一种CPS-PWM调制下中压MMC换流阀的降损控制方法

技术领域

本发明属于MMC换流阀损耗控制技术领域，尤其涉及一种CPS-PWM调制下中压MMC换流阀的降损控制方法。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)具有输出特性好、开关频率低、易于扩展等优点，已在国内外高压直流输电(high voltage direct current,HVDC)领域取得了广泛应用，同时也在直流配电网、光储直柔、机车牵引、船舶电力系统等中压场景具有广阔的应用前景。

降低MMC换流阀损耗对提高系统运行的经济性有显著的意义，而正常运行时其损耗取决于半导体开关器件的开关频率和其桥臂电流。目前MMC换流阀降损控制方法的研究重点主要集中在研究新的均压调制算法以降低其子模块的开关频率，从而降低其开关损耗。当MMC换流阀运行工况一定时，由调制引起的平均开关频率为定值，而由均压引起的平均开关频率取决于子模块的均压策略，主要分为基于脉宽调制的均压策略和基于最近电平逼近调制的均压策略。但在中低压应用场景下，MMC换流阀通常采用基于脉宽调制的均压策略，由于脉宽调制载波频率很高，通常导致其产生大量的开关损耗，且其开关频率为定值。而MMC换流阀降损控制方法的另一种方法是优化桥臂电流，有文献在不同功率因数下采用三种不同排序算法，分别计算采用和不采用二倍频谐波环流消除策略时MMC换流阀损耗，计算结果表明消除二倍频谐波环流能够降低其损耗。有文献提出了一种基于比例积分控制器的闭环控制策略以消除二倍频谐波环流。有文献引入了重复控制器，以提高谐波环流的抑制效果。有文献提出了一种基于比例谐振控制器，它能在静止坐标系下实现二倍频谐波环流的控制。

但是，现有文献仅定性地说明消除二倍频谐波环流能够降低MMC换流阀损耗，并没有详细的分析其损耗与二倍频谐波环流的数学关系。有文献提出了二倍频谐波环流注入的控制策略以降低MMC换流阀子模块的电容电压波动，并未涉及通过注入特定的二倍频谐波环流降低其损耗。有文献提出了一种基于二倍频谐波环流注入的效率优化策略，推导了最优二倍频谐波环流相位和幅值的解析表达式，但是二倍频谐波环流最优幅值和相位的理论计算值与实际值存在误差，需要在理论计算值的基础上叠加固定修正值，该修正值不能根据MMC的实际运行工况灵活调节。因此，该技术方案虽然能够在一定程度上降低MMC换流阀的损耗，但降低损耗的效果并不理想。

因此，怎样才能进一步的降低MMC运行时的换流阀损耗问题，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种CPS-PWM调制下中压MMC换流阀的降损控制方法，可以进一步的降低MMC运行时的换流阀损耗。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种CPS-PWM调制下中压MMC换流阀的降损控制方法，所述MMC换流阀包括a、b、c三相，三相均包括上桥臂p和下桥臂n；每个桥臂均包括多个子模块；所述子模块均为半桥子模块HBSM；

方法包括以下步骤：

S1、计算各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式；

S2、基于S1得到的桥臂电流解析式，构建各桥臂的各子模块的损耗计算式P

S3、基于S2得到的子模块的损耗计算式P

S4、求解环流注入最优函数，得到各桥臂的电流参考值；

S5、提取S4得到的各桥臂的电流参考值的二倍频分量，作为二倍频环流PR调节器输入量，在MMC换流阀各桥臂参考电压中注入二倍频环流补偿量。

优选地，MMC换流阀的各相的上桥臂与下桥臂均对称。

优选地，通过相同的方法，分别计算各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式；其中，a相桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式的计算过程包括：

根据基尔霍夫电流定律，构建a相的桥臂电流方程，所述桥臂电流方程包括上桥臂和下桥臂的电流方程；

基于子模块电容充放电过程，得到a相的上桥臂及下桥臂的输出电压方程；

将a相上桥臂及下桥臂的电流方程代入对应的输出电压方程中，得到a相上桥臂及下桥臂的输出电压详细方程，并处理得到a相中的共模电压：所述共模电压仅含二倍频分量，基频分量及三倍频分量为0；

基于a相中的共模电压，将a相的桥臂电流方程进行修正后，将修正后的a相桥臂电流方程代入a相上桥臂、下桥臂的输出电压方程中；并重复上述过程，通过迭代法进行计算得到a相桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式。

