專利名稱：基于等效電路模型的模塊化多電平換流器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及換流器控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于等效電路模型的模塊化多電平換流器的控制方法。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)電壓型換流器的電路結(jié)構(gòu)具有一定的共性，一般只有三個(gè)交流輸出端，每個(gè)交流輸出端通過一個(gè)換流電抗與三相交流電網(wǎng)相連。以二電平電壓源換流器為例，圖1是該換流器的基本電路結(jié)構(gòu)。目前，傳統(tǒng)電壓源換流器有很多種成熟的控制方法，各種控制策略的根本原理都是通過調(diào)節(jié)換流器的三個(gè)交流輸出端的端電壓來控制換流器與交流電網(wǎng)之間交換的有功功率和無功功率。
模塊化多電平換流器是一種較新的多電平電壓源換流器?；谀K化設(shè)計(jì)和制造，該換流器可以達(dá)到很高的電平數(shù)。還可以避免開關(guān)器件的直接串聯(lián)。這種換流器適合用于高壓大功率領(lǐng)域，特別是電壓源換流器型直流輸電。圖2是該換流器用于電壓源換流器型直流輸電的基本電路結(jié)構(gòu)，該換流器有ap、an，bp，bn，cp，cn六個(gè)交流輸出端，每個(gè)交流輸出端都通過一個(gè)換流電抗與三相交流系統(tǒng)相連?？梢娔K化多電平換流器的電路結(jié)構(gòu)與只有三個(gè)交流輸出端的傳統(tǒng)電壓源換流器有很大的不同，這使得傳統(tǒng)電壓源換流器的控制方法無法直接應(yīng)用于模塊化多電平換流器中。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于等效電路模型的模塊化多電平換流器的控制方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)解決方案是 一種基于等效電路模型的模塊化多電平換流器的控制方法，包括以下步驟 (1)推導(dǎo)模塊化多電平換流器的等效電路理論模型； (2)模塊化多電平換流器等效電路理論模型的矢量控制； (3)通過仿真驗(yàn)證等效電路理論模型和控制方法； 其中，所述步驟(1)具體為模塊化多電平換流器的六個(gè)橋臂是對(duì)稱的。將六個(gè)橋臂的串聯(lián)子模塊組分別用六個(gè)等效電壓源表示，換流電抗用電感表示。由于三個(gè)相單元的對(duì)稱性，直流電流Id在三個(gè)相單元之間均分，即流過每個(gè)相單元的直流電流為Id/3；由于上、下橋臂的對(duì)稱性，交流相電流在上、下橋臂間均分，即流過每個(gè)橋臂的交流電流為相電流的一半。運(yùn)行時(shí)只有交流電流流過電感才會(huì)在電感上造成電壓降，直流電流流過電感不會(huì)在電感上造成電壓降。所以ap點(diǎn)和an點(diǎn)等電位，bp點(diǎn)和bn點(diǎn)等電位，cp點(diǎn)和cn點(diǎn)等電位。根據(jù)電路原理，將等電位點(diǎn)虛擬短路，從而簡化電路結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)并聯(lián)的換流電抗合并為一個(gè)電感值為原電抗一半的新?lián)Q流電抗，主電路進(jìn)一步簡化。推導(dǎo)的模塊化多電平換流器的等效電路理論模型具有三個(gè)交流輸出端，每個(gè)交流輸出端通過一個(gè)換流電抗與交流電網(wǎng)相連 所述步驟(2)具體為三相abc坐標(biāo)系下電壓、電流的動(dòng)態(tài)表達(dá)式如下 對(duì)上式施加式fd，q＝T(θ)fa，b，c(t)的dq0坐標(biāo)變換，得到 其中，θ表示ua的相角，變換矩陣定義如下 使用式fd，q＝T(θ)fa，b，c(t)的dq0變換，在穩(wěn)態(tài)時(shí)有uq＝0。穩(wěn)態(tài)下，A、B和C點(diǎn)處交流系統(tǒng)送入換流器的有功、無功功率可以表示為 P＝1.5udid，Q＝-1.5udiq； 矢量控制方法采用由內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)環(huán)電流控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電流的快速控制，外環(huán)控制器則根據(jù)不同控制目標(biāo)來設(shè)計(jì)。將式

