模块化多电平变流器桥臂电流解耦控制方法

摘要

一种模块化多电平变流器桥臂电流解耦控制方法。所述的控制方法是在所述的模块化多电平变流器变流运行过程中，通过控制桥臂电流的共模分量，在控制桥臂电流共模分量时加入能量限定条件，保证上下桥臂子模块电容所储存能量之和始终不变。所述的能量限定条件即任何瞬时通过桥臂电流共模分量流入到上下桥臂子模块电容的能量之和应等于通过差模分量流出上下桥臂子模块并流入到交流侧的能量之和。根据所述的限定条件计算出桥臂电流共模分量的给定值，将所述的桥臂电流共模分量的给定值加入控制系统中，从而平缓桥臂电流，减小桥臂电流波动。

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平电力电子变流器的控制方法。

背景技术

模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是最近获得广泛关注的 一种新型电力电子变流器，最早是由德国的A.Lesnicar和R.Marquardt在2002年左右提 出的。模块化多电平变流器模块化且可以级联的结构决定了其特别适用于中压到高压电力电 子变流的应用场合。关于模块化多电平变流器的控制方法，国内外相关研究机构已经进行了 较多的研究。

如图1所示，三相模块化多电平变流器的基本拓扑结构是由三相六个桥臂构成，每相有 上下两个桥臂。每个桥臂分别由一个桥臂电感和若干个结构相同的子模块级联而成。每个模 块包括两个带反并联二极管的电力电子开关器件与一个直流电容。

模块化多电平变流器各相交流侧电流等于上下桥臂电流之差，桥臂电流为实际通过开关 器件的电流，桥臂电流的波动情况将直接影响变流器特性及开关器件损耗。对变流器单相桥 臂电流进行分析，其可分解为两部分：

（1）由直流侧流入上桥臂，不通过交流侧直接流入下桥臂，最后流回到直流侧的上下 桥臂共模分量i_e，此部分完成直流侧与变流器上下桥臂子模块电容的能量交换，其可表达为：

i_e＝(i_p+i_n)/2

其中i_p表示上桥臂电流，i_n表示下桥臂电流。

（2）由上下桥臂分别流入交流侧，不通过另外一个桥臂的上下桥臂差模分量i_dm，此部 分完成变流器上下桥臂子模块电容与交流侧的能量交换，其可表达为：

i_dm＝(i_p-i_n)/2＝i_a/2

其中i_a表示交流侧电流。

从上式可以看出桥臂电流中的差模分量由交流侧电流决定，此部分由交流侧控制算法决 定，因此是可控的。桥臂电流中的共模分量由直流侧电压与上下桥臂电压决定，在现有控制 算法中均未对此部分电流进行有效控制，桥臂电流中的波动即是由该部分分量引起的，不仅 减小了变流器开关器件的安全工作裕量，同时增大了开关器件损耗，对整个变流系统是十分 不利的。

发明内容

本发明的目的是解决模块化多电平变流器在运行过程中桥臂电流波动的问题，提出一种 桥臂电流解耦控制方法，本发明可提高模块化变流器的可靠性和运行效率。

本发明桥臂电流解耦控制方法是在所述的模块化多电平变流器变流运行过程中，通过控 制桥臂电流中的共模分量，平缓桥臂电流，减小桥臂电流波动。

本发明控制方法的基本出发点是在控制桥臂电流共模分量时加入能量限定条件。在所述 的模块化多电平变流器变流运行过程中，上、下桥臂子模块电容能量之和应保持动态的平衡， 所述的能量限定条件即在变流器运行周期内通过桥臂电流共模分量流入到上、下桥臂子模块 电容的能量应等于通过差模分量流出上、下桥臂子模块电容的能量。本发明提出对在变流运 行过程中要求加入所述的能量限定条件，保证上、下桥臂子模块电容所储存能量之和始终不 变，即任何瞬时通过桥臂电流共模分量流入到上、下桥臂子模块电容的能量之和应等于通过 差模分量流出上、下桥臂子模块并流入到交流侧的能量之和。根据此能量限定条件可计算出 桥臂电流共模分量的给定值，将此桥臂电流共模分量的给定值加入控制系统中，即可实现对 桥臂电流共模分量的控制，从而减小桥臂电流波动。

本发明提出的桥臂电流解耦控制方法包括以下步骤：

（1）测量每相上、下桥臂电流，计算出各相电流i_a

i_a＝i_p-i_n

其中i_p表示上桥臂电流，i_n表示下桥臂电流。

（2）根据上、下桥臂子模块瞬时能量之和守恒的限定条件，计算出桥臂电流共模分量 给定值桥臂电流共模分量给定值的表达式为：

${i_e}^{*}={u_a}^{*}{i}_a/U_e$

其中U_e表示直流侧母线电压，u_a^*表示交流侧给定电压，i_a表示各相电流。

（3）计算上、下桥臂子模块电压之和的平均值，将所述的上、下桥臂子模块电压之和 的平均值与直流母线电压值相减，送入PI调节器中，得到的结果作为桥臂电流共模分量的 修正加入到桥臂电流共模分量的给定值中；

