一種適用于高電平模塊化多電平換流器的定量控制igbt平均開關(guān)頻率的閉環(huán)控制策略的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輸配電技術(shù)領(lǐng)域，尤其設及一種適用于高電平模塊化多電平換流器的 定量控制IGBT平均開關(guān)頻率的閉環(huán)控制策略。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器高壓直流輸電（modular multilevel converter based HVDC，MMC-HVDC)是電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC在多電平領(lǐng)域的重要分支。具有 有功功率和無功功率獨立控制、輸出電壓電平數(shù)多（諧波含量低）、模塊化設計、冗余控制、 開關(guān)頻率低和可向無源網(wǎng)絡供電等優(yōu)點。除此之外，MMC開關(guān)損耗低，故障穿越能力強，更 適用于柔性直流輸電領(lǐng)域，因此在大規(guī)模風電并網(wǎng)、城市配網(wǎng)增容、電力交易W及電網(wǎng)互聯(lián) 等方面都有著廣闊的應用前景。
[0003] 與兩電平或S電平電壓源換流器高壓直流輸電VSC-HVDC相比，模塊化多電平換 流器高壓直流輸電MMC-HVDC有W下主要優(yōu)點： (1) 模塊化設計，便于擴容； (2) 開關(guān)頻率較低，開關(guān)損耗較小，等效開關(guān)頻率較高； (3) 換流器交流側(cè)出口電壓諧波含量少，無需交流濾波器。
[0004] MMC中子模塊IGBT開關(guān)頻率大小一直是MMC換流器設計及其正常運行的重要參 數(shù)，開關(guān)頻率增大則會導致系統(tǒng)損耗增加、降低電容使用壽命W及增加系統(tǒng)運行成本。子模 塊電容電壓均衡控制環(huán)節(jié)也是MMC控制研究中的重要研究方向，其原理是根據(jù)MMC橋臂電 流方向W及需要導通的子模塊個數(shù)，通過電容均壓環(huán)節(jié)控制流經(jīng)子模塊電容的橋臂電流W 及子模塊導通、關(guān)斷的時間，從而達到橋臂子模塊電容電壓穩(wěn)定在額定值附近的目的。因 此，子模塊IGBT開關(guān)頻率與電容均壓過程直接相關(guān)，進而與子模塊電容電壓波動幅值也存 在關(guān)聯(lián)。目前已有大量文獻研究了 IGBT開關(guān)頻率與電容電壓波動幅值的關(guān)系W及降低頻 率的方法，但是均屬于非定量控制開關(guān)頻率的控制方式，無法準確控制頻率大小，可能造成 子模塊電容電壓波動幅度較大，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行W及換流器的運行效率。因此，提 出一種適用于高電平模塊化多電平換流器的定量控制IGBT平均開關(guān)頻率的控制策略很有 必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對上述技術(shù)背景中描述的高電平模塊化多電平換流器高壓直流輸電MMC-HVDC 中子模塊電容降低頻率方面存在的挑戰(zhàn)，本發(fā)明提出了一種適用于高電平模塊化多電平換 流器的定量控制IGBT平均開關(guān)頻率的閉環(huán)控制策略。首先提出了一種改進的電容均壓排 序算法并且推導了其子模塊電容電壓紋波幅值與IGBT平均開關(guān)頻率的數(shù)學關(guān)系，然后設 計了一種在線測量IGBT平均開關(guān)頻率的模塊，從而實現(xiàn)開關(guān)頻率的劃窗式動態(tài)測量。最后 基于PI控制器的頻率控制環(huán)節(jié)與排序模塊、頻率測量模塊組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)。