重寫如下 其中，id，iq為狀態(tài)變量，在穩(wěn)態(tài)時(shí)ud，uq為常量，在暫態(tài)時(shí)可能有擾動(dòng)，vd，vq為輸入變量。從上式可見，換流器的數(shù)學(xué)模型中d，q軸變量之間存在耦合，另外還存在ud，uq擾動(dòng)信號(hào)。引入電壓耦合補(bǔ)償項(xiàng)ωLid，ωLiq和交流電網(wǎng)電壓前饋項(xiàng)ud，uq。采用PI控制時(shí)，輸入變量vd，vq為 vd＝ud+ωLiq-[kp1(idref-id)+ki1∫(idref-id)dt] vq＝uq-ωLid-[kp2(iqref-iq)+ki2∫(iqref-iq)dt] 將以上2式代入式

中，得到 換流器的電流內(nèi)環(huán)變成了兩個(gè)單輸入，單輸出系統(tǒng)。將vd和vq經(jīng)過dq0反變換到abc坐標(biāo)系下，就得到了需要換流器輸出的三相工頻交流相電壓vq，vb和vc。
內(nèi)環(huán)電流控制器的作用是讓id和iq跟蹤電流設(shè)定值idref和iqref。外環(huán)控制器根據(jù)有功功率，無功功率，直流電壓等設(shè)定值，生成電流設(shè)定值idref和iqref。結(jié)合式P＝1.5udid，Q＝-1.5udiq，并引入PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)有功功率和無功功率的設(shè)定值可以得到電流設(shè)定值 idref＝Pref/1.5ud+[kp(Pref-P)+ki∫(Pref-P)dt] iqref＝-Qref/1.5ud+[kp(Q-Qref)+ki∫(Q-Qref)dt]； 根據(jù)直流電壓設(shè)定值，也可以得到電流設(shè)定值 idref＝[kp(Udcref-Udc)+ki∫(Udcref-Udc)dt]。
本發(fā)明的有益效果是，模塊化多電平換流器的等效電路理論模型具有三個(gè)交流輸出端，每個(gè)交流輸出端通過一個(gè)換流電抗與交流電網(wǎng)相連，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓源換流器類似。這樣可以將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓源換流器的控制方法直接應(yīng)用到模塊化多電平換流器中。



圖1為二電平電壓源換流器的基本電路結(jié)構(gòu)圖； 圖2為模塊化多電平換流器的基本電路結(jié)構(gòu)圖； 圖3為模塊化多電平換流器的第一等效電路圖； 圖4為模塊化多電平換流器的第二等效電路圖； 圖5為模塊化多電平換流器的等效電路理論模型圖； 圖6為模塊化多電平換流器型直流輸電仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖7為模塊化多電平換流器仿真系統(tǒng)的整流側(cè)輸出的交流電壓圖； 圖8為模塊化多電平換流器仿真系統(tǒng)的整流側(cè)直流電壓圖； 圖9為模塊化多電平換流器仿真系統(tǒng)的逆變側(cè)有功功率圖； 圖10為模塊化多電平換流器仿真系統(tǒng)的逆變側(cè)無功功率圖。

具體實(shí)施例方式 矢量控制方法是傳統(tǒng)二電平電壓源換流器的一種常用控制方法。這里根據(jù)模塊化多電平換流器的等效電路理論模型，將一種傳統(tǒng)二電平電壓源換流器的矢量控制方法應(yīng)用到模塊化多電平換流器中，并通過仿真驗(yàn)證模塊化多電平換流器的等效電路模型的準(zhǔn)確性和控制方法的有效性。以下結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明不受所述具體實(shí)施例所限。
