的關係，得出換流器低頻振蕩環流的振蕩頻率，為控制系統的設計提供有利依據；根據振蕩頻率的計算值設置低通濾波器的截止頻率，橋臂環流經過低通濾波器後得到直流分量，再與橋臂環流作差得到橋臂環流的交流分量，此交流分量包含低頻振蕩環流與二倍頻環流諧波分量，交流分量經過調節器得到橋臂環流控制參考電壓，附加到調製信號，實現對橋臂環流中低頻振蕩分量與二倍頻分量的同時抑制，簡化環流控制系統，實現環流的分相控制，降低換流器的損耗，增強系統的動態穩定性。
【專利說明】考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及輕型直流輸電(VSC-HVDC)領域的控制方法，特別是一種考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法。
【背景技術】
[0002]直流輸電在遠程輸電上的優越性能，使其在風力發電、海上發電等可再生能源發電遠距離傳輸中有著極其可觀的應用前景，而模塊化多電平換流器是基於輕型直流輸電中電壓源換流器(VSC-HVDC)的新型拓撲結構。模塊化多電平換流器以高功率因數、低畸變率、器件耐壓小、容錯冗餘度好等優點在輕型直流輸電、中高壓無功補償領域受到廣泛研究與應用，成為高壓直流輸電中兩電平拓撲和三電平拓撲之外的可選方案。
[0003]模塊化多電平換流器共有3相、6個橋臂，每相由上、下兩個橋臂組成，每個橋臂由數目相同或者相近的子模塊與電感串聯構成。採用合理的調製策略，控制子模塊電容的投入與切除，使輸出電壓呈多電平波形，模塊數足夠多時，輸出電壓可近似於正弦波，上、下橋臂子模塊電容的投入總數固定，使得直流側電壓保持恆定，這樣既形成了與交流電網的工作接口，又實現了與直流網絡的穩定連接。理想情況下子模塊電容電壓保持平衡，橋臂電流中只含有工頻分量與直流分量。
[0004]工程實際中，受子模塊電容容值、電抗感值以及子模塊損耗不一致等參數的影響，子模塊循環充放電導致子模塊電容電壓不可能完全相同，甚至出現很大偏差，這導致實際的橋臂電流出現畸變，嚴重時可能發生諧振，不僅增加換流器的損耗，也影響換流器的穩定運行。
[0005]模塊化多電平換流器電容與電感相串聯的特殊結構，使得相間或者與外電網發生諧振可能性很高，在工程應用中尤其值得關注。模塊化多電平換流器內部發生振蕩的原因與發生振蕩的頻率以及有效的抑制措施是十分重要的問題。
[0006]針對模塊化多電平換流器的工作原理，多位學者提出了模塊化多電平換流器橋臂電流的諧波成分及其含量，並重點對橋臂電流中二倍頻環流的產生原因及抑制方法進行研究，對橋臂電流中低頻振蕩環流的產生原因及抑制方法少有提及。屠卿瑞等人在「模塊化多電平換流器型直流輸電內部環流機理分析」(高電壓技術，2010，36 (02)，547?552)中指出二倍頻環流的負序性質及其幅值解析表達式，以增大橋臂電抗達到抑制環流的目的，不僅增加換流器成本，而且影響換流器的功率運行範圍；卓谷穎等人在「模塊化多電平換流器不平衡環流抑制研究」(電力系統保護與控制，2012，40 (24)，118?124)中提出一種基於雙同步旋轉坐標變換的MMC環流抑制控制，但只適用於三相系統；楊曉峰等人在「基於MMC環流模型的通用環流抑制策略」(中國電機工程學報，2012，32 (18)，59?65)中提出適用於任意相且無需坐標變換的通用環流抑制策略，對二倍頻與低頻脈動環流的抑制效果明顯，但未說明低頻脈動環流的產生原因；湯廣福等人在專利「一種基於模塊化多電平換流器的閥電流控制方法」專利號(2011110063053.4)提出了針對二倍頻環流與低頻振蕩環流的抑制方法，但需要多個調節器，且對振蕩頻率等未提及。[0007]圖1是模塊化多電平換流器MMC三相結構圖，圖2是子模塊SM結構圖，為半H橋結構，圖3為模塊化多電平換流器單相結構圖。MMC相內由多個子模塊與電抗串聯組成，相間通過公共直流母線並聯。通過合理的控制，使每相的子模塊進行相應的投切操作，既可以保證直流母線電壓的穩定，又能在交流端得到接近正弦的輸出電壓。單個MMC可用作電能質量治理設備如STATC0M，兩個MMC直流側通過直流輸電線路相連可實現電能的直流傳輸。
[0008]模塊化多電平換流器由三個相單元組成，每相分為上、下兩個橋臂，上、下橋臂相對於直流母線為串聯結構，而相對於交流電網是並聯結構。每個橋臂都由數目相同或者相近的子模塊與一個橋臂電抗串聯組成，子模塊結構為半H橋，由兩個全控型開關器件串聯後與電容並聯而成。
[0009]模塊化多電平換流器橋臂電流由兩部分組成，一部分是交流電網流出(流入)的交流電流，另一部分是直流母線流入(流出)的直流電流。換流器工作中，由於實際工況比理想情況複雜的多，橋臂電流發生畸變，其成分還含有二倍頻及其倍數次諧波電流，以及可能發生的低頻振蕩電流，不僅增加了子模塊與電抗的電流應力，也增大了換流器的損耗，嚴重時系統將無法正常運行。
【發明內容】
[0010]本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，降低整個換流器的損耗，改善系統的動態響應性能，並對異常工況的橋臂振蕩環流進行控制，增強系統的穩定性，解決模塊化多電平換流器工程應用中的環流控制難題。