优选地，S1中，构建的a相的电流方程为：

式中，I

优选地，S1中，a相的上桥臂及下桥臂的输出电压方程为：

式中，U

/>

式中，m为调制比。

优选地，S1中，将a相上桥臂、下桥臂的电流方程代入其输出电压方程后，得到的a相上桥臂、下桥臂输出电压详细方程为：

其中，u

优选地，S1中，处理得到的a相中的共模电压为：

基于a相中的共模电压，将a相桥臂电流修正为：

式中，

式中，L

优选地，S2中，通过相同的方法，分别构建各子模块的损耗计算式P

式中，I

式中，r为IGBT和反并联二极管的通态电阻中的较大值，U

优选地，S3中，构建的环流注入最优函数为：

其中：

式中，i

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、MMC正常运行时其损耗取决于半导体开关器件的开关频率和其桥臂电流，降低半导体开关器件的开关频率可以降低开关损耗，但CPS-PWM调制下其开关频率为定值，而优化桥臂电流可以同时降低通态损耗和开关损耗。本发明的发明人基于MMC换流阀的损耗简化计算模型，研究了MMC换流阀损耗与其二倍频环流分量之间的数学关系。并在此基础上，基于S2得到的子模块的损耗计算式P

综上，本方法可以在现有技术的基础上，进一步的降低MMC运行时的换流阀损耗。

2、与现有技术在理论计算值的基础上叠加固定修正值相比，本方法由于注入的二倍环流补偿量直接来自在于MMC换流阀损耗与其二倍频环流分量之间的数学关系，在不同运行工况下均能够使用，且各种工况下均能在MMC换流阀开关频率固定时最大程度地降低其损耗，提升MMC整体运行效率，提升系统运行经济性与可靠性。

3、本方法提供了各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式的具体求解方法，使用本方法，可以准确且稳定的求解本方法计算各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式，在该桥臂电流解析式的基础上，可以保证后续求解的各桥臂电流参考值的有效性，从而保证后续注入二倍频环流补偿量的有效性。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为实施例中的MMC换流阀的电路拓扑示意图；

图2为实施例中的流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

实施例：

MMC换流阀的电路拓扑示意图如图1所示，MMC换流阀包括a、b、c三相(即图1中的Phase A、Phase B、Phase C)，三相均包括上桥臂p和下桥臂n，且MMC换流阀的各相的上桥臂与下桥臂均对称；每个桥臂均包括多个子模块，所述子模块均为半桥子模块HBSM；每个子模块均包括二极管、电容与IGBT。本实施例中，本方法的使用对象为，中低压场景下采用CPS-PWM调制的MMC，需要说明的是，实施例中，参数的右下标中的单独的a、b、c即为对应的相，参数的由下标中的单独的p、n即为对应的桥臂。

如图2所示，本方法包括以下步骤：

S1、计算各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式。

具体实施时，通过相同的方法，分别计算各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式；其中，a相桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式的计算过程包括：

根据基尔霍夫电流定律，当MMC三相单元的上、下桥臂对称时，构建a相的电流方程：

式中，I

基于子模块电容充放电过程，得到a相的上桥臂、下桥臂输出电压方程：

式中，U

式中，m为调制比；

将a相上桥臂、下桥臂的电流方程代入其输出电压方程中，得到a相上桥臂、下桥臂输出电压详细方程为：

其中，u

基于上式，得到a相中的共模电压：

基于a相中的共模电压，将a相桥臂电流修正为：

式中，

式中，L

将修正后的a相桥臂电流代入a相上桥臂、下桥臂的输出电压方程中，并重复上述过程，通过迭代法进行计算得到a相桥臂只含有二倍频环流的桥臂电流解析式。a相桥臂电流方程中环流的基频分量及三倍频分量为0，只含有二倍频分量(忽略四次及以上高次谐波)。

S2、基于S1得到的桥臂电流解析式，构建各桥臂的各子模块的损耗计算式P

具体实施时，通过相同的方法，分别构建各子模块的损耗计算式P

式中，I

式中，r为IGBT和反并联二极管的通态电阻中的较大值，U

S3、基于S2得到的子模块的损耗计算式P

具体实施时，构建的环流注入最优函数为：

其中：

式中，i

S4、求解环流注入最优函数，得到各桥臂的电流参考值。

S5、提取S4得到的各桥臂的电流参考值的二倍频分量，作为二倍频环流PR调节器输入量，在MMC换流阀各桥臂参考电压中注入二倍频环流补偿量。

MMC正常运行时其损耗取决于半导体开关器件的开关频率和其桥臂电流，降低半导体开关器件的开关频率可以降低开关损耗，但CPS-PWM调制下其开关频率为定值，而优化桥臂电流可以同时降低通态损耗和开关损耗。本发明的发明人基于MMC换流阀的损耗简化计算模型，研究了MMC换流阀损耗与其二倍频环流分量之间的数学关系。并在此基础上，基于S2得到的子模块的损耗计算式P

除此，与现有技术在理论计算值的基础上叠加固定修正值相比，本方法由于注入的二倍环流补偿量直接来自在于MMC换流阀损耗与其二倍频环流分量之间的数学关系，在不同运行工况下均能够使用，且各种工况下均能在MMC换流阀开关频率固定时最大程度地降低其损耗，提升MMC整体运行效率，提升系统运行经济性与可靠性。并且，本方法提供了各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式的具体求解方法，使用本方法，可以准确且稳定的求解本方法计算各桥臂考虑二倍频分量的桥臂电流解析式，在该桥臂电流解析式的基础上，可以保证后续求解的各桥臂电流参考值的有效性，从而保证后续注入二倍频环流补偿量的有效性。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。