1.推導(dǎo)模塊化多電平換流器的等效電路理論模型。
模塊化多電平換流器的六個(gè)橋臂是對(duì)稱的。將六個(gè)橋臂的串聯(lián)子模塊組分別用六個(gè)等效電壓源表示，換流電抗用電感表示，這樣可以得到如圖3所示的等效電路1。由于三個(gè)相單元的對(duì)稱性，直流電流Id在三個(gè)相單元之間均分，即流過每個(gè)相單元的直流電流為Id/3，方向如圖3所示；由于上、下橋臂的對(duì)稱性，交流相電流在上、下橋臂間均分，即流過每個(gè)橋臂的交流電流為相電流的一半，方向如圖3所示(以上結(jié)論可參見‘A new Multilevel Voltage-SourcedConverter Topology for HVDC Applications，by J.Dorn，Cigre Symposium，Paris，F(xiàn)rance，2008)。運(yùn)行時(shí)只有交流電流流過電感才會(huì)在電感上造成電壓降，直流電流流過電感不會(huì)在電感上造成電壓降。所以ap點(diǎn)和an點(diǎn)等電位，bp點(diǎn)和bn點(diǎn)等電位，cp點(diǎn)和cn點(diǎn)等電位。根據(jù)電路原理，在理論分析中可以將等電位點(diǎn)虛擬短路，從而簡化電路結(jié)構(gòu)。如圖4所示將等電位點(diǎn)用虛線相連，這樣我們可以看到上下橋臂的換流電抗可看成是并聯(lián)關(guān)系。將兩個(gè)并聯(lián)的換流電抗合并為一個(gè)電感值為原電抗一半的新?lián)Q流電抗，主電路可以進(jìn)一步簡化為圖5。圖5所示的模塊化多電平換流器的等效電路理論模型具有三個(gè)交流輸出端，每個(gè)交流輸出端通過一個(gè)換流電抗與交流電網(wǎng)相連，該結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓源換流器類似。這樣可以將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)電壓源換流器的控制方法直接應(yīng)用到模塊化多電平換流器中。
2.模塊化多電平換流器等效電路理論模型的矢量控制。
根據(jù)圖5，三相abc坐標(biāo)系下電壓、電流的動(dòng)態(tài)表達(dá)式如下 對(duì)式(1)施加式(2)的dq0坐標(biāo)變換，得到式(4) fd，q＝T(θ)fa，b，c(t)(2) 其中θ表示uq的相角，變換矩陣定義如下 使用式(2)所示的dq0變換，在穩(wěn)態(tài)時(shí)有uq＝0。穩(wěn)態(tài)下，圖5中A、B和C點(diǎn)處交流系統(tǒng)送入換流器的有功、無功功率可以表示為 P＝1.5udid，Q＝-1.5udiq(5) 矢量控制方法采用由內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)環(huán)電流控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電流的快速控制，外環(huán)控制器則根據(jù)不同控制目標(biāo)來設(shè)計(jì)。將式(4)重寫如下 其中id，iq為狀態(tài)變量，在穩(wěn)態(tài)時(shí)ud，uq為常量，在暫態(tài)時(shí)可能有擾動(dòng)，vd，vq為輸入變量。從上式可見，換流器的數(shù)學(xué)模型中d，q軸變量之間存在耦合，另外還存在ud，uq擾動(dòng)信號(hào)。引入電壓耦合補(bǔ)償項(xiàng)ωLid，ωLiq和交流電網(wǎng)電壓前饋項(xiàng)ud，uq。采用PI控制時(shí)，輸入變量vd，vq為 vd＝ud+ωLiq-[kp1(idref-id)+ki1∫(idref-id)dt](7) vq＝uq-ωLid-[kp2(iqref-iq)+ki2∫(iqref-iq)dt](8) 將式(7)和(8)代入式(6)中，得到 換流器的電流內(nèi)環(huán)變成了兩個(gè)單輸入，單輸出系統(tǒng)。將vd和vq經(jīng)過dq0反變換到abc坐標(biāo)系下，就得到了需要換流器輸出的三相工頻交流相電壓vq，vb和vc。
