模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法、装置及设备

1.本发明涉及多电平电力电子换流器技术领域，具体为模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法、装置及设备。


背景技术：

2.由于模块化的结构、灵活的可扩展性、高效率等特点，模块化多电平换流器(mmc)近年来在中高压大功率工业应用领域得到了广泛应用，例如高压直流输电系统，柔性交流输电系统、中压电机驱动、统一潮流控制器和电力电子变压器等。mmc的环流是各相电流的共模成分，不仅包含直流电流，还包含谐波电流，一方面，它增加了臂电流的有效值，并增加了成本；另一方面，它增加了损耗，降低了功率器件的寿命，现有技术中常采用mmc的环流抑制方法对环流谐波的抑制，从而降低臂电流的有效值，减小损耗。
3.针对mmc的环流抑制控制方法，现有技术需要采样桥臂电流，桥臂电流的获取增加了传感器和采样电路，增加了成本，并降低了可靠性，为此我们提出模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法、装置及设备。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法、装置及设备，可以很容易地由dsp执行，而无需访问fpga中获得的开关信号，适用于单相或多相系统。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，包括如下步骤：
6.接收模块化多电平换流器上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；
7.接收上、下桥臂各子模块的电容电压数据u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，并根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，计算得到谐波电压u
diff_j
；
8.将谐波电压u
diff_j
输入准比例谐振控制器，利用准比例谐振控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
；
9.将准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0。
10.进一步的，所述上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
的计算方法为：根据有功功率和无功功率的控制目标，通过闭环控制器使得有功功率和无功功率被控制为给定值，该闭环控制器输出为参考电压u
j_ref
，结合环流抑制控制器的输出电压u
diff_jref
，以及直流侧电压u
dc
，则上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
可以被计算为：
[0011][0012]
进一步的，上、下桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
的计算方法具体如下：
[0013]
根据载波层叠脉宽调制原理，利用所述上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，在每个载波周期内，只有一个载波可以与所述桥臂参考相交，由所述桥臂参考和载波的幅值的比值得到该载波对应的占空比，从而得到所述各个桥臂子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
。
[0014]
进一步的，所述谐波电压u
diff_j
的计算方法具体如下：
[0015]
根据所述上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，以及上桥臂各子模块的电容电压u
cuj_1
～u
cuj_n
、下桥臂各子模块的电容电压u
clj_1
～u
cl
，代入以下公式：则可以得到所述谐波电压u
diff_j
，其中u
dc
为直流侧电压；d
uj_i
和d
lj_i
分别为上、下桥臂n个子模块的占空比；u
caui
和u
cali
分别为上、下桥臂各子模块的电容电压。
[0016]
进一步的，所述准比例谐振(pr)控制器的传递函数为：
[0017][0018]
其中，ωr为谐振频率，为了消除所述谐波电压u
diff_j
，将ωr设置为2倍基波角频率；k
p
和kr分别为比例系数和积分系数；ωc影响控制器增益和控制器带宽。
[0019]
根据本发明的一个方面，本发明提供一种模块化多电平换流器环流谐波抑制控制装置，包括：
[0020]
第一计算模块，用于接收模块化多电平换流器上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；
[0021]
第二计算模块，用于接收上、下桥臂各子模块的电容电压数据u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，并根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，计算得到谐波电压udi
ff_j
；
[0022]
控制模块，用于将谐波电压u
diff_j
输入准比例谐振控制器，利用准比例谐振控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
；
[0023]
环流抑制模块，用于将准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0。
[0024]
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种模块化多电平变流器，其使用所述的模块化多电平换流器环流抑制控制方法对环流谐波进行抑制。
[0025]
进一步的，所述模块化多电平变流器为三相六桥臂结构，每相均包括一个上桥臂
和一个下桥臂，每个桥臂包含n个相同的半桥子模块和一个桥臂电感l。
[0026]
进一步的，每个所述半桥子模块均包括两个功率开关t1和t2，两个反并联二极管以及一个电容c。
[0027]
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法。
[0028]
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
[0029]
1、本发明提出的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，可以抑制环流谐波，该控制方法可以很容易地由dsp执行，而无需访问fpga中获得的开关信号，适用于单相或多相系统，此外，该方法不需要采集桥臂电流。
[0030]
2、本发明提出的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，仅在控制器内部算法中实施，无需改变mmc的硬件电路结构，且易于在现有的mmc系统中实施，具有较强的实用性。
附图说明
[0031]
图1是本发明的模块化多电平换流器(mmc)拓扑及模块结构图；
[0032]
图2是本发明所述控制方法在模块化多电平换流器(mmc)的j相(j＝a、b、c)的示意图。
具体实施方式
[0033]
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
[0034]
本发明所提出的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法、装置及设备，通过计算各相子模块的占空比和电容电压得到谐波电压。然后，通过引入准比例谐振控制器抑制桥臂谐波电压，从而抑制环流谐波。该控制方法可以很容易地由dsp执行，而无需访问fpga中获得的开关信号，适用于单相或多相系统，此外，该方法不需要采集桥臂电流。
[0035]
请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，包括如下步骤：
[0036]
接收模块化多电平换流器上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；
[0037]
