本發(fā)明涉及半橋單元串聯(lián)多電平變流器裝置的在低頻運(yùn)行條件下的控制方法，該技術(shù)適用于所有基于MMC結(jié)構(gòu)的高壓變頻器、風(fēng)電變流器、分頻輸電器、變頻電源等裝置。

背景技術(shù)：

近年來，基于半橋單元串聯(lián)多電平(簡稱MMC是Modular Multilevel Converter)結(jié)構(gòu)的變流器技術(shù)發(fā)展很快，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電領(lǐng)域。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用模塊化鏈?zhǔn)酱?lián)結(jié)構(gòu)，由兩套變流器閥組模塊組成，如圖1所示。兩套閥組模塊完全相等，可以互換，中間有直流母線電壓Udc。每套閥組模塊如圖2所示分成三相，由六個橋臂構(gòu)成，其中每個橋臂由若干個相互連接且結(jié)構(gòu)相同的子單元(Submodule，SM)與一個橋臂電抗器L串聯(lián)構(gòu)成，上下兩個橋臂構(gòu)成一相。六個橋臂具有對稱性，即各子單元的參數(shù)和各橋臂電抗值都是相同的。每個子單元的結(jié)構(gòu)如圖3所示，為半橋結(jié)構(gòu)，兩個開關(guān)器件T1、T2串聯(lián)，再并聯(lián)直流電容C。并且開關(guān)器件T1、T2分別反并聯(lián)二極管；T1與T2的公共端，電容C與T2的公共端作為每個單元的輸出端，與其他單元相連。T1與T2必須互補(bǔ)導(dǎo)通，當(dāng)T1導(dǎo)通T2截止時，單元輸出高電平；當(dāng)T2導(dǎo)通T1截止時，單元輸出0電平；當(dāng)T1、T2都截止時，單元處于閉鎖狀態(tài)，一般在故障與啟動時使用。如下表：

正常運(yùn)行時，每個子單元工作在全電壓或零電壓狀態(tài)。為敘述方便，定義子單元處于全電壓狀態(tài)為開通，零電壓狀態(tài)為關(guān)斷。于是，單個相單元可以等效為圖4(a)的結(jié)構(gòu)。為了分析模塊化多電平變流器的波形生成原理，不妨以a相為例進(jìn)行說明。(a)中U_a0表示變流器a相的相電壓，U_a1、U_a2分別代表a相上、下橋臂電壓，U_dc是直流電壓。因為MMC結(jié)構(gòu)變流器將電容器分散安裝在每個子模塊內(nèi)，為了維持直流電壓恒定，每個相單元的上、下兩橋臂總的導(dǎo)通模塊個數(shù)恒定。圖4(b)展現(xiàn)了變流器相電壓波形的合成原理，從圖中看出各相單元上、下橋臂導(dǎo)通的模塊數(shù)呈現(xiàn)此消彼長的變化趨勢。變流器中三相單元具有嚴(yán)格的對稱性，每相橋臂可通過子單元的投切控制橋臂輸出電壓，故每相橋臂均可等效為一個可控電壓源，如圖4(c)，橋臂電壓U_a1和U_a2的波形關(guān)于U_dc/2對稱，這表明任意時刻二者之和恒為U_dc。

忽略變流器中橋臂電抗器的壓降，可得：

將式(1)中的兩式相加，得到：

u_a1+u_a2＝U_dc (2)

由上述兩式可以得出，模塊化多電平變流器正常運(yùn)行時每相中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)在任意時刻都相等且不變，通過對每相上、下橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)進(jìn)行分配來實現(xiàn)變流器交流側(cè)輸出多電平波形。

電平數(shù)為M的模塊化多電平變換器，具有以下明顯的優(yōu)點：

1)每個功率器件僅承受1/(M-1)的母線電壓(M為電平數(shù))，降低開關(guān)器件耐壓值，尤其適用于高壓大功率的應(yīng)用。

2)隨著電平數(shù)對的增加，有效的提高了輸出電壓、電流波形質(zhì)量，減小了輸出波形畸變(THD)。與兩電平變換器相比，在輸出相同電壓波形前提下，多電平技術(shù)的開關(guān)頻率更低，開關(guān)損耗更小，系統(tǒng)利用率更高。

3)與現(xiàn)有高壓變頻器結(jié)構(gòu)相比，無需移相變壓器，大大地減小了裝置體積和損耗，并且節(jié)約了成本。

根據(jù)MMC結(jié)構(gòu)變流器的計數(shù)原理，功率單元直流電容參數(shù)設(shè)計由紋波系數(shù)ε、額定電流I_ac、運(yùn)行頻率ω等條件決定。則直流電容C參數(shù)設(shè)計應(yīng)滿足在額定工況下

在柔性直流輸電工程設(shè)計中，MMC功率單元直流電壓紋波系數(shù)一般設(shè)定在10％以內(nèi)，運(yùn)行頻率在工頻50Hz，直流電容量C取值根據(jù)公式計算得到。但是如果MMC結(jié)構(gòu)變流器應(yīng)用在高壓變頻器、風(fēng)電變流器等變頻領(lǐng)域，當(dāng)控制方式等其他條件不變時，運(yùn)行頻率越低功率單元直流電壓波動越大，而功率單元直流電壓紋波系數(shù)太高，會導(dǎo)致變流器交流輸出電流波形上疊加高次紋波分量，反過來進(jìn)一步加深功率單元直流電壓波動。如此互相影響，當(dāng)紋波電壓超過限制值時，現(xiàn)有的控制方式無法抑制輸出電流波動，系統(tǒng)就會發(fā)散導(dǎo)致停機(jī)。