當實 IGBT開關(guān)頻率與頻率參考值不同時，兩者偏差值輸入PI環(huán)節(jié)W后經(jīng)過限幅環(huán)節(jié)輸出子 模塊電容電壓紋波波動闊值，進而通過調(diào)整排序均壓模塊中電容電壓波動幅度使得快速趨 近于目標值，實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的精確定量控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案是一種適用于高電平模塊化多電平換流器的定量控制IGBT平 均開關(guān)頻率的閉環(huán)控制策略，包括W下步驟： 步驟1 :首先確定采用新型子模塊電容電壓排序策略，計算臨界排序步長，得到子模塊 IGBT開關(guān)頻率目標值下的電容電壓紋波波動幅值范圍； 步驟2 :基于所設計的一種在線測量IGBT平均開關(guān)頻率的模塊，實現(xiàn)開關(guān)頻率的劃窗 式動態(tài)測量，得到精確的IGBT平均開關(guān)頻率大??； 步驟3 :根據(jù)IGBT開關(guān)頻率定量控制器，實現(xiàn)子模塊IGBT平均開關(guān)頻率的定量控制， 降低系統(tǒng)開關(guān)頻率，從而降低系統(tǒng)功率器件的開關(guān)損耗，實現(xiàn)換流器的低開關(guān)損耗運行。
[0007] 步驟1按照臨界排序步長基于新型排序策略對子模塊電容電壓進行排序，同時根 據(jù)IGBT平均開關(guān)頻率和子模塊電容電壓紋波波動幅值的關(guān)系得到紋波幅值闊值的波動范 圍。
[0008] 步驟1. 1 :新型子模塊電容電壓排序策略 新型排序策略對原有的傳統(tǒng)排序均壓方法做如下改進，W減小排序過程中IGBT不必 要的開通關(guān)斷動作，從而降低換流器的損耗。假設子模塊電容電壓波動闊值Up為子模塊電 容電壓與子模塊平均電容電壓差值的兩倍，即：
其中，U。為各相橋臂子模塊平均電容電壓，U。。。,。。1為子模塊實際電容電壓值。根據(jù)新 型電容電壓平衡方法的原理，子模塊IGBT開關(guān)動作僅發(fā)生在W下時刻： 1)置換：若此時刻所需導通子模塊個數(shù)N。,占上一時刻導通子模塊個數(shù)N。1湘等 (Nw?=N"id)時，當監(jiān)測到超過闊值Up的子模塊時，則將此時導通狀態(tài)下電容電壓最大的子模 塊與旁路狀態(tài)下電容電壓最小的子模塊開關(guān)狀態(tài)進行置換。
[0009] 2)增減：若此時刻所需導通子模塊個數(shù)大（小）于上一時刻導通子模塊個數(shù)，貝U 根據(jù)橋臂電流igfm方向決定此刻開通（旁路）特定的子模塊。當且i?！丁旦枙r，選擇 將處于旁路狀態(tài)的子模塊中電容電壓最小的子模塊導通；若igfm<〇,則選擇將處于旁路狀態(tài) 的子模塊中電容電壓最大的子模塊導通。當N"w<N"id且i?！丁旦枙r，選擇旁路導通子模塊中電 容電壓最大的子模塊；若igfm<〇,則選擇旁路導通子模塊中電容電壓最小的子模塊。綜上所 述，假設導通子模塊序列為Uw,旁路子模塊序列為Uwp。
[0010] 而此新型排序方法的臨界排序步長需滿足
其中，O。為網(wǎng)側(cè)基波角頻率，f。為網(wǎng)側(cè)基波頻率，N為MMC中單個橋臂子模塊數(shù)量。
[0011] 步驟1. 2 :子模塊電容電壓紋波幅值與IGBT平均開關(guān)頻率的數(shù)學關(guān)系的確定 通過每個控制周期內(nèi)子模塊電容電壓排序過程，使得特定子模塊的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變 化，從而影響排序時刻前后的橋臂電壓，最終達到子模塊電容電壓平衡控制的目的。因此， 不妨令A V。。。為每個排序周期內(nèi)子模塊開關(guān)狀態(tài)變化時，對橋臂電壓所產(chǎn)生的補償電壓的 大小，則由新型排序算法原理可分為W下兩部分。
[001引1)當N。。片心且滿足置換子模塊開關(guān)狀態(tài)的條件時，系統(tǒng)將交換此時刻最大電容 電壓子模塊和最小電容電壓子模塊的開關(guān)狀態(tài)。由于子模塊工作狀態(tài)改變前后的電壓差由 Up決定，因此可知此時橋臂補償電壓滿足：
由于排序均壓環(huán)節(jié)的原理是使得所有子模塊電容電壓趨于額定值，因此補償效果由負 值標定。
[001引。當N。6>^〉N。ld或擁，系統(tǒng)將根據(jù)排序算法選擇投入（旁路）一個子模塊。 若橋臂上一時刻旁路（導通）的子模塊隊列個數(shù)較多，則增減子模塊前后的橋臂電壓補償 值將近似為電容電壓闊值的一半，即：
若橋臂上一時刻旁路（導通）的子模塊隊列個數(shù)較少，則由于相應子模塊更多的投切 次數(shù)導致增減子模塊前后的橋臂電壓補償值將小于電容電壓闊值的一半，則此時滿足：
綜上所述，新型電容排序均壓過程對橋臂電壓補償作用總和A v。。。。^可表示為
