一种应用于多电平换流器的环流抑制方法

本发明属于新能源输电，尤其是涉及一种应用于多电平换流器的环流抑制方法。

背景技术：

1、目前，随着全球对能源需求的迅速增长以及对传统化石能源的过度开采，使得这些资源变得日渐不足且在使用过程中导致严重的环境污染。人们开始寻求战略性新能源来替代传统能源，开发利用更多的清洁能源。海上风力发电具有丰富的资源储量，年利用小时数高，不占用土地和水资源，适宜大规模开发等一系列优势。

2、由于海上风电场距离岸线较远，输电距离较长，存在输电损耗大、容量限制等问题，传统的交流输电方式已经不能满足需求。因此，在海上风电扩张的过程中，提出了基于mmc+nlm的柔性直流输变电的技术向陆上电网提供可靠、经济的远程输电服务。它结合了多级换流器(mmc)和最近电平调制(nearest level modulation，nlm)技术的优势，可以实现高效、稳定的直流输电，并解决了传统输电技术中存在的问题。

3、然而mmc中有一种特有的现象——环流，是不可避免的，这是因为子模块之间电容电压会产生波动，每相的上下两个桥臂电压会产生大小相等且方向相同的偶次谐波分量，因此在三个相单元中桥臂电压的偶数次分量会产生偶次环流，此环流仅仅流动在三个相单元之间，不会进入外部电路。且环流的存在会使得桥臂电流产生畸变，导致换流器损耗严重，并由此增大子模块电容电压的波动，故必须对环流进行一定程度的抑制。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的旨在提供一种空间利用率高、成本低的应用于多电平换流器的环流抑制方法。

2、技术方案：本发明所述的应用于多电平换流器的环流抑制方法，包括以下步骤：

3、步骤1、分析形成环流的原因，通过对三相多级换流器进行分析，得到相单元的能量交流分量；

4、步骤2、基于相单元的能量交流分量，建立环流抑制器模型；

5、步骤3、根据实际使用的调制策略，对环流抑制器的工作状态进行切换。

6、其中，所述步骤1中三相多级换流器等值电路，推导相单元的能量交流分量具体为：

7、

8、其中，ps表示换流器的视在功率，ω0表示基波角频率，表示相角。

9、其中，所述步骤2中建立环流抑制器模型具体包括以下步骤：

10、步骤21、基于相单元的能量交流分量得到三相电压的表达式，进一步得到环流等值电路；

11、步骤22、根据环流等值电路得到环流表达式，进而建立环流数学模型；

12、步骤23、基于步骤22中的环流数学模型进而设计控制器；

13、步骤24、根据步骤23中设计出的控制器建立环流抑制器模型。

14、其中，所述步骤21中三相电压的表达式具体为：

15、

16、其中，upm表示相单元总电压的等效值，u2f表示激发环流的2倍频电压的峰值，upm_dc表示其直流电压分量，upm ac表示交流电压分量。

17、其中，所述步骤22中环流表达式具体为：

18、

19、其中，icird和icirq分别为三相环流二倍频的d轴分量和q轴分量，ucomd和ucomq表示换流器内部的不平衡压降的d轴与q轴分量，l0表示单相桥臂等效电感，r0表示单相桥臂等效电阻，ω表示基波角频率，基于具体的环流表达式搭建环流数学模型。

20、其中，所述步骤23中控制器的设计包括以下步骤：在环流数学模型的基础上进行控制器的设计，首先是把其中的耦合量去掉，实现前向通道，从而进行控制；此时令中间变量v'd＝-2ωl0icirq(s)-ucomd(s)，结合环流表达式可得：

