[发明专利]基于非线性规划的阶梯波脉宽调制方法

说明书

技术领域

本发明属于基于电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）的高压直流输电和FACTS领域，具体涉及模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）或级联H桥型电压源换流器的直接脉宽调制（Direct Pulse Width Modulation，DPWM）技术,特别是一种基于非线性规划的阶梯波脉宽调制方法。

背景技术

1990年，加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人首次提出采用基于全控功率开关器件的电压源换流器（Voltage Source Converter，VSC）和PWM调制技术的直流输电概念。这种以电压源换流器、可关断器件和脉宽调制（PWM）技术为基础的新一代直流输电技术，国际上电力方面的权威学术组织CIGRE和IEEE将其正式称为VSC-HVDC，即“电压源换流器型高压直流输电”。

在现有电压源换流器型高压直流输电工程中广泛采用两电平VSC和三电平二极管箝位式VSC作为换流设备，无一例外地采用几十乃至上百个IGBT的直接串联来满足换流器高电压和大功率的要求。但由于串联的功率器件以及各自驱动电路的动态和静态特性不可能完全一致，因此它们在阻断状态和开关过程中，每个器件的压降不可能相同，需要复杂的动、静态均压电路。均压电路会导致系统控制复杂，损耗增加，且对驱动电路的要求也大大提高，要求延迟时间接近，并尽量短，以使得单个桥臂上所有级联的IGBT必须以毫秒的开关精度同时开通和关断。导致换流器交流馈出点电压幅度变化和梯度都很高，由此会带来较高的换流器阀应力及高频的电磁干扰（EMI）、电磁辐射和谐波污染等不利影响，客观上要求必须装设体积庞大和笨重的滤波装置。于是，多电平换流器便应运而生。

多电平换流器拓扑结构主要有二极管箝位式多电平换流器、飞跨电容型多电平换流器、级联H桥型多电平换流器和模块化多电平换流器（图1）。由于电网的电压很高，采用二极管箝位式多电平换流器和飞跨电容型多电平换流器的电平数超过五电平后的拓扑结构就变得很复杂了，不利于控制策略地实现；同样级联H桥型多电平换流器需要若干个独立直流电源（当采用不控整流得到这些直流电源时，为减少对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体积庞大，成本高，设计困难），不易实现四象限运行的缺点阻碍了其在VSC-HVDC中的应用。于是，Siemens公司另辟蹊径，设计出模块化多电平电压源换流器(MMC)的拓扑结构（见图1（d））。

多电平变换器的PWM控制技术与多电平变换器拓扑结构的提出是共生的，因为它不仅决定多电平变换器的实现与否，而且对多电平变换器的电压输出波形质量、系统损耗的减少与效率的提高都有直接的影响。多电平变换器功能的实现，不仅要有适当的电路拓扑结构做基础，还要有相应的PWM控制方式作为保障，才能保证系统高性能和高效率的运行。

在过去的二十多年里，大量的多电平变换器PWM控制方法被提出，它们基本上都来源于业已成熟的两电平PWM技术。多电平变换器的调制策略，从广义的范畴看，分为载波PWM技术和空间矢量PWM技术；按照开关频率的高低，可以分为基频调制和高频调制。其中，基频调制是指在一个工频周期中，每个开关器件只是开关一次或两次，产生阶梯波的输出电压。这种调制方法中比较有代表性的是阶梯波调制和开关点预制调制（见图2）。高频调制是指在输出电压的一个工频周期中，每个开关器件开关许多次。这类调制方法主要包括正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量调制（SVPWM）。此外，由于空间矢量的数目是电平数的立方，当电平数很高时，各状态对应的空间矢量冗余度很高，如何定位并在较短时间挑选出合适的空间矢量都会相当困难，甚至无法执行。载波移相（PSPWM）的优点是实现简便，在不提高开关频率的条件下使等效开关频率提高到原来的2N倍，有助于提高整个系统的等效载波比，从而大大减小输出谐波。然而，其电压利用率并不高，器件开关频率偏高，开关损耗较多。

由于模块化多电平换流器自身所具有的“模块化”构造特点，可以简便地得到较高电平的多电平输出，波形品质较优。理想情况下，当输出电平无限增大时，即会达到标准的正弦波，因此模块化多电平换流器可以摒弃传统的PWM高频调制方式，转而采用具有低开关频率的多电平控制方式。

开关点预制PWM方法（图2（b））是在阶梯波上预制“凹槽”用于消除特定次谐波，需要离线计算出这些“凹槽”的位置信息并存于存储器中，运行时，实时读出后进行输出控制。因此，这种方法受到计算时间和存储容量的限制。