為了解決功率單元直流電壓紋波問題，現(xiàn)有的技術(shù)方式是增加直流支撐電容量。但是這種辦法只在工頻運(yùn)行條件有效，如果在低頻運(yùn)行條件下從經(jīng)濟(jì)上來說不可行。假設(shè)在50Hz運(yùn)行頻率時功率單元直流電容量C取值為10mf，當(dāng)運(yùn)行頻率下降到5Hz時，為了保持同等的電壓紋波系數(shù)和額定電流，依據(jù)以上公式分析功率單元直流電容量C取值需要100mf；當(dāng)運(yùn)行頻率下降到1Hz時，功率單元直流電容量C取值需要500mf。功率單元直流電容量越大，裝置成本和體積就越高，市場競爭力就越低，過大的電容量甚至?xí)?dǎo)致產(chǎn)品在工程設(shè)計和應(yīng)用中完全不可行。MMC結(jié)構(gòu)變流器的這種低頻特性大大地限制了裝置在變頻、風(fēng)電變流器、分頻輸電、變頻電源等這些運(yùn)行頻率低于50Hz的應(yīng)用領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供基于半橋單元串聯(lián)多電平變流器裝置的低頻控制方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

基于半橋單元串聯(lián)多電平變流器裝置的低頻控制方法，包括以下步驟：(A)由控制器實時采集MMC裝置交流側(cè)輸出電流瞬時值；(B)控制器從所采集MMC裝置交流側(cè)輸出電流瞬時值中提取出輸出電流的基波、各次諧波、負(fù)序分量；(C)以輸出電流中除基波以外的各次諧波和負(fù)序分量作為目標(biāo)值；(D)通過閉環(huán)調(diào)節(jié)算法控制變流器發(fā)出與目標(biāo)值大小相等、方向相反的電流波形與目標(biāo)值互相抵消，通過主動控制消除輸出電流的諧波和負(fù)序分量。

其中，所述閉環(huán)調(diào)節(jié)算法采用比例控制(P)或者比例-積分控制(PI)或者比例-諧振(PR)反饋控制實現(xiàn)。

或者，所述閉環(huán)調(diào)節(jié)算法采用重復(fù)學(xué)習(xí)控制的前饋型控制方法實現(xiàn)。

進(jìn)一步，該低頻控制方法應(yīng)用于高壓變頻器、高壓風(fēng)電變流器、高壓分頻輸電裝置和頻率小于50Hz的高壓低頻電源中。

所述閉環(huán)調(diào)節(jié)算法用于控制輸出電流能夠?qū)崟r地跟隨采集MMC裝置交流側(cè)輸出電流瞬時值的各次諧波和負(fù)序分量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明不額外增加裝置成本，而是通過控制算法消除諧波，抑制波動，保證變流器從0Hz到50Hz各個頻率下的運(yùn)行穩(wěn)定性，大大節(jié)省了功率單元直流電容配置，拓展了MMC類變流器在低頻應(yīng)用場合使用可行性。為MMC結(jié)構(gòu)的變流器裝置應(yīng)用于高壓變頻器、風(fēng)電變流器、高壓分頻輸電裝置和其他各種高壓低頻(小于50Hz)電源開拓了廣泛的空間。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步的說明。

圖1為MMC變流器兩端閥組模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖2為MMC一端閥組模塊結(jié)構(gòu)圖；

圖3為MMC功率單元的示意圖；

圖4為基于MMC技術(shù)的多電平電壓波形生成原理圖。

具體實施方式

本發(fā)明技術(shù)從技術(shù)原理上分析MMC變流器在低頻條件下電流發(fā)散的原因，首次提出通過在控制方法上增加輸出電流反饋來抑制電壓波動和電流反饋。具體方式是采集變流器交流側(cè)輸出電流瞬時值，通過軟件算法提取出輸出電流的基波(與輸出電壓同頻率)、各次諧波、負(fù)序等成分；以輸出電流中除基波以外的各次諧波和負(fù)序分量作為目標(biāo)值，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)算法控制變流器發(fā)出與目標(biāo)值大小相等、方向相反的電流波形與目標(biāo)值互相抵消，通過主動控制消除輸出電流的諧波和負(fù)序分量。在理想情況下輸出電流的諧波和負(fù)序分量幾乎完全抵消，只剩下基波成分。因為輸出電流波形更加平滑，所以在低頻運(yùn)行條件下功率單元電壓波動能夠控制在有效范圍之內(nèi)，更不會發(fā)生輸出電流發(fā)散的現(xiàn)象。

閉環(huán)調(diào)節(jié)算法可以采用比例控制(P)或者比例-積分控制(PI)或者比例-諧振(PR)反饋控制實現(xiàn)；也可以采用重復(fù)學(xué)習(xí)控制等前饋型控制方式實現(xiàn)。閉環(huán)調(diào)節(jié)算法的功能是為了輸出電流能夠?qū)崟r地跟隨諧波和負(fù)序成分。

本發(fā)明不額外增加裝置成本，而是通過控制算法消除諧波，抑制波動，保證變流器從0Hz到50Hz各個頻率下的運(yùn)行穩(wěn)定性，大大節(jié)省了功率單元直流電容配置，拓展了MMC類變流器在低頻應(yīng)用場合使用可行性。為MMC結(jié)構(gòu)的變流器裝置應(yīng)用于高壓變頻器、風(fēng)電變流器、高壓分頻輸電裝置和其他各種高壓低頻(小于50Hz)電源開拓了廣泛的空間。

以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實施方式，本發(fā)明并不限定于上述實施方式，只要以基本相同手段實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。