接收上、下桥臂各子模块的电容电压数据u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，并根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，计算得到谐波电压u
diff_j
；
[0038]
将谐波电压u
diff_j
输入准比例谐振控制器，利用准比例谐振控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
；
[0039]
将准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0。
[0040]
具体实施例步骤如下：
[0041]
在本发明的一些示例中，公开了模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，其中模块化多电平换流器(mmc)拓扑结构如图1所示，mmc的各相都包含一个上桥臂和一个下桥臂，每个桥臂包含n个相同的半桥子模块和一个桥臂电感l，每个子模块包括两个功率开关t1和t2，两个反并联二极管，以及一个子模块电容c，mmc的直流侧电压为u
dc
。
[0042]
如图2所示为所提出的控制方法在mmc的j相(j＝a、b、c)的示意图，包括如下步骤：
[0043]
(1)根据闭环控制器得到上下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；
[0044]
上述步骤(1)中的d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
的计算方法包括以下步骤：
[0045]
根据载波层叠脉宽调制原理，利用所述上下桥臂参考y
uj_ref
and y
lj_ref
，在每个载波周期内，只有一个载波可以与所述桥臂参考相交，由所述桥臂参考和载波的幅值的比值得到该载波对应的占空比，从而得到所述各个桥臂子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
。
[0046]
需要说明的是，同相载波层叠脉冲宽度调制(sp-ocwdm)是一种新型的光通信技术，它采用了同相载波技术和层叠脉冲宽度调制技术，可以实现高速、高带宽、高容量的光通信传输；同相载波技术是一种将载波信号与调制信号同步的技术，可以有效地提高光通信系统的传输效率和稳定性；而层叠脉冲宽度调制技术则是一种将多个脉冲信号叠加在一起的技术，可以实现更高的传输速率和更大的带宽。
[0047]
(2)根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，以及各个子模块的电容电压u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，可以计算得到谐波电压u
diff_j
；
[0048]
上述步骤(2)中的u
diff_j
的计算方法为：
[0049]
根据所述上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，以及上桥臂各子模块的电容电压u
cuj_1
～u
cuj_n
,下桥臂各子模块的电容电压u
clj_1
～u
cl
，代入以下公式：则可以得到所述谐波电压udi
ff_j
。
[0050]
(3)将u
diff_j
送入准pr控制器，利用准pr控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到控制器的输出u
diff_jref
；
[0051]
上述步骤(3)中的准pr控制器的传递函数为：其中，ωr为谐振频率。为了消除所述谐波电压u
diff_j
，可以将ωr设置为2倍基波角频率；k
p
和kr分别为比例系数和积分系数；ωc影响控制器增益和控制器带宽。
[0052]
(4)将控制器的输出u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0；
[0053]
上述步骤(4)中的具体过程为：
[0054]
根据有功功率和无功功率的控制目标，通过闭环控制器使得有功功率和无功功率被控制为给定值，该闭环控制器输出为参考电压u
j_ref
，结合环流抑制控制器的输出电压u
diff_jref
，以及直流侧电压u
dc
，则上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
可以被计算为：
[0055][0056]
根据y
uj_ref
和y
lj_ref
，结合步骤1可以得到各个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
；通过各个子模块的电容电压u
cuj_1
～u
cuj_n
，u
clj_1
～u
clj_n
，采用基于电容电压排序的子模块电容电压均衡控制可以得到排序结果；利用排序结果将d
uj_1
～d
uj_n
，d
lj_1
～d
lj_n
进行排序，然后送到载波层叠调制模块均与幅值为1的三角载波进行交截，从而得到上桥臂和下桥臂每一个子模块的pwm驱动信号，最终可以使得环流谐波被抑制为0。
[0057]
根据本发明的一个方面，本发明提供一种模块化多电平换流器环流谐波抑制控制装置，包括：
[0058]
第一计算模块，用于接收模块化多电平换流器上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；
[0059]
第二计算模块，用于接收上、下桥臂各子模块的电容电压数据u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，并根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，计算得到谐波电压udi
ff_j
；
[0060]
控制模块，用于将谐波电压u
diff_j
输入准比例谐振控制器，利用准比例谐振控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
；
[0061]
环流抑制模块，用于将准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0。
[0062]
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种模块化多电平变流器，其使用所述的模块化多电平换流器环流抑制控制方法对环流谐波进行抑制。
[0063]
进一步的，所述模块化多电平变流器为三相六桥臂结构，每相均包括一个上桥臂和一个下桥臂，每个桥臂包含n个相同的半桥子模块和一个桥臂电感l。
[0064]
进一步的，每个所述半桥子模块均包括两个功率开关t1和t2，两个反并联二极管以及一个电容c。
[0065]
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法。
[0066]
需要说明的是，终端设备可以采用台式电脑、笔记本电脑或者云端服务器等计算机设备，并且，终端设备包括但不限于处理器以及存储器，例如，终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备以及总线等。
[0067]
进一步的，处理器可以采用中央处理单元(cpu)，当然，根据实际的使用情况，也可以采用其他通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，通用处理
器可以采用微处理器或者任何常规的处理器等，本技术对此不做限制。
[0068]
此外，存储器可以为终端设备的内部存储单元，例如，终端设备的硬盘或者内存，也可以为终端设备的外部存储设备，例如，终端设备上配备的插接式硬盘、智能存储卡(smc)、安全数字卡(sd)或者闪存卡(fc)等，并且，存储器还可以为终端设备的内部存储单元与外部存储设备的组合，存储器用于存储计算机程序以及终端设备所需的其他程序和数据，存储器还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据，本技术对此不做限制。
[0069]
进一步的，通过本终端设备，将上述实施例中的任意一种模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法存储于终端设备的存储器中，并且，被加载并执行于终端设备的处理器上，方便使用
[0070]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

