[发明专利]一种任意电平模块化多电平变换器的环流计算方法

权利要求书

1.一种任意电平模块化多电平变换器的环流计算方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤一、建立模块化多电平变换器各子模块的等效计算模型：从每相桥臂子模块投入切除的工作原理着手分析，研究子模块的开关模型，并建立子模块的等效计算模型；

步骤二、建立模块化多电平变换器环流计算模型：利用步骤一的结论并结合模块化多电平变换器子模块级联的结构特性，将每相桥臂等效成N个子模块的数学模型，同时将桥臂环流考虑在内，建立桥臂环流计算的模型；

步骤三、以桥臂环流作为未知量，运用电路理论中的基尔霍夫电压定律对模块化多电平变换器各电气量列写电压电流方程，其中，模块化多电平变换器各电气量包括：模块化多电平变换器每相上、下桥臂电流，上、下桥臂电压，交流侧输出电流，交流侧输出电压，直流侧电压，建立桥臂环流与模块化多电平变换器各电气量之间所满足的一阶微分方程关系；

步骤四、求解桥臂环流的一阶微分方程：考虑桥臂环流的交流分量，根据子模块的开关函数解决模块化多电平变换器子模块直流侧电容与其交流输出端口的耦合关系，从而计算出上、下桥臂子模块的电容电流，根据所得的电容电流求解出上、下桥臂子模块的电容电压，再次利用子模块的开关状态，将直流侧的电容电压耦合至交流侧，求解出模块化多电平变换器每相上、下桥臂电压，将上、下桥臂电压代入桥臂环流的一阶微分方程中，求解一阶微分方程的解，即桥臂环流的具体表达式；

其中，所述步骤一中模块化多电平变换器三相桥臂并联在直流侧电压两端，每相桥臂分为上桥臂和下桥臂，上、下桥臂又分别由N个相同的子模块、一个桥臂电阻和一个桥臂电抗器串联构成，子模块包括由两个IGBT开关管串联组成的半桥和一个直流侧电容并联，每相上、下桥臂通过交流母线连接至三相交流电网；IGBT半桥支路是由上管S₁和下管S₂串联构成，并与直流侧电容并联，子模块投切的工作原理是当上管S₁开通下管S₂关断时子模块处于投入状态，而当上管S₁关断下管S₂开通时子模块处于切除状态，定义子模块的开关函数如下：

当上管S₁开通下管S₂关断时子模块的开关函数输出1，交流侧输出电压为V_cn；而当上管S₁关断下管S₂开通时子模块的开关函数输出0，因此每相桥臂第n个子模块的交流端口的输出电压表示如下：

V_{sm_n}＝S_nV_cn (2)

由表达式(2)可以得出子模块的开关模型，子模块交流侧输出电压相当于一个受控电压源，根据IGBT开关管的开关状态确定输出的直流侧电容电压，得出其等效计算模型，所述步骤二中，定义第n个子模块上桥臂的开关状态为S_{cu_n}，下桥臂的开关状态为S_{cl_n}，第n个上桥臂子模块的端口电压为V_{cu_n}、下桥臂子模块的端口电压为V_{cl_n}，根据等效计算模型，用开关函数替代子模块的IGBT开关管的开断，则子模块的交流端口的输出电压可表示为：

利用表达式(3)将模块化多电平变换器每相上、下桥臂子模块等效成受控源的计算模型，再采取子模块各平均开关状态用于桥臂环流的计算推导：

x相上、下桥臂子模块的平均开关状态分别为S_ux、S_lx：

式中，m为输出电压调制比，ω为角频率，t为时间量；

x相上桥臂电压V_ux、下桥臂电压V_lx分别等效为：

式中，V_cu、V_cl为上、下桥臂子模块的电容电压，所述步骤三对模块化多电平变换器各电气量列写电压电流方程如下：

由表达式(6)得出桥臂环流与上、下桥臂电流满足表达式：

式中，i_zx为x相桥臂环流，x相上、下桥臂电流表示为i_ux、i_lx，x相桥臂输出到交流侧电流表示为i_x，x＝a，b，c相；

依据基尔霍夫电压定律(KCL)对上、下桥臂电压列写方程：

式中，V_dc为直流侧电压，V_x为交流侧输出电压，L_a和R_a分别为等效桥臂电感值与电阻值，i_ux和i_lx分别为上、下桥臂电流；

将式(7)代入到(8)得出桥臂环流的一阶微分方程为：

2.根据权利要求1所述的任意电平模块化多电平变换器的环流计算方法，其特征在于，桥臂环流除了包含公共直流侧所产生的直流分量I_{zx_0}外，还包含二倍频的谐波分量I_{zx_2}，设桥臂环流i_zx为：

i_zx＝I_{zc_0}+I_{zx_2}sin(2ωt+θ_x) (10)

对于a，b，c三相，φ_x分别为φ，θ_x分别为θ，其中φ_x为交流侧功率因数，θ_x为电流初相位角；

利用平均开关函数(4)代替子模块的开关状态：

求解出上、下桥臂子模块的电容电流为：

对上、下桥臂子模块的电容电流积分求解出上、下桥臂子模块的电容电压为：

I_{zx_0}为电流的直流分量，I_{zx_2}为电流的二倍频谐波分量，I_x为交流侧输出电流，直流侧电容电压的积分常数K＝V_c，即稳态电容电压值，经开关函数调制后得到上、下桥臂电压为：

式中，C为子模块电容；

将上、下桥臂电压，直流侧电压、桥臂环流各电气量带入到一阶微分方程中，求解出桥臂环流的二倍频分量表达式为：