模塊化多電平背靠背換流器及其控制方法與流程
2023-06-24 02:32:36
本發明涉及電力電子
技術領域：
，尤其涉及一種模塊化多電平背靠背換流器及其控制方法。
背景技術：
：模塊化多電平背靠背換流器是一種輸電線路長度為零的模塊化多電平換流器，它由多個結構相同的橋臂構成，每個橋臂的上橋臂和下橋臂均由數量相同的多個子模塊級聯構成，通過分別控制每個子模塊的狀態，可以使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波，從而降低輸出電壓中的諧波含量，解決兩電平電壓源換流器存在的串聯均壓問題，具有廣闊的應用前景。目前，模塊化多電平背靠背換流器已經在異步聯網、背靠背聯網工程中得到了應用。但是，由於現有的模塊化多電平背靠背換流器的子模塊個數多，換流器內部結構複雜，對電容器的電容量要求高，因此製造換流器的成本昂貴。圖1為現有技術中的模塊化多電平背靠背換流器的典型結構，從圖1可以看出，現有的模塊化多電平背靠背換流器由6個橋臂1～6組成，每個橋臂包括至少4個子模塊，通過計算可知，現有的模塊化多電平背靠背換流器至少需要24個子模塊來實現換流器輸出的交流電壓逼近正弦波的目的。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種模塊化多電平背靠背換流器及其控制方法，在保證輸出的交流電壓逼近正弦波的基礎上，有效地減少子模塊的個數，簡化模塊化多電平背靠背換流器的內部結構，降低模塊化多電平背靠背換流器的製造成本。為了達到上述目的，本發明提供如下技術方案：一方面，本發明提供了一種模塊化多電平背靠背換流器，所述換流器包括六個橋臂，六個橋臂級聯構成六邊形，其中，相鄰兩個橋臂的連接端依次輪流設置為三相交流系統一次側的三個電流流入端和三相交流系統二次側的三個電流流出端。本發明的模塊化多電平背靠背換流器包括六個橋臂，每個橋臂上最少可以設置兩個子模塊，也就是說，本發明的模塊化多電平背靠背換流器最少可以使用12個子模塊就能夠保證輸出的交流電壓逼近正弦波，有效地減少子模塊的個數，簡化模塊化多電平背靠背換流器的內部結構，降低模塊化多電平背靠背換流器的製造成本，在大規模風電併網、電網互聯、電力交易、城市配網增容及電能質量提高等方面都有著廣闊的應用前景。第二方面，本發明提供了一種上述的模塊化多電平背靠背換流器的控制方法，該控制方法包括如下步驟：S1：採用PQ解耦的有功/無功功率控制得到所述模塊化多電平背靠背換流器一次側的各電流流入端的電流參考值和二次側的各電流流出端的電流參考值；通過調節一次側的有功電流控制所述模塊化多電平背靠背換流器中子模塊的平均電壓平衡，計算一次側和二次側的有功電流參考值；S2：通過步驟S1中得到的一次側的各電流流入端的電流參考值、二次側的各電流流出端的電流參考值以及一次側和二次側的有功電流參考值，分解計算得到所述模塊化多電平背靠背換流器中任意兩個電流流入端之間或任意兩個電流流出端的線電流參考值；S3：在保持各橋臂中每個子模塊的平均電壓平衡的基礎上，計算環流參考值；S4：計算各橋臂中每個子模塊的電流參考值，每個子模塊的電流參考值為流經該子模塊的所有電流參考值之和；S5：得到每個子模塊的電流參考值後，採用內模控制原理得到每個子模塊的電壓參考值；S6：根據排序算法平衡各橋臂中的每個子模塊的電壓。本發明所提供的六邊形模塊化多電平背靠背換流器的控制方法的有益效果與上述六邊形模塊化多電平背靠背換流器的有益效果相同，在此不再贅述。附圖說明此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本發明的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：圖1為現有技術中的模塊化多電平背靠背換流器的典型結構示意圖；圖2為本發明實施例一中所涉及的模塊化多電平背靠背換流器的結構示意圖，其中，圖中箭頭方向表示電流的參考方向；圖3a為本發明實施例一中所涉及的模塊化多電平背靠背換流器的第一種橋臂結構的示意圖；圖3b為本發明實施例一中所涉及的模塊化多電平背靠背換流器的第二種橋臂結構的示意圖；圖3c為本發明實施例一中所涉及的模塊化多電平背靠背換流器的第三種橋臂結構的示意圖；圖4為本發明實施例一中所涉及的模塊化多電平背靠背換流器的子模塊的結構示意圖。附圖標記：A-第一橋臂；B-第二橋臂；C-第三橋臂；D-第四橋臂；E-第五橋臂；F-第六橋臂；W-第一橋臂與第二橋臂的連接端；S-第二橋臂與第三橋臂的連接端；U-第三橋臂與第四橋臂的連接端；T-第四橋臂與第五橋臂的連接端；V-第五橋臂與第六橋臂的連接端；W-第六橋臂與第一橋臂的連接端；L-電抗器；SM-子模塊；1-現有第一橋臂；2-現有第二橋臂；3-現有第三橋臂；4-現有第四橋臂；5-現有第五橋臂；6-現有第六橋臂。具體實施方式為使本發明所提出的技術方案的目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面將結合附圖，對本發明所提出的技術方案的實施例進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是所提出的技術方案的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，均屬於本發明保護的範圍。實施例一參見圖2，本發明實施例一提供了一種模塊化多電平背靠背換流器，該模塊化多電平背靠背換流器包括六個橋臂A～F，六個橋臂A～F級聯構成六邊形，其中，第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R、第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S、第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T為三相交流系統一次側的三個電流流入端，第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W、第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U、第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V為三相交流系統二次側的三個電流流出端。