本發明屬于高壓大容量電力電子換流器控制技術領域，特別涉及主動利用二倍頻環流的模塊化多電平換流器優化控制方法。

背景技術：

模塊化多電平換流器屬于電壓源型電力電子換流器，基于絕緣柵雙極型晶體管等全控電力電子器件和脈寬調制技術，能夠穩定地控制有功功率和無功功率在交直流系統間傳輸。模塊化多電平換流器的電路原理如圖1所示。模塊化多電平換流器包含a、b、c三個相單元，每個相單元包含兩個橋臂，即上橋臂和下橋臂，總共六個橋臂。三個相單元并聯在直流正極和直流負極之間，三個相單元的上橋臂和下橋臂的中間點聯接三相交流系統。每個橋臂通過的電流分別記為a相上橋臂電流i_ap、a相下橋臂電流i_an、b相上橋臂電流i_bp、b相下橋臂電流i_bn、c相上橋臂電流i_cp、c相下橋臂電流i_cn。每個橋臂由一個橋臂電抗L_s和N個子模塊串聯組成。每個子模塊由兩個絕緣柵雙極晶體管S₁、S₂，兩個續流二極管D₁、D₂以及一個直流電容C_d構成。模塊化多電平換流器具有諸多技術優勢，如模塊化的結構，易于達到高電壓等級；多電平的工作方式，利于提升傳輸效率；高質量的輸出電壓波形，不需要安裝交流濾波器等，使其在高壓大容量輸電系統中發揮重要作用，在區域電網互聯、可再生能源接入等場景下受到廣泛重視。

直流電容是模塊化多電平換流器的關鍵指標，是模塊化多電平換流器體積和成本的重要決定因素，與模塊化多電平換流器的應用前景和經濟效益直接相關。按照常規的模塊化多電平換流器設計方法，為了降低每個子模塊中絕緣柵雙極晶體管承受的電壓峰值和限制直流電容電壓波動，一般都會選擇較大的直流電容。直流電容的體積可能會達到整個子模塊體積的80％左右，直流電容的成本甚至與絕緣柵雙極晶體管的成本相近，導致模塊化多電平換流器體積龐大、成本高昂。如果能夠降低直流電容電壓波動，直流電容就能夠相應降低，這對于優化模塊化多電平換流器的體積和成本有重要意義。

模塊化多電平換流器的控制一般由換流器級控制、二倍頻環流控制和底層控制組成。換流器級控制需要根據模塊化多電平換流器上級控制器發送的有功功率指令、無功功率指令、直流電壓指令、交流電壓指令等，動態計算模塊化多電平換流器的三相交流參考電壓和直流參考電壓。底層控制首先需要根據得到的三相交流參考電壓和直流參考電壓，動態計算六個橋臂參考電壓；然后以橋臂為單位，針對橋臂中的子模塊，根據橋臂參考電壓進行脈沖調制和直流電容電壓平衡控制，生成脈沖信號；最后根據得到的脈沖信號對絕緣柵雙極晶體管進行開關控制。二倍頻環流控制會使底層控制發生變化，但不會影響換流器級控制，具體表現為：二倍頻環流控制會根據控制目標，動態計算得到一組參考電壓，這組參考電壓疊加在換流器級控制得到的三相交流參考電壓上，會使橋臂參考電壓發生變化，底層控制需要根據新的橋臂參考電壓進行控制。

橋臂環流是模塊化多電平換流器的特征電流，是直流電容電壓波動的必然產物。二倍頻環流是橋臂環流的主要成分，可以作為降低直流電容電壓波動、優化模塊化多電平換流器的手段。常規的二倍頻環流控制方法以將二倍頻環流抑制為零為控制目標，雖然能夠在一定程度上降低換流器損耗，但是降低直流電容電壓波動的效果并不明顯。另一種二倍頻環流控制方法以令直流電容電壓波動最小為控制目標，雖然能夠使直流電容電壓波動降到最小，但是直流電容電壓波動的過度降低，往往需要非常大的二倍頻環流，不但會使換流器損耗大幅增加，并且由于子模塊中絕緣柵雙極晶體管所需承受的電流應力急劇上升，會導致絕緣柵雙極晶體管的選型困難，尤其是在高壓大容量場合下，甚至可能無法選擇到合適的絕緣柵雙極晶體管。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種主動利用二倍頻環流的模塊化多電平換流器優化控制方法。本發明通過在橋臂參考電壓中注入二倍頻參考電壓，令初始二倍頻環流反轉，以達到在不增加換流器損耗前提下大幅度降低直流電容電壓波動的目的，實現模塊化多電平換流器的優化。

本發明提出的主動利用二倍頻環流的模塊化多電平換流器優化控制方法，該方法由換流器級控制、二倍頻環流控制和底層控制組成，其特征在于，包括以下步驟：

1)換流器級控制：根據模塊化多電平換流器上級控制器發送的有功功率指令、無功功率指令、直流電壓指令、交流電壓指令，動態計算模塊化多電平換流器的三相交流參考電壓和直流參考電壓

2)二倍頻環流控制：具體包括：

2-1)動態計算模塊化多電平換流器初始二倍頻環流：根據實時測量得到的交流電流有效值I、交流電壓調制比M、功率因數角計算二倍頻環流的初始幅值I_Z0和初始相位θ₀，計算公式如式(1)所示：