其中，ni、ri2分別表示在第一、二情況下子模塊IGBT的開關(guān)動作次數(shù)。由式（6)可得一 個開關(guān)周期內(nèi)平均開關(guān)頻率fwg的計算公式為
其中，T為工頻50化對應的周期。
[0014] 一個系統(tǒng)基頻周期T內(nèi)，由于上下橋臂對稱性，僅對上橋臂進行分析。上橋臂電壓 存在恒定的電壓差值，并且滿足
其中，dvup 為每個排序周期內(nèi)導致的橋臂電壓差值。
[0015] 由于子模塊電容排序電壓的目標是消除橋臂電容電壓值的電壓偏差，因此由式 化）、（7)可知排序均壓后的電壓補償值A(chǔ) Vtum gii與橋臂電壓偏差值滿足
將式（3)~做代入式（9)可得：
其中，fm"d為調(diào)制所需的頻率，滿足
因此，由式（IOa)、（IOb)可知，MMC電容紋波闊值Up與子模塊IGBT平均開關(guān)頻率f Wg 之間呈反比例關(guān)系且兩者乘積存在上下限值約束。
[0016] 步驟2通過排序環(huán)節(jié)輸出的子模塊IGBT觸發(fā)脈沖信號，基于所設計的劃窗計算頻 率模塊，在線計算出IGBT平均開關(guān)頻率。
[0017] 此測量模塊分為單采樣時刻內(nèi)頻率計算模塊I和多采樣時刻平均開關(guān)頻率計算 模塊II兩部分。首先根據(jù)任一相橋臂輸入的N維橋臂子模塊IGBT觸發(fā)信號Tj (腳，統(tǒng)計觸 發(fā)脈沖〇、1跳變的次數(shù)；其次，計算單采樣時間AT(即系統(tǒng)采樣時間）內(nèi)的頻率；最后，通 過劃窗方式統(tǒng)計出固定劃窗時間內(nèi)的平均開關(guān)頻率。
[001引在每一采樣時刻錄入新的頻率值fO W后，每一劃窗內(nèi)所記錄的頻率值依次挪位 填充下一個劃窗，同時系統(tǒng)計算并輸出固定劃窗時間內(nèi)的平均開關(guān)頻率大小t滿足
步驟3基于新型子模塊電容電壓排序策略W及在線劃窗策略IGBT平均開關(guān)頻率模塊 W及公差帶調(diào)制策略，根據(jù)所設計的IGBT開關(guān)頻率定量控制器實現(xiàn)子模塊IGBT平均開關(guān) 的定量控制。
[0019] 基于PI控制器的頻率控制環(huán)節(jié)與排序模塊、頻率測量模塊組成了一個閉環(huán)控制 系統(tǒng)。當實測IGBT開關(guān)頻率fiM與頻率參考值f ref不同時，兩者偏差值輸入PI環(huán)節(jié)W后經(jīng) 過限幅環(huán)節(jié)輸出子模塊電容電壓紋波波動闊值A(chǔ)Upw,進而通過調(diào)整排序均壓模塊中電容 電壓波動幅度使得fms快速趨近于目標值f Wf，實現(xiàn)系統(tǒng)頻率的精確定量控制，保證系統(tǒng)的 穩(wěn)定運行。
[0020] 本發(fā)明的效果在于，提出一種適用于高電平模塊化多電平換流器的定量控制IGBT 平均開關(guān)頻率的閉環(huán)控制策略。可W精確定量控制子模塊IGBT的平均開關(guān)頻率。分析推 導了子模塊電容電壓波動幅度與IGBT平均開關(guān)頻率之間呈反比例關(guān)系的結(jié)論，進而為PI 控制器的輸出限幅闊值的設置提供了理論依據(jù)。同時，設計了在線測量IGBT平均開關(guān)頻率 的模塊，最后設計了基于PI控制器的IGBT平均開關(guān)頻率的閉環(huán)控制器。通過穩(wěn)態(tài)、潮流翻 轉(zhuǎn)W及交、直流側(cè)嚴重系統(tǒng)級故障情況下的仿真驗證了所提出響應控制策略的魯棒性和適 用性。能夠通過定量控制IGBT平均開關(guān)頻率的方法避免功率器件的重復開通關(guān)斷過程，降 低了功率器件的損耗，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時保證了系統(tǒng)頻率的降低。
【附圖說明】
[0021] 圖1是模塊化多電平換流器MMC的典型拓撲圖； 圖2是子模塊結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明提供的適用于高電平MMC的新型子模塊電容電壓均衡策略框圖； 圖4是IGBT平均開關(guān)頻率在線測量模塊原理圖； 圖5是IGBT平均開關(guān)頻率定量控制原理框圖； 圖6是公差帶調(diào)制原理圖； 圖7是IGBT平均開關(guān)頻率與電容波動闊值的關(guān)系曲線。
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