所述橋臂A～F各自包括多個子模塊SM和至少一個電抗器L，多個子模塊SM和至少一個電抗器L相串聯，兩者可以以任何數量的配比和任意的排列順序進行串聯。例如，每個橋臂中，電抗器L處於該橋臂的一端或兩端,參見圖3a和圖3b；或者，每個橋臂中，電抗器L可以串聯在多個子模塊SM之間，參見圖3c，總之，只要電抗器L與子模塊SM串聯就可以，由於電抗器L對位置沒有限制，減少了空間布局對換流器設計的限制。所述子模塊包括電容和多個開關器件，多個子模塊並不需要在同一時刻一起導通，而是隨著正弦波的變化依次導通以構成正弦電壓波形，從而避免了多個直接串聯所帶來的動態均壓問題。為了進一步減少子模塊的個數，簡化模塊化多電平背靠背換流器的內部結構，降低模塊化多電平背靠背換流器的製造成本，優選地，所述橋臂A～F各自包括兩個子模塊SM和一個電抗器L。所述子模塊SM的類型選擇為全H橋型，參見圖4，這是因為全H橋型子模塊可以輸出三種電壓，正電壓、負電壓和零電壓，更加適用於本發明的六邊形模塊化多電平背靠背換流器。為了更詳細地說明本發明的模塊化多電平背靠背換流器的結構，具體地，將本發明的模塊化多電平背靠背換流器(以下簡稱為換流器1，參見圖2)與現有技術中的模塊化多電平背靠背換流器(以下簡稱為換流器2，參見圖1)進行對比分析如下：對於換流器1的一次側的電流流入端(以第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R為例)，其對應的二次側的電流流出端為第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U，也就是說，從R端流入的電流分別經過兩條線路(橋臂F、E和D；橋臂A、B和C)，然後從U端流出；對應於換流器2，相當於電流從一次側流入，分別經過兩條線路(現有第一橋臂1的上橋臂和現有第六橋臂6的上橋臂；現有第一橋臂1的下橋臂和現有第六橋臂6的下橋臂)，然後從二次側流出。換流器1的其他連接端的對應關係為：第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S、第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V兩者相對應，第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T、第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W兩者相對應。實施例二本發明實施例二提供了一種實施例一的模塊化多電平背靠背換流器的控制方法。為了保證每個子模塊SM的平均電壓恆定，需要控制一次側流入的功率等於二次側流出的功率，這也是本發明控制方法中的基本原則，具體分析如下：每個子模塊SM的平均功率如下：PACE=PA=PC=PE=V1I13cos(φ1-π6)-V2I23cos(φ2-5π6)]]>PBDF=PB=PD=PF=-V1I13cos(φ1-5π6)+V2I23cos(φ2-π6)]]>其中，PA為第一橋臂A中的各子模塊SM的平均功率，，PC為第三橋臂C中的各子模塊SM的平均功率，PE為第五橋臂E中的各子模塊SM的平均功率，PACE為第一橋臂A、第三橋臂C、第五橋臂E中的各子模塊SM的平均功率；PB為第二橋臂B中的各子模塊SM的平均功率，PD為第四橋臂D中的各子模塊SM的平均功率，PF為第六橋臂F中的各子模塊SM的平均功率，PBDF為第二橋臂B、第四橋臂D、第六橋臂F中的各子模塊SM的平均功率；V1，I1，φ1和V2，I2，φ2分別為一次側和二次側的電壓有效值、電流有效值、功率因數角。本發明實施例一模塊化多電平背靠背換流器的所有子模塊SM的平均功率如下：PACE+PBDF＝V1I1cosφ1+V2I2cosφ2為了保證每個子模塊的平均電壓恆定，需要控制保持上式等於零。本發明實施例二的模塊化多電平背靠背換流器的控制方法，具體包括如下步驟：S1：採用PQ解耦的有功/無功功率控制得到所述模塊化多電平背靠背換流器一次側的各電流流入端R、S、T的電流參考值i*r、i*s、i*t和二次側的各電流流出端U、V、W的電流參考值i*u、i*v、i*w；通過調節一次側的有功電流控制所述模塊化多電平背靠背換流器中子模塊SM的平均電壓平衡，根據二次側的有功電流參考值，計算一次側的有功電流參考值，一次側的有功電流參考值按以下公式計算：Ip1*=(KP1+KI1s)(vC-vC*)-V2V1Ip2*]]>其中，是各子模塊SM的平均電壓，v*c是各子模塊SM的電壓參考值，I*p1和I*p2分別是一次側和二次側的有功電流參考值，Kp1、KI1是控制參數，s為拉普拉斯算子；S2：通過步驟S1中得到的一次側的各電流流入端的電流參考值(i*r、i*s、i*t)、二次側的各電流流出端的電流參考值(i*u、i*v、i*w)以及一次側和二次側的有功電流參考值(I*p1、I*p2)，分解計算得到所述模塊化多電平背靠背換流器中任意兩個電流流入端之間或任意兩個電流流出端的線電流參考值；S3：在保持各子模塊SM的平均電壓平衡的基礎上，計算環流參考值，要求環流參考值i*l為：il*=-KL(vC-vC-RS)sinω1t-KL(vC-vC-ST)sin(ω1t-23π)-KL(vC-vC-TR)sin(ω1t+23π)+-KL(vC-vC-UV)sinω2t-KL(vC-vC-VW)sin(ω2t-23π)-KL(vC-vC-WU)sin(ω2t+23π)+KDI(vC-BDF-vC-ACE)]]>其中，為第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R和第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S之間各子模塊SM的平均電壓，為第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S和第