式中，ω為基波角頻率，L_s表示橋臂電抗，C_d表示子模塊直流電容，N表示每個橋臂中子模塊的總數目；

2-2)設置二倍頻環流目標值：以令初始二倍頻環流反轉為目標，二倍頻環流目標值的幅值與二倍頻環流的初始幅值I_Z0相等，二倍頻環流目標值的相位θ^*與二倍頻環流的初始相位θ₀差180°，計算公式如式(2)所示：

2-3)在dq旋轉坐標系下，動態計算需要注入的二倍頻參考電壓；dq旋轉坐標系以a相交流電壓的相位為基準相位，旋轉頻率為二倍頻2ω，旋轉方向為負序，即依次經過a相、c相和b相，再根據Park反變換計算得到需要注入的二倍頻參考電壓

3)底層控制：根據換流器級控制得到的交流參考電壓和直流參考電壓將2-3)得到的需要注入的二倍頻參考電壓疊加到交流參考電壓和直流參考電壓上，分別生成六個橋臂參考電壓計算公式如式(8)所示：

根據得到的橋臂參考電壓進行脈沖調制和直流電容電壓平衡控制，生成脈沖信號；再根據得到的脈沖信號對子模塊絕緣柵雙極晶體管進行開關控制，以實現優化控制。

本發明的有益效果為：本發明能夠實現初始二倍頻環流的反轉，反轉的二倍頻環流具有抵消直流電容電壓波動中的基頻分量和二倍頻分量的作用，能夠大幅度地降低直流電容電壓波動，使得換流器所需的直流電容大大降低。同時，反轉的二倍頻環流的幅值與初始二倍頻環流的幅值相同，不會導致換流器損耗的升高。本發明能夠在不影響換流器損耗的前提下，大幅度降低直流電容電壓波動，實現模塊化多電平換流器成本和體積的優化。

附圖說明

圖1為模塊化多電平換流器的電路原理圖。

圖2為本發明的主動利用二倍頻環流的模塊化多電平換流器優化控制方法的流程框圖。

具體實施方式

本發明提出的主動利用二倍頻環流的模塊化多電平換流器優化控制方法，下面結合附圖和具體實施例進一步說明如下。

本發明提出的主動利用二倍頻環流的模塊化多電平換流器優化控制方法，該方法由換流器級控制、二倍頻環流控制和底層控制組成，具體流程如圖2所示，包括以下步驟：

1)換流器級控制：根據模塊化多電平換流器上級控制器發送的有功功率指令、無功功率指令、直流電壓指令、交流電壓指令，動態計算模塊化多電平換流器的三相交流參考電壓和直流參考電壓

2)二倍頻環流控制：具體包括：

2-1)動態計算模塊化多電平換流器初始二倍頻環流：根據實時測量得到的交流電流有效值I、交流電壓調制比M、功率因數角計算二倍頻環流的初始幅值I_Z0和初始相位θ₀，計算公式如式(1)所示：

式中，ω為基波角頻率，L_s表示橋臂電抗，C_d表示子模塊直流電容，N表示每個橋臂中子模塊的總數目；

2-2)設置二倍頻環流目標值：以令初始二倍頻環流反轉為目標，二倍頻環流目標值的幅值與二倍頻環流的初始幅值I_Z0相等，二倍頻環流目標值的相位θ^*與二倍頻環流的初始相位θ₀差180°，計算公式如式(2)所示：

2-3)在dq旋轉坐標系下，動態計算需要注入的二倍頻參考電壓；dq旋轉坐標系以a相交流電壓的相位為基準相位，旋轉頻率為二倍頻2ω，旋轉方向為負序，即依次經過a相、c相和b相，再根據Park反變換計算得到需要注入的二倍頻參考電壓具體步驟如下：

2-3-1)根據步驟2-2)得到的二倍頻環流目標值的幅值和二倍頻環流目標值的相位θ^*，計算二倍頻環流目標值在dq旋轉坐標系下的分量和計算公式如式(3)所示：

2-3-2)根據實時測量獲得的六個橋臂電流i_ap、i_an、i_bp、i_bn、i_cp、i_cn，計算二倍頻環流實際值i_aZ、i_bZ、i_cZ，計算公式如式(4)所示：

2-3-3)根據Park變換計算二倍頻環流實際值在dq旋轉坐標系下的分量i_dZ和i_qZ，計算公式如式(5)所示：

2-3-4)采用dq解耦控制方法，計算需要注入的二倍頻參考電壓在dq旋轉坐標系下的分量和計算公式如式(6)所示：

2-3-5)根據Park反變換計算得到需要注入的二倍頻參考電壓計算公式如式(7)所示：

3)底層控制：根據換流器級控制得到的交流參考電壓和直流參考電壓將步驟2-3-5)得到的需要注入的二倍頻參考電壓疊加到交流參考電壓和直流參考電壓上，分別生成六個橋臂參考電壓計算公式如式(8)所示：

根據得到的橋臂參考電壓進行脈沖調制和直流電容電壓平衡控制，生成脈沖信號；再根據得到的脈沖信號對子模塊絕緣柵雙極晶體管進行開關控制，以實現優化控制。