[发明专利]模块化多电平变流器桥臂间能量平衡控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及多电平柔性直流输电变流器控制技术领域，具体地，涉及一种基于模块化多电平拓扑结构变流器电容储能控制的模块化多电平变流器桥臂间能量平衡控制方法。

背景技术

柔性直流输电技术已广泛应用于海上风电场并网系统，随着海上风电场规模的不断扩大，柔性直流输电变流器的电压等级和容量需求也不断提高，同时沿海等地区部分电网属于弱交流系统，这对变流器的控制提出了更高的要求.

模块化多电平变流器以模块化功率单元为基础，采用多级串联结构，提高系统电压等级，目前常用的功率单元拓扑结构包括半桥、全桥以及半桥和全桥混合结构，已投运的大容量柔性直流输电系统均采用半桥结构，该种结构对于直流侧故障没有隔离能力，系统直流双极短路情况下容易造成开关器件损坏，目前已有大量文献提出改进的模块化多电平结构，主要有钳位式双子模块结构和全桥模块结构，具有直流故障的闭锁能力，是未来模块化多电平变流器的主要发展方向，但目前实际工程应用还较少。对于上述各种模块化多电平结构在连接弱交流系统时，由于风电场输出功率存在较大波动，易造成电网侧交流电压波动，从而使变流器直流侧正负极母线电压出现不平衡，若对此不加以控制，将严重影响并网电能质量，甚至因双极不平衡造成变流器桥臂过电压等保护动作，以至系统停运。

经对现有技术文献的检索发现，刘钟淇等人在电力系统自动化上所发表的“基于模块化多电平变流器的轻型直流输电系统.2010，34(2)：53-58”针对采用半桥结构的模块化多电平变流器介绍了一种最近电平逼近(NLM)的调制方法，以及桥臂内电容电压平衡策略。所采用的NLM方法，根据控制信号的幅值经取整运算近似得到6个桥臂所有模块为“投入”或“切除”状态的个数。再利用电容电压排序方法结合桥臂电流方向，具体确定投入和切除的模块序号。使得电流为充电方向时，电容电压最低的模块为投入状态，电容电压最高的模块为切除状态；反之电流为放电方向时，电容电压最高的模块为投入状态，电容电压最低的模块为切除状态。但该文献对各桥臂电容电压和的平衡未加控制，在系统连接弱交流电网时，传输功率波动易出现正负极不平衡情况，威胁变流器安全。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种模块化多电平变流器桥臂间能量平衡控制方法，通过对桥臂电容存储能量的平衡控制，实现模块化多电平桥臂间电压平衡控制，以保证在变流器传输功率波动以及弱交流电网连接过程中，正负极母线电压平衡，在变流器常规的电网电压定向矢量控制方法计算所得到控制信号基础上叠加平衡控制分量，实现扰动工况下系统平衡控制。与现有成熟控制方法能够相互配合，对传统功率/电压-电流的双闭环控制结构无任何影响，易于现有工程系统的实现和改造。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种模块化多电平变流器桥臂间能量平衡控制方法，包括以下步骤：

第一步，计算桥臂电容储存能量，包括一个桥臂所有级联模块电容电压储存能量的加和；

电容电压储存能量计算方法为：其中，W_C为一个电容电压存储能量，C为电容容量，U_dc为电容电压平均值；

所述桥臂电容储存能量为N·W_C，其中N为一个桥臂级联模块个数，此处认为桥臂内所有模块电容电压一致，桥臂内各级联模块电容电压平衡控制可采用背景技术中提供的已公开文献中记载的电容电压排序方法；

第二步，基于PI(比例-积分)调节器，计算桥臂电容储存能量平衡控制模块输出；

包括以下步骤

(1)计算变流器上、下桥臂储存能量差的给定值W_{c_ref}与实际上、下桥臂能量差的实际反馈值N·W_C之误差信号ΔW_C；将上述给定值和实际反馈值的误差信号ΔW_C送入PI调节器；

(2)将误差信号ΔW_C作为PI调节器的输入，经过比例-积分(PI)运算，PI调节器的输出为用于能量平衡的电流幅值给定信号I_{w_ref}；

第三步，基于比例-谐振(PR)调节器，计算电容储存能量平衡控制信号；

包括以下步骤

(1)将能量平衡的电流幅值给定信号I_{w_ref}与电网相位信号相乘得到平衡控制所需电流的给定信号i_{w_ref}；

i_{w_ref}＝I_{w_ref}·sinα

其中α为电网相位角；