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T之間各子模塊SM的平均電壓，為第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T與第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R之間各子模塊SM的平均電壓；為第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U和第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V之間各子模塊SM的平均電壓，為第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V與第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W之間各子模塊SM的平均電壓，為第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W與第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U之間各子模塊SM的平均電壓；ω1和ω2分別為一次側和二次側的角頻率，KL和KDI分別為控制參數，t為時間。S4：計算各橋臂中每個子模塊SM的電流參考值，每個子模塊SM的電流參考值為流經該子模塊SM的所有電流參考值之和，具體各橋臂中每個子模塊SM的電流參考值如下：第一橋臂A中每個子模塊SM的電流參考值為：i*a＝i*vw+i*rs+i*l其中，i*a為流經第一橋臂A中的各子模塊SM的電流參考值，i*vw為第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W和第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V之間的線電流參考值，i*rs為第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R和第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S之間的線電流參考值；第二橋臂B中每個子模塊SM的電流參考值為：i*b＝i*rs+i*wu+i*l其中，i*b為流經第二橋臂B中的各子模塊SM的電流參考值，i*wu為第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W和第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U之間的線電流參考值，i*rs為第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R和第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S之間的線電流參考值；第三橋臂C中每個子模塊SM的電流參考值為：i*c＝i*wu+i*st+i*l其中，i*c為流經第三橋臂C中的各子模塊SM的電流參考值，i*st為第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S之間和第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T的線電流參考值，i*wu為第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W和第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U之間的線電流參考值；第四橋臂D中每個子模塊SM的電流參考值為：i*d＝i*st+i*uv+i*l其中，i*d為流經第四橋臂D中的各子模塊SM的電流參考值，i*st為第二橋臂B與第三橋臂C的連接端S之間和第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T的線電流參考值，i*uv為第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U之間和第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V的線電流參考值；第五橋臂E中每個子模塊SM的電流參考值為：i*e＝i*uv+i*tr+i*l其中，i*e為流經第五橋臂E中的各子模塊SM的電流參考值，i*uv為第三橋臂C與第四橋臂D的連接端U之間和第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V的線電流參考值，i*tr為第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T和第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R之間的線電流參考值；第六橋臂F中每個子模塊SM的電流參考值為：i*f＝i*tr+i*vw+i*l其中，i*f為流經第六橋臂F中的各子模塊SM的電流參考值，i*tr為第四橋臂D與第五橋臂E的連接端T和第六橋臂F與第一橋臂A的連接端R之間的線電流參考值，i*vw為第一橋臂A與第二橋臂B的連接端W和第五橋臂E與第六橋臂F的連接端V之間的線電流參考值。S5：得到每個子模塊的電流參考值後，採用內模控制原理得到每個子模塊的電壓參考值為：vx*=KPc(ii*-ix)+(KSc1ω12ss2+2ζω1s+ω12+KSc2ω22ss2+2ζω2s+ω22)(ii*-ix)]]>其中，x為所述橋臂A～F的傳遞函數，ix為流經該子模塊SM的實測電流值，s為拉普拉斯算子，ζ、KPc、KSc1、KSc2分別為控制參數。S6：根據排序算法平衡各橋臂中的每個子模塊SM的電壓。以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以所述權利要求的保護範圍為準。當前第1頁1 2 3