專利名稱：一種模塊化多電平換流器的特定消諧方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性輸配電、電力電子、電力拖動、電機驅(qū)動和用戶電力技術領域， 具體涉及一種模塊化多電平換流器的特定消諧領域。
背景技術：
多電平換流器是近年來比較受歡迎一種大功率電力電子換流器，并且已經(jīng)成功應用在很 多工業(yè)領域，如靜止無功補償器、電力拖動、FACTS、高壓直流輸電和有源濾波器等。傳統(tǒng) 多電平換流器有多種不同的結(jié)構(gòu)，常見的有二極管箝位型(NPC)、飛跨電容型(FLC)和級 聯(lián)H橋型(CHC)。模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,簡稱MMC)作為一 種新的多電平換流器，兼具了傳統(tǒng)多電平換流器開關頻率低、開關損耗小、高頻噪聲低、電 壓變化率小的優(yōu)點。同時，與NPC型和FLC型多電平換流器相比，模塊化程度高，開關器 件數(shù)量不會隨電平數(shù)的增加呈現(xiàn)非線性增長，結(jié)構(gòu)設計簡單；與CHC型相比，功率可以雙向 流動，開關器件也減少了一倍。
傳統(tǒng)多電平換流器可以采用的調(diào)制策略有多種，如正弦脈寬調(diào)制(Pulse Width Modulation,簡稱PWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)和特定消諧脈寬調(diào)制(SHEPWM)。 而SHEPWM是比較受歡迎的一種，它可以消除指定次諧波，減小電壓電流波形畸變率。
發(fā)明內(nèi)容
為了使得MMC輸出電壓波形畸變更小、波形質(zhì)量更好，有必要研究SHEPWM應用于 MMC的方法。
針對模塊化多電平換流器MMC拓撲結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提出了適用于該拓撲的特定消諧方法。 該方法能在較低的開關頻率下優(yōu)化MMC輸出電壓諧波特性，提高波形質(zhì)量。
模塊化多電平換流器MMC每相上、下半橋臂都是由獨立的數(shù)個子模塊(Submodule)級 聯(lián)而成，并且每個子模塊都可以獨立控制開斷。利用這一優(yōu)點，合理選擇每個子模塊的開關 角，以消除輸出電壓中特定次諧波，減小波形畸變，提高波形質(zhì)量。具體方法如下-
通過在橋臂輸出階梯波電壓中設置特定消諧角度，以消除特定次數(shù)的諧波。由于MMC 輸出電壓具有l(wèi)/4周期對稱性，只需考慮l/4周期內(nèi)的開關角求解。若每相半橋臂采用2N個 子模塊構(gòu)成所需的多電平階梯波輸出電壓時，輸出狀態(tài)發(fā)生改變的僅有N個子模塊，也就是說只需求解1/4周期內(nèi)的N個開關角即可。
在三相MMC中，某相特定消諧角度確定以后，其它兩相的通過互錯120°得到，這樣 輸出線電壓中不含三倍頻諧波，從而可以消除更多高次諧波。具體步驟如下
(1) 由理論分析得出三相MMC輸出電壓的傅立葉級數(shù)展開表達式，表達式中包含N 個子模塊的開關角；
(2) 令傅立葉級數(shù)展開表達式中基波分量等于期望值，N-l個特定次諧波分量等于0， 從而得到N個非線性超越方程；
(3) 確定MMC輸出電壓的基波期望值，計算此時半橋臂對應的N個開關角；
(4) 以步驟(3)中的開關角作為初值，求解步驟(2)中的非線性超越方程，得到窄脈 沖優(yōu)化模型的初值；
(5) 對步驟(4)得到的特定消諧角度進行窄脈沖優(yōu)化，最終得到可用于工程的N個開 關角度。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。
圖1是依據(jù)本發(fā)明的三相MMC的電路示意圖2是依據(jù)本發(fā)明的三相MMC單橋臂輸出電壓波形示意圖3是依據(jù)本發(fā)明的特定消諧角度初值的計算方法示意圖4是依據(jù)本發(fā)明的在N:5時，MMC輸出電壓頻譜圖。
具體實施例方式
下面是本發(fā)明的優(yōu)選實例，以下結(jié)合本附圖對本發(fā)明實現(xiàn)的技術方案做進一步說明。 如圖1所示是依據(jù)本發(fā)明的三相MMC的電路示意圖，模塊化多電平換流器MMC由三 相6個半橋臂構(gòu)成，每相半橋臂由2N個子模塊級聯(lián)而成。每相輸出電壓為
特定消諧方法通過在橋臂輸出階梯波電壓的特定位置設置缺口，消除特定次數(shù)的諧波。 這些位置就是通常所說的特定消諧角度，然后這些角度一般都是由求解非線性超越方程組來 確定的， 一般用數(shù)值方法求解。由于MMC輸出電壓具有l(wèi)/4周期對稱性，只需考慮l/4周期 內(nèi)的開關角求解。若每相半橋臂采用2N個子模塊構(gòu)成所需的多電平階梯波輸出電壓時，輸出狀態(tài)發(fā)生改變的僅有N個子模塊，也就是說只需求解1/4周期內(nèi)的N個開關角即可。
