[发明专利]模块化多电平变流器低频运行的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平电力电子变流器的控制方法。

背景技术

模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter，MMC）是最近获得广泛关注的一种新型电力电子变流器，最早是由德国的A.Lesnicar和R.Marquardt在2002年左右提出的。模块化多电平变流器模块化且可以级联的结构决定了其特别适用于中压到高压电力电子变流的应用场合。关于模块化多电平变流器在工频运行状态下的控制方法，国内外相关研究机构已经进行了较多的研究。

三相模块化多电平变流器的基本拓扑结构（如图1所示）是由三相六个桥臂构成，每相有上下两个桥臂。每个桥臂分别由一个桥臂电感和若干个结构相同的子模块级联而成。每个模块包括两个带反并联二极管的电力电子开关器件与一个直流电容。

模块化多电平变流器各相交流侧电流等于上下桥臂电流之差，桥臂电流为实际通过开关器件的电流。对变流器单相桥臂电流进行分析，其可分解为两部分：

（1）由直流侧流入上桥臂，不通过交流侧直接流入下桥臂，最后流回到直流侧的上下桥臂共模分量i_e，此部分完成直流侧与变流器上下桥臂子模块电容的能量交换，其可表达为：

i_e＝(i_p+i_n)/2

其中i_p表示上桥臂电流，i_n表示下桥臂电流。

（2）由上下桥臂分别流入交流侧，不通过另外一个桥臂的上下桥臂差模分量i_dm，此部分完成变流器上下桥臂子模块电容与交流侧的能量交换，其可表达为：

i_dm＝(i_p-i_n)/2＝i_a/2

其中i_a表示交流侧电流瞬时值。

在运行过程中，控制各模块开关器件的开通与关断，可使得各模块的直流电容接入桥臂中或被旁路。通过控制直流电容的接入或旁路，能够控制各桥臂电压，从而控制交流侧电压。

模块化多电平变流器，各模块直流电容在初始时刻会被充电到一个固定电位U₀，在运行过程中当直流电容接入桥臂时，桥臂电流将会给该电容充放电，使得电容上的电位偏离U₀。即有：

uj(t)=u0+∫0tsj(τ)ij(τ)dτ]]>

其中u_j(t)表示各模块直流电容瞬时电压值；s_j(τ)表示各模块的开关函数，当模块中直流电容被接入桥臂时该函数值为1，当模块中直流电容被旁路时，该函数值为0；i_j(τ)表示各模块所在桥臂中流过的桥臂电流。

由于变流器交流侧电压是由桥臂电压决定的，而桥臂电压又是由各直流电容电压支撑得到的，因此为了使得变流器能够正常的运行，要求在运行过程中，各模块直流电容电压能够实现一种动态的平衡，不能大幅度的偏离U₀，通常要求偏离幅度不超过±10%U₀。一旦变流器模块直流电容电压平衡无法得到解决，将直接导致变流器无法正常运行。

针对该问题，现阶段各国专家学者也都进行了一些分析。各模块直流电容电压平衡问题，可以归结为各模块直流电容在充放电的过程中能量平衡的问题，该问题可以分为两个子问题分别进行解决。

1.桥臂内各模块直流电容能量平衡问题；

2.桥臂间能量平衡问题。