（4）根据上桥臂电流i_p与下桥臂电流i_n计算出桥臂电流共模分量的实际值i_e，其表达式 为：

i_e＝(i_p+i_n)/2

（5）将桥臂电流共模分量的给定值和实际值之差送入PI调节器中，得到的结果为桥臂 电压的修正值Δ(u_n+u_p)，u_p与u_n分别表示上桥臂电压与下桥臂电压；

（6）根据交流侧给定电压值，直流母线电压以及桥臂电压修正值计算出上桥臂的电压 给定值和下桥臂电压给定值其表达式为：

$u_p^{*}=\frac{U_e}{2}-u_a^{*}+0.5\times \Delta (u_n+u_p)$

$u_n^{*}=\frac{U_e}{2}+u_a^{*}+0.5\times \Delta (u_n+u_p)$

式中，u_a^*表示交流侧给定电压。

（7）将上下桥臂给定电压送入调制算法中，从而得到各开关器件的控制信号。

本发明的优点在于：

（1）通过控制桥臂电流中的共模分量，减小了桥臂电流波动，从而提高了变流器的可 靠性及运行效率；

（2）通过引入能量限定条件使得上下桥臂能量之和始终保持恒定，减小了桥臂能量的 波动；

（3）在桥臂电流共模分量给定值中加入修正分量，使得控制系统具有更强的可控性。

附图说明

图1是三相模块化多电平变流器基本拓扑结构示意图；

图2是模块化多电平变流器单相简化示意图；

图3是本发明的模块化多电平变流器单相桥臂电流解耦控制方法示意图；

图4是未加入本发明控制方法时，三相交流电流波形与A相上下桥臂电流波形；

图5是加入本发明控制方法后，三相交流电流波形与A相上下桥臂电流波形。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是三相模块化多电平变流器基本拓扑结构示意图。变流器每相由上下两个桥臂和交 流电抗器依次串联构成，每个桥臂由若干个功率子模块（SM）串联构成。每个SM子模块由 一个半桥逆变单元和一个直流储能电容构成，每个半桥逆变单元由两只带反并联二极管的全 控电力电子开关器件串联而成。通过控制电力电子开关器件的导通与关断，各SM子模块两 端可输出电压0或电容电压，设定SM子模块输出电压0时，认定该子模块导通，当SM子模 块输出电容电压值时，认定该子模块关断。那么通过控制各SM子模块的导通与关断即可实 现直流电压到交流电压的变换。

图2是模块化多电平变流器单相简化示意图，各桥臂串联模块可以等效为可调电压源， 通过调节桥臂内各子模块的导通关断，即可控制该可调电压源的实际值。图中U_e表示直流 侧母线电压，上下桥臂电流分别为i_pj和i_nj，下标p和n分别表示上桥臂和下桥臂；下标 j=1,2,3，分别表示a，b，c三相。直流子模块级联而成的上下桥臂电压分别为u_pj和u_nj，下 标意义同上。相电流与相电压分别为i_aj和u_aj，下标j=1,2,3，分别表示a，b，c三相。

图3是本发明的模块化多电平变流器单相桥臂电流解耦控制方法示意图，具体步骤如下：

（1）测量每相上下桥臂电流，计算出各相电流i_a：

i_a＝i_p-i_n

其中i_p表示上桥臂电流，i_n表示下桥臂电流。

（2）根据上下桥臂直流子模块瞬时能量之和守恒的限定条件，计算出桥臂电流共模分 量给定值其表达式为：

${i_e}^{*}={u_a}^{*}{i}_a/U_e$

其中U_e表示直流侧母线电压，u_a^*表示交流侧给定电压，i_a表示各相电流。

（3）计算出上、下桥臂各直流子模块电压之和的平均值，将上、下桥臂各直流子模块 电压之和的平均值与直流母线电压值相减，将所得的值送入PI调节器中，得到的结果作为 桥臂电流共模分量的修正加入到桥臂电流共模分量的给定值中；

（4）根据上桥臂电流i_p与下桥臂电流i_n计算出桥臂电流共模分量的实际值i_e，其表达式 为：

i_e＝(i_p+i_n)/2

（5）将桥臂电流共模分量的给定值和桥臂电流共模分量的实际值i_e之差送入PI调节 器中，得到的结果为桥臂电压的修正值Δ(u_n+u_p)，u_p与u_n分别表示上桥臂电压与下桥臂电 压；

（6）根据交流侧给定电压值，直流母线电压以及桥臂电压修正值计算出上、下桥臂的 给定电压和其表达式为：

$u_p^{*}=\frac{U_e}{2}-u_a^{*}+0.5\times \Delta (u_n+u_p)$

$u_n^{*}=\frac{U_e}{2}+u_a^{*}+0.5\times \Delta (u_n+u_p)$

（7）将步骤（6）得到的上桥臂的给定电压和下桥臂的给定电压送入最近电平调制 算法中，从而得到所述的多电平变流器桥臂各开关器件的控制信号。

实施例：

下面结合实施例说明本发明的实施效果，但本发明不受所述具体实施例所限。

在本实施例中变流器工作在50Hz频率。

图4为未加入本发明控制方法时三相交流电流波形与A相上下桥臂电流波形，从波形图 中可以看出，上下桥臂电流振荡幅度较大，桥臂电流峰值达到320A。

图5为加入本发明控制方法之后三相交流电流波形与A相上下桥臂电流波形，从波形图 中可以看出，上下桥臂电流明显平滑，振荡幅度变小，桥臂电流峰值减小到240A。

从上述对比波形可以看出，本发明控制方法能够使得桥臂电流平滑，振荡幅度变小，从 而提高模块化变流器的可靠性和运行效率。