內(nèi)環(huán)電流控制器的作用是讓id和iq跟蹤電流設(shè)定值idref和iqref。外環(huán)控制器根據(jù)有功功率，無功功率，直流電壓等設(shè)定值，生成電流設(shè)定值idref和iqref。結(jié)合式(5)，并引入PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)有功功率和無功功率的設(shè)定值可以得到電流設(shè)定值 idref＝Pref/1.5ud+[kp(Pref-P)+ki∫(Pref-P)dt] (11) iqref＝-Qref/1.5ud+[kp(Q-Qref)+ki∫(Q-Qref)dt](12) 根據(jù)直流電壓設(shè)定值，也可以得到電流設(shè)定值 idref＝[kp(Udcref-Udc)+ki∫(Udcref-Udc)dt](13) 3.通過仿真驗(yàn)證等效電路理論模型和控制方法。
根據(jù)以上的控制策略，在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了模塊化多電平換流器型直流輸電系統(tǒng)的仿真模型(仿真系統(tǒng)使用的調(diào)制策略和子模塊電容電壓均衡策略參見‘模塊化多電平換流器型直流輸電的調(diào)制策略’，管敏淵等，電力系統(tǒng)自動(dòng)化[J]，2010，34(2)48-52)，其基本結(jié)構(gòu)見圖6。每個(gè)橋臂有20個(gè)子模塊，子模塊電容值為3000微法，換流電抗電感值為0.04亨。整流側(cè)采用定直流電壓和定無功功率控制，逆變側(cè)采用定有功功率和定無功功率控制。整流側(cè)直流電壓設(shè)定值為400千伏，無功功率設(shè)定值為0。逆變側(cè)有功功率設(shè)定值在0.3秒時(shí)從-800兆瓦階躍到-600兆瓦，無功功率設(shè)定值在0.5秒時(shí)從50Mvar階躍到-50Mvar。圖7為ap點(diǎn)電壓和an點(diǎn)電壓，以及兩者之差?？梢奱p點(diǎn)電壓和an點(diǎn)電壓之差很小，所以ap點(diǎn)和an點(diǎn)可以近似地看成是等電位點(diǎn)，驗(yàn)證了模塊化多電平換流器的等效電路理論模型的準(zhǔn)確性。圖8到圖10分別為整流側(cè)直流電壓，逆變側(cè)有功功率和無功功率的響應(yīng)情況?？梢娤到y(tǒng)跟蹤直流電壓、有功功率和無功功率指令的能力很好，驗(yàn)證了控制策略的有效性。
權(quán)利要求
1.一種基于等效電路模型的模塊化多電平換流器的控制方法，其特征在于，包括以下步驟
(1)推導(dǎo)模塊化多電平換流器的等效電路理論模型。
(2)模塊化多電平換流器等效電路理論模型的矢量控制。
(3)通過仿真驗(yàn)證等效電路理論模型和控制方法。
其中，所述步驟(1)具體為模塊化多電平換流器的六個(gè)橋臂是對(duì)稱的。將六個(gè)橋臂的串聯(lián)子模塊組分別用六個(gè)等效電壓源表示，換流電抗用電感表示。由于三個(gè)相單元的對(duì)稱性，直流電流Id在三個(gè)相單元之間均分，即流過每個(gè)相單元的直流電流為Id/3；由于上、下橋臂的對(duì)稱性，交流相電流在上、下橋臂間均分，即流過每個(gè)橋臂的交流電流為相電流的一半。運(yùn)行時(shí)只有交流電流流過電感才會(huì)在電感上造成電壓降，直流電流流過電感不會(huì)在電感上造成電壓降。所以ap點(diǎn)和an點(diǎn)等電位，bp點(diǎn)和bn點(diǎn)等電位，cp點(diǎn)和cn點(diǎn)等電位。根據(jù)電路原理，將等電位點(diǎn)虛擬短路，從而簡化電路結(jié)構(gòu)。將兩個(gè)并聯(lián)的換流電抗合并為一個(gè)電感值為原電抗一半的新?lián)Q流電抗，主電路進(jìn)一步簡化。推導(dǎo)的模塊化多電平換流器的等效電路理論模型具有三個(gè)交流輸出端，每個(gè)交流輸出端通過一個(gè)換流電抗與交流電網(wǎng)相連