模塊化多電平換流器MMC輸出電壓波形如圖2所示。對圖2的波形用傅立葉級數(shù)展開 成式(2)的形式，并令基波分量等于基波期望值，所需消除的諧波等于0，從而構(gòu)成N個獨立 的非線性方程。由于三相MMC各橋臂開關角互錯120。，線電壓中三倍頻諧波相互抵消。
(2)
"=1,3,5,
其中，^為子模塊電容電壓；N為1/4周期內(nèi)特定消諧角度的個數(shù)；《為第k個特定消
諧角度，ik=l、 2、…、N; w為基頻角速度。
以消除N-1個較低次諧波為例，最高消諧次數(shù)可以達到3N-2次諧波。由傅立葉級數(shù)可以 寫出求解開關角的非線性超越方程組如下
，[cos (《)+ COS (《)+…+ COS )]=々
cos (5《)+ cos (5《)+…+ cos (56>w ) = 0
cos (7《)+ cos (76>2) +…+ cos (7^ ) = 0 (3) cos(/ 《)+ cos(秘2) + -.. + cos(/^) = 0
其中，^為子模塊電容電壓；^,為MMC輸出電壓的基波期望值；《為第k個特定消
諧角度，ik=l、 2、…、N; h為指定消除的諧波次數(shù)，且h-l、 5、 7、 11、 13、…、3N-2。 對于三相MMC，構(gòu)成開關角的方程組共有N個未知數(shù)，在確定基波期望值以后，可以
選擇消除N-1個低次諧波分量。對于每相半橋臂有10個子模塊的情況，開關角度數(shù)為5，最
高的消除的諧波次數(shù)為3N-2=13次。
從而問題歸結(jié)為5個非線性超越方程的求解。任意選取初值，進行迭代計算表明，算法
不易收斂。必須選擇合適的初值，根據(jù)MMC基波期望值，可以確定如圖3所示的參考波電
壓"^(紐)。當模塊化多電平換流器的輸出電平v(/)由k跳變?yōu)閗+l時，令圖3中陰影1與2
的面積相等，即可得到第k+l個特定消諧角度的初值0w。對每一個電平跳變時刻進行類似 計算，就能得到迭代的初值。實例證明用此初值進行迭代計算，算法很快收斂。
考慮到MMC中開關器件都有一定的開通和關斷時間，在開通和關斷時都需要一定的時 間，并且導通和關斷過程的損耗會使開關器件發(fā)熱，熱積累效應達到一定程度時將引起開關 器件燒損。從而根據(jù)開關器件的開通和關斷時間確定了 MMC的最小脈沖寬度，即窄脈沖。 并針對窄脈沖提出了如下優(yōu)化方法
(1)計算窄脈沖=(開通時間+關斷時間)X360° /20ms;
6(2) 如果窄脈沖的寬度不大于最小脈寬的1/2，則省略構(gòu)成窄脈沖的開關角；
(3) 如果窄脈沖的寬度大于最小脈寬的1/2，則展寬窄脈沖至最小脈寬。 通過窄脈沖優(yōu)化得到的開關角可直接用于工程，并且可以消除3N-2次以內(nèi)的諧波都限制
在非常低的水平內(nèi)。
由圖4的在N二5時，MMC輸出電壓頻譜圖可以看出，2N40的情況下，13次及以內(nèi)的
諧波含量都非常小。
本發(fā)明原理簡單，易于實現(xiàn)。在開關頻率為百赫茲時，很好地優(yōu)化了 MMC輸出電壓的 諧波特性，降低了線電壓的總諧波畸變率。
本發(fā)明按照優(yōu)選實例進行了說明，應當理解，但上述實施例不以任何形式限度本發(fā)明， 凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均落在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種三相模塊化多電平換流器的特定消諧方法，其特征在于該方法通過在橋臂輸出階梯波電壓中設置特定消諧角度，以消除特定次數(shù)的諧波，由于輸出電壓具有1/4周期對稱性，只需考慮1/4周期內(nèi)的開關角求解，當每相半橋臂有2N個子模塊時，在1/4周期內(nèi)只有N個子模塊動作，也就是說1/4周期內(nèi)只有N個開關角，消除除三倍頻諧波以外的N-1個特定次諧波，其中N為自然數(shù)；在三相模塊化多電平換流器中，某相特定的消諧角度確定以后，其它兩相的特定消諧角度通過互錯120°得到，這樣輸出線電壓中不含三倍頻諧波，從而可以消除更多高次諧波，具體步驟如下(1)由理論分析得出三相模塊化多電平換流器MMC輸出電壓的傅立葉級數(shù)展開表達式，表達式中包含N個子模塊的開關角<maths id="math0001" num="0001" ><math><![CDATA[ <mrow><mi>v</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>ωt</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mn>1,3,5</mn><mo>,</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo> </mrow> <mo>∞</mo></munderover><mo>[</mo><mfrac> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>V</mi> <mi>dc</mi></msub> </mrow> <mi>π</mi></mfrac><munderover> <mi>Σ</mi> <mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi></munderover><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>nθ</mi><mi>k</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>·</mo><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>nωt</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow> <mi>n</mi></mfrac> </mrow>]]></math></maths>其中，Vdc為子模塊電容電壓；N為1/4周期內(nèi)特定消諧角度的個數(shù)；θk為第k個特定消諧角度，且k＝1、2、…、N；ω為基頻角速度；(2)令傅立葉級數(shù)展開表達式中基波分量等于基波期望值，N-1個特定次諧波分量等于0，從而得到N個非線性超越方程<maths id="math0002" num="0002" ><math><![CDATA[ <mrow><mfrac> <msub><mrow> <mn>4</mn> <mi>V</mi></mrow><mi>dc</mi> </msub> <mi>π</mi></mfrac><mo>[</mo><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>θ</mi><mn>1</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>θ</mi><mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>·</mo><mo>+</mo><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <msub><mi>θ</mi><mi>N</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo><mo>=</mo><msub> <mi>V</mi> <mi>ref</mi></msub> </mrow>]]></math></maths>cos(5θ1)+cos(5θ2)+…+cos(5θN)＝0cos(7θ1)+cos(7θ2)+…+cos(7θN)＝0 . . .cos(hθ1)+cos(hθ2)+…+cos(hθN)＝0其中，Vdc為子模塊電容電壓；Vref為模塊化多電平換流器MMC輸出電壓的基波期望值；θk為第k個特定消諧角度，且k＝1、2、…、N；h為指定消除的諧波次數(shù)；值得注意的是需要消除的N-1個特定次諧波可以是5、7、11、13、17、…、3N-2、…次諧波，即h的取值可以是上述諧波次數(shù)中的N-1個；(3)確定模塊化多電平換流器MMC輸出電壓的基波期望值，計算此時半橋臂對應的N個開關角；(4)以步驟(3)中的開關角作為初值，求解步驟(2)中的非線性超越方程，得到窄脈沖優(yōu)化模型的初值；(5)對步驟(4)得到的特定消諧角度進行窄脈沖優(yōu)化，最終得到可用于工程的N個開關角度。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，針對步驟(4)中的所述窄脈沖提出了如下進一步的優(yōu)化方法:(1) 計算窄脈沖=(開通時間+關斷時間)X360° /20ms;(2) 如果窄脈沖的寬度不大于最小脈寬的1/2，則省略構(gòu)成窄脈沖的開關角；(3) 如果窄脈沖的寬度大于最小脈寬的1/2，則展寬窄脈沖至最小脈寬。
3、 如權(quán)利要求l-2所述的方法，將所述橋臂輸出階梯波電壓用傅立葉級數(shù)展開，并令基波分 量等于基波期望值，所需消除的諧波分量等于O，從而構(gòu)成N個獨立的非線性方程。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新型模塊化多電平換流器的特定消諧方法。本發(fā)明將特定消諧方法應用于三相模塊化多電平換流器，通過合理選擇子模塊的開關角，改善其輸出電壓諧波特性，提高波形質(zhì)量，達到更小的輸出電壓諧波畸變率。同時針對工程應用，提出了窄脈沖優(yōu)化策略，以提高其工程適用性。
文檔編號H02M1/12GK101594045SQ200910088000
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月6日
發(fā)明者丁冠軍, 強 李, 湯廣福, 苑春明, 賀之淵 申請人:中國電力科學研究院