21、

22、此时用控制器g'(s)设计单位负反馈系统，其中令g'(s)为：

23、

24、其中，kp与ki分别代表比例与积分系数。

25、其中，所述步骤24环流抑制器模型的建立包括：根据设计的控制器可推知中间变量v'd的数学表达式如下：

26、

27、同理可得中间变量v'q的数学表达式如下：

28、

29、其中，与分别为三相环流二倍频的d轴分量参考值和q轴分量参考值；从而根据上边两式以及控制器设计图，可推知ucomd、ucomq的数学表达式如下：

30、

31、

32、进一步得到环流抑制器模型。

33、其中，所述环流抑制器包括针对二倍频环流的比例积分谐振控制器，比例积分谐振控制器在pi控制器的基础上加入准谐振控制器；比例积分谐振控制器的传递函数为：

34、

35、

36、其中，kp与ki分别代表比例与积分系数，kr代表谐振增益，ωc为带宽，ωr为选定的谐振角频率。

37、其中，所述根据实际使用的调制策略，对环流抑制器的工作状态进行切换包括使用最近电平逼近调制策略，具体为通过控制子模块的工作状态来使阶梯状的桥臂电压逼近于正弦调制电压波形。

38、其中，所述最近电平逼近调制策略包括根据分析可得在t时刻，以j相为例，上桥臂电压upj(t)，j相此时的下桥臂电压unj(t)，因此上桥臂投入的个数和下桥臂投入的个数nnj(t)的实时表达式可以表示为：

39、

40、其中，round(x)函数表示的是取与x最为接近的整数；为时刻调制波的采样值；uc代表子模块电容电压平均值。

41、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著的进步：本发明通过对mmc等值电路的分析和建模，设计了一种高效的环流抑制方法；通过具体分析，当采用传统nlm时，上、下桥臂电压实际输出值与控制器参考电压之间会出现偏差，且偏差中二倍频成分即产生二倍频环流的直接原因；采用叠加逼近调制策略时，上、下桥臂电压实际输出值与理想参考电压之间基本一致，相单元的输出电压不含有二倍频波动电压，只含有小幅度的纹波电压；桥臂环流主要为直流量，不含明显的谐波环流。所以，叠加逼近调制策略可以不用附加复杂的谐波环流抑制控制器，就实现环流抑制；采用叠加逼近调制策略时，上、下桥臂子模块电容电压波动在电容电压额定值的10％以内，且由于桥臂中消除了二倍频环流，所以相比于传统nlm，该策略下的电容电压波动会更小，可以在实际应用中实现对mmc电路的稳定控制，具有广泛的应用前景。同时，该方法具有可靠性高、成本低等优点，在工业生产和电力运输等领域均能得到广泛应用。

技术特征：

1.一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述步骤1中，根据三相多级换流器的等值电路，推导相单元的能量交流分量具体为：

3.根据权利要求1所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述步骤2中建立环流抑制器模型具体包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述步骤21中三相电压的表达式具体为：

5.根据权利要求3所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述步骤22中环流表达式具体为：

6.根据权利要求3所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述步骤23中控制器的设计包括以下步骤：在环流数学模型的基础上进行控制器的设计，首先是把其中的耦合量去掉，实现前向通道，从而进行控制；

7.根据权利要求3所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述步骤24环流抑制器模型的建立包括：根据设计的控制器可推知中间变量v′d的数学表达式如下：

8.根据权利要求7所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述环流抑制器包括针对二倍频环流的比例积分谐振控制器，比例积分谐振控制器的传递函数为：

9.根据权利要求1所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述根据实际使用的调制策略，对环流抑制器的工作状态进行切换包括使用最近电平逼近调制策略，具体为通过控制子模块的工作状态来使阶梯状的桥臂电压逼近于正弦调制电压波形。

10.根据权利要求9所述的一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，其特征在于，所述最近电平逼近调制策略包括根据分析可得在t时刻，以j相为例，上桥臂电压upj(t)，j相此时的下桥臂电压unj(t)，因此上桥臂投入的个数和下桥臂投入的个数nnj(t)的实时表达式表示为：

技术总结
本发明公开了一种应用于多电平换流器的环流抑制方法，包括分析形成环流的原因，通过对三相多级换流器进行分析，得到相单元的能量交流分量；基于相单元的能量交流分量，建立环流抑制器模型；根据实际使用的调制策略，对环流抑制器的工作状态进行切换。本发明通过对MMC等值电路的分析和建模，开发了一种高效的环流抑制系统，可以在实际应用中实现对MMC电路的稳定控制，具有广泛的应用前景。同时，该系统具有可靠性高、成本低等优点，在工业生产和电力运输等领域均能得到广泛应用。

技术研发人员：杨兴林,武少辉,张瑞瑞
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16