[0011]為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是:一種考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，模塊化多電平換流器包括三相，每一相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂包括若干個串聯的半H橋子模塊，上、下兩個橋臂鄰接端的半H橋子模塊各通過一個電阻與電抗連接，上、下兩個橋臂的電抗連接；所述半H橋子模塊包括開關管支路和與所述開關管支路並聯的電容支路，所述開關管支路包括兩個串聯的開關管；該方法為:
[0012]1)檢測模塊化多電平換流器每一相上、下橋臂的電流，並將上、下橋臂電流求和後乘以0.5，得到橋臂電流的環流ixz ；
[0013]2)將所述橋臂電流的環流ixz通過低通濾波器，得到橋臂環流ixz的直流分量U，將所述直流分量?-與橋臂環流ixz相減，得到橋臂環流ixz的交流分量? ；所述低通濾波器截止頻率為叫 '
[0014]3)將所述交流分量&通過比例P調節得到環流控制電壓參考值《、將所述環流控制電壓參考值t/f與所述輸出電壓參考值〃 ,Sr加，得到上、下橋臂的輸出電壓參考值
Up1與,經過調製得到模塊化多電平換流器各相上、下橋臂中各半H橋子模塊開關管的
開關信號Spab。、Snabc,實現對低頻振蕩環流與二倍頻環流的同時抑制。
[0015]所述步驟2)中，所述低通濾波器的設計過程如下:
[0016]1)建立模塊化多電平換流器數學模型，獲得模塊化多電平換流器每相橋臂電壓<與環流ixz的微分方程組:
【權利要求】
1.一種考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，模塊化多電平換流器包括三相，每一相包括上、下兩個橋臂，每個橋臂包括若干個串聯的半H橋子模塊，上、下兩個橋臂鄰接端的半H橋子模塊各通過一個電阻與電抗連接，上、下兩個橋臂的電抗連接；所述半H橋子模塊包括開關管支路和與所述開關管支路並聯的電容支路，所述開關管支路包括兩個串聯的開關管；其特徵在於，該方法為: 1)檢測模塊化多電平換流器每一相上、下橋臂的電流，並將上、下橋臂電流求和後乘以0.5，得到橋臂電流的環流込2; 2)將所述橋臂電流的環流ixz通過低通濾波器，得到橋臂環流ixz的直流分量￡諮所述直流分量& -與橋臂環流ixz相減，得到橋臂環流ixz的交流分量所述低通濾波器截止頻率為d/Let;3)將所述交流分量?通過比例P調節得到環流控制電壓參考值V#，將所述環流控制電壓參考值《 ^與所述輸出電壓參考值疊加，得到上、下橋臂的輸出電壓參考值與wf,經過調製得到模塊化多電平換流器各相上、下橋臂中各半H橋子模塊開關管的開關信號Spab。、Snabc,實現對低頻振蕩環流與二倍頻環流的同時抑制。
2.根據權利要求1所述的考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，其特徵在於，所述步驟2)中，所述低通濾波器的設計過程如下: O建立模塊化多電平換流器數 學模型，獲得模塊化多電平換流器每相橋臂電壓與環流ixz的微分方程組:du； N.ref.= z -); at CUd
di, Uil u； , u::f 、R.—:=----1--Uv--1、一 dt 2L AL 2LU, L.其中，L與R分別為橋臂電抗、電阻-』U,為直流母線電壓；Ν表示上、下橋臂半H橋子模塊的個數；C表不半H橋子模塊電容值與ix。分別表不模塊化多電平換流器輸出電壓參考值和每一相的輸出電流；為模塊化多電平換流器每相上、下橋臂電壓之差； 2)利用上述橋臂電壓與環流ixz的微分表達式，計算得到模塊化多電平換流器發生低頻振蕩時的振蕩頻率ω卩 『-區 3)根據所述振蕩頻率設置低通濾波器截止頻率: 一_ I
(χ), — -mCO1 ο
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3.根據權利要求2所述的考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，其特徵在於，所述模塊化多電平換流器每相橋臂電β ?與環流ixz的微分方程組的計算過程如下: 1)建立模塊化多電平換流器每相的KVL與KCL方程:
4.根據權利要求3所述的考慮低頻振蕩的模塊化多電平換流器通用環流控制方法，其特徵在於，所述模塊化多電平換流器發生低頻振蕩時的振蕩頻率的計算過程如下: O忽略輸出電壓參考值<e/引入的基頻及以上頻次波動，對所述模塊化多電平換流器每相環流ixz的微分方程求導，得到環流ixz的一元二階微分方程及其傳遞函數G(S):
【文檔編號】H02M7/5387GK103475250SQ201310441617
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月25日 優先權日:2013年9月25日
【發明者】羅安, 徐千鳴, 周發雲, 熊橋坡, 何志興, 劉愛文, 謝龍裕, 田園 申請人:湖南大學