所述步驟(2)具為三相abc坐標(biāo)系下電壓、電流的動(dòng)態(tài)表達(dá)式如下
對(duì)上式施加式fd，q＝T(θ)fa，b，c(t)的dq0坐標(biāo)變換，得到
其中，θ表示ua的相角，變換矩陣定義如下
使用式fd，q＝T(θ)fa，b，c(t)的dq0變換，在穩(wěn)態(tài)時(shí)有uq＝0。穩(wěn)態(tài)下，A、B和C點(diǎn)處交流系統(tǒng)送入換流器的有功、無功功率可以表示為
P＝1.5udid，Q＝-1.5udiq；
矢量控制方法采用由內(nèi)環(huán)電流控制器和外環(huán)控制器構(gòu)成的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。其中內(nèi)環(huán)電流控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)三相交流電流的快速控制，外環(huán)控制器則根據(jù)不同控制目標(biāo)來設(shè)計(jì)。將式
重寫如下
其中，id，iq為狀態(tài)變量，在穩(wěn)態(tài)時(shí)ud，uq為常量，在暫態(tài)時(shí)可能有擾動(dòng)，vd，vq為輸入變量。從上式可見，換流器的數(shù)學(xué)模型中d，q軸變量之間存在耦合，另外還存在ud，uq擾動(dòng)信號(hào)。引入電壓耦合補(bǔ)償項(xiàng)ωLid，ωLiq和交流電網(wǎng)電壓前饋項(xiàng)ud，uq。采用PI控制時(shí)，輸入變量vd，vq為
vd＝ud+ωLiq-[kp1(idref-id)+ki1∫(idref-id)dt]
vq＝uq-ωLid-[kp2(iqref-iq)+ki2∫(iqref-iq)dt]
將以上2式代入式
中，得到
換流器的電流內(nèi)環(huán)變成了兩個(gè)單輸入，單輸出系統(tǒng)。將vd和vq經(jīng)過dq0反變換到abc坐標(biāo)系下，就得到了需要換流器輸出的三相工頻交流相電壓va，vb和vc。
內(nèi)環(huán)電流控制器的作用是讓id和iq跟蹤電流設(shè)定值idref和iqref。外環(huán)控制器根據(jù)有功功率，無功功率，直流電壓等設(shè)定值，生成電流設(shè)定值idref和iqref。結(jié)合式P＝1.5udid，Q＝-1.5udiq，并引入PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)有功功率和無功功率的設(shè)定值可以得到電流設(shè)定值
idref＝Pref/1.5ud+[kp(Pref-P)+ki∫(Pref-P)dt]
iqref＝-Qref/1.5ud+[kp(Q-Qref)+ki∫(Q-Qref)dt]；
根據(jù)直流電壓設(shè)定值，也可以得到電流設(shè)定值
idref＝[kp(Udcref-Udc)+ki∫(Udcref-Udc)dt]。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于等效電路模型的模塊化多電平換流器的控制方法。模塊化多電平換流器具有六個(gè)交流輸出端和六個(gè)換流電抗。根據(jù)對(duì)稱性分析可知每相的兩個(gè)交流輸出端是等電位點(diǎn)，理論分析中可以將等電位點(diǎn)虛擬短路。這樣，每相的兩個(gè)換流電抗是一種并聯(lián)關(guān)系，可以合并為一個(gè)電抗。這樣得到了模塊化多電平換流器的虛擬等效電路模型，它只有三個(gè)交流輸出端和三個(gè)換流電抗，其結(jié)構(gòu)與二電平換流器等傳統(tǒng)電壓源換流器類似，這樣可以將傳統(tǒng)電壓源換流器的控制方法直接應(yīng)用到模塊化多電平換流器中。
文檔編號(hào)H02M7/44GK101814853SQ20101015820
公開日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月27日
發(fā)明者徐政, 管敏淵 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)