技术特征：
1.模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，其特征在于，包括如下步骤：接收模块化多电平换流器上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；接收上、下桥臂各子模块的电容电压数据u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，并根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，计算得到谐波电压u
diff_j
；将谐波电压u
diff_j
输入准比例谐振控制器，利用准比例谐振控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
；将准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0。2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，其特征在于，所述上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
的计算方法为：根据有功功率和无功功率的控制目标，通过闭环控制器使得有功功率和无功功率被控制为给定值，该闭环控制器输出为参考电压u
j_ref
，结合环流抑制控制器的输出电压为u
diff_jref
，以及直流侧电压u
dc
，则上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
可以被计算为：3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，其特征在于，所述上、下桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
的计算方法具体如下：根据载波层叠脉宽调制原理，利用所述上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，在每个载波周期内，只有一个载波可以与所述桥臂参考相交，由所述桥臂参考和载波的幅值的比值得到该载波对应的占空比，从而得到所述各个桥臂子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和d
lj_1
～d
lj_n
。4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，其特征在于，所述谐波电压u
diff_j
的计算方法具体如下：根据所述上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，以及上桥臂各子模块的电容电压u
cuj_1
～u
cuj_n
、下桥臂各子模块的电容电压u
clj_1
～u
cl
，代入以下公式：则可以得到所述谐波电压u
diff_j
，其中u
dc
为直流侧电压；d
uj_i
和d
lj_i
分别为上、下桥臂n个子模块的占空比；u
caui
和u
cali
分别为上、下桥臂各子模块的电容电压。5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法，其特征在于，所述准比例谐振(pr)控制器的传递函数为：其中，ω
r
为谐振频率，为了消除所述谐波电压u
diff_j
，将ω
r
设置为2倍基波角频率；k
p
和
k
r
分别为比例系数和积分系数；ω
c
影响控制器增益和控制器带宽。6.一种模块化多电平换流器环流谐波抑制控制装置，其特征在于，包括：第一计算模块，用于接收模块化多电平换流器上、下桥臂参考y
uj_ref
和y
lj_ref
，然后分别计算得到上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
；第二计算模块，用于接收上、下桥臂各子模块的电容电压数据u
cuj_1
～u
cuj_n
,u
clj_1
～u
clj_n
，并根据上桥臂第n个子模块的占空比d
uj_1
～d
uj_n
和下桥臂n个子模块的占空比d
lj_1
～d
lj_n
，计算得到谐波电压u
d
i
ff_j
；控制模块，用于将谐波电压u
diff_j
输入准比例谐振控制器，利用准比例谐振控制器实现谐波电压u
diff_j
的无静差控制，并将其控制到参考值0，得到准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
；环流抑制模块，用于将准比例谐振控制器的输出电压u
diff_jref
叠加在参考电压u
j_ref
上，使得环流谐波被抑制为0。7.一种模块化多电平变流器，其特征在于,其使用所述的模块化多电平换流器环流抑制控制方法对环流谐波进行抑制。8.根据权利要求7所述的一种模块化多电平变流器，其特征在于：所述模块化多电平变流器为三相六桥臂结构，每相均包括一个上桥臂和一个下桥臂，每个桥臂包含n个相同的半桥子模块和一个桥臂电感l。9.根据权利要求8所述的一种模块化多电平变流器，其特征在于：每个所述半桥子模块均包括两个功率开关t1和t2，两个反并联二极管以及一个电容c。10.一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了权利要求1至5中任一项所述的模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法。

技术总结
本发明公开了模块化多电平换流器环流谐波抑制控制方法、装置及设备，涉及多电平电力电子换流器技术领域。本发明通过电压参考和调制方法计算各相子模块(submodule，SM)的占空比，再结合采样得到的子模块电容电压计算得到谐波电压。然后，通过引入准比例谐振(PR)控制器抑制桥臂谐波电压，从而抑制环流谐波。该控制方法可以很容易地由数字信号处理器(DSP)执行，而无需访问现场可编程门阵列(FPGA)中获得的开关信号，适用于单相或多相系统；此外，该方法不需要采集桥臂电流。法不需要采集桥臂电流。法不需要采集桥臂电流。


技术研发人员：邓富金 蒋慧杰
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/13