一种六角形模块化多电平交-交变换器的支路能量平衡分析方法技术

本发明专利技术公开了一种六角形模块化多电平交

【技术实现步骤摘要】
一种六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡分析方法


[0001]本专利技术涉及一种电源控制方法，尤其涉及一种六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡分析方法。

技术介绍

[0002]六角形模块化多电平交
‑
交变换器(Hexagonal Modular Multilevel AC/AC Converter，Hexverter)进行三相直接的AC/AC变换。与模块化多电平矩阵变换器(Modular Multilevel Matrix Converter，M3C)相比，它不仅拥有模块化、电平数多等优点，同时所需的电容和电感的数量更少。因此是一种适用于低频运行环境的设备体积和成本更低的方案。
[0003]Hexverter由6个完全相同的支路以六角形的形状配置，如图1a所示，每条支路均由1个限流电感L
r
和N个H桥子模块串联构成，每个子模块由4个电力电子开关器件IGBT和1个电容C构成，IGBT充当H桥的桥臂，电容C跨接在桥臂之间。将Hexverter拓扑展开并用于海上风电低频输电的结构如图1b所示，左侧3相输入(A，B，C)中每一相均通过Hexverter的两条支路与右侧3相输出(U，V，W)中的2个相相连，实现直接AC/AC变换，即工频50Hz电网(输入侧)与低频20Hz电网(输出侧)通过Hexverter实现直接的交
‑
交变换。
[0004]由于组成支路的子模块及其中的悬浮电容相对独立，Hexverter易受外界因素影响，导致支路之间存在额外的能量转移，造成支路间存在能量偏差，降低系统可靠性。针对这一问题，传统方法是通过向循环电流和中性点电压中注入多频率的附加交流分量来实现对各支路能量的完全控制。然而现有方法中，控制变量(中性点电压或循环电流)中总是同时包含多个频率的分量，这使得控制器的设计难度很高。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡分析方法，能够降低控制器设计难度，快速计算平衡参数，实现Hexverter的支路能量平衡。
[0006]技术方案：本专利技术所采用的技术方案是一种六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡分析方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，根据六角形模块化多电平交
‑
交变换器低频输电的电路拓扑结构，基于基尔霍夫定律建立支路功率方程；其中支路功率方程为：
[0008][0009]式中，p
n
为支路n的功率，U1、U2分别表示工频、低频侧相电压幅值，ω1、ω2分别表示工频、低频电网角频率，σ
x
、σ
y
分别表示工频、低频侧三相的相对称相位角，I1、I2分别表示工频、低频侧相电流幅值，分别表示工频、低频电网功率因数角，n为支路编号，t为时间，V
st
为工频侧相对于低频侧的中性点电压，I
cir
为循环电流。
[0010]步骤2，将六角形模块化多电平交
‑
交变换器每两条相邻支路划分为一组子换流器，从而划分出子换流器A、B、C和U、V、W，然后对六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路功率进行分层分解，得到层次化功率方程；其中分层分解的分解式为：
[0011][0012]式中，T
p
为支路功率层次化分解矩阵，p0为支路功率之和，p
xα
、p
xβ
和p
yα
、p
yβ
分别代表了流过子换流器间功率的不平衡度，其中p
xα
、p
xβ
由子换流器A、B、C的功率经abc/αβ变换得到，p
yα
、p
yβ
由子换流器U、V、W的功率经abc/αβ变换得到，因此均表示流过3个子换流器有功功率的不平衡度，即三个子换流器之间能量波动的差异。p
d
为相邻支路间的功率差，表示相邻支路间的功率不平衡度，p1～p6为支路1～6的功率；
[0013]支路功率层次化分解矩阵T
p
表达式为：
[0014][0015]步骤3，将各功率的表达式带入所述层次化功率方程，通过电网电流的坐标变换和正负序分解，建立支路功率的层次化模型；支路功率的层次化模型的模型方程为：
[0016][0017]式中，I
2pd
、I
2pq
为低频电网电流的正序有功、无功电流幅值，I
2nd
、I
2nq
为低频电网电流的负序有功、无功电流幅值，I
1nd
、I
1nq
为工频电网电流的负序有功、无功电流幅值；变换矩阵T
i
为对角矩阵：
[0018][0019]步骤4，基于支路功率的层次化模型得到六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡控制策略。具体包括：首先，对各支路中子模块电容电压平方和与给定值的差值进行层次化分解，得到支路能量偏差量，通过低通滤波器滤除其中交流分量，再经过比例积分控制器产生换流器总功率、子换流器间功率差以及子换流器内支路间功率差的直流成分的参考值；然后构造工频电网电流的负序有功、无功电流分量参考值和低频电网电流的正负序有功、无功电流分量参考值，构造方程构造方程采用步骤3得到的层次化模型的模型方程。
[0020]有益效果：现有方法中，通过向Hexverter循环电流和中性点电压中注入多频率的附加交流分量来实现对各支路能量的完全控制，由于控制变量(中性点电压或循环电流)中总是同时包含多个频率的分量，导致控制器的设计难度很高，计算复杂度大。本专利技术所提出的平衡分析方法，相比于现有技术，能够降低控制器设计难度，在实现对支路能量完全控制的同时，快速计算平衡参数，实现Hexverter的支路能量平衡。本方法控制策略的物理概念清晰明确，系统控制复杂度显著降低。
附图说明
[0021]图1a是Hexverter拓扑；
[0022]图1b是Hexverter用于低频输电的结构图；
[0023]图2是本专利技术所述的子换流器两种划分方式示意图；
[0024]图3是本专利技术所述的层次化支路功率分量的流向示意图；
[0025]图4是本专利技术所述的层次化功率模型；
[0026]图5是本专利技术所述的支路能量控制框图；
[0027]图6是本实施例中功率差P0、P
xα
、P
xβ
、P
yα
、P
yβ
和p
d
的波形图；
[0028]图7是本实施例中各支路中电容平均电压的细节波形图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的说明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种六角形模块化多电平交
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交变换器的支路能量平衡分析方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，根据六角形模块化多电平交
‑
交变换器低频输电的电路拓扑结构，基于基尔霍夫定律建立支路功率方程；步骤2，将六角形模块化多电平交
‑
交变换器每两条相邻支路划分为一组子换流器，从而划分出子换流器A、B、C和U、V、W，然后对六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路功率进行分层分解，得到层次化功率方程；步骤3，将各功率的表达式带入所述层次化功率方程，通过电网电流的坐标变换和正负序分解，建立支路功率的层次化模型；步骤4，基于支路功率的层次化模型得到六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡控制策略。2.根据权利要求1所述的六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡分析方法，其特征在于：步骤1中所述的支路功率方程为：式中，p
n
为支路n的功率，U1、U2分别表示工频、低频侧相电压幅值，ω1、ω2分别表示工频、低频电网角频率，σ
x
、σ
y
分别表示工频、低频侧三相的相对称相位角，I1、I2分别表示工频、低频侧相电流幅值，分别表示工频、低频电网功率因数角，n为支路编号，t为时间，V
st
为工频侧相对于低频侧的中性点电压，I
cir
为循环电流。3.根据权利要求1所述的六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路能量平衡分析方法，其特征在于：步骤2中所述的对六角形模块化多电平交
‑
交变换器的支路功率进行分层分解，其分解式为：式中，T

【专利技术属性】
技术研发人员：王小红，杨帆，杨合民，郭海山，胡静，霍峙昕，简优宗，滕贤亮，王新春，吴彦飞，原晓琦，吉同军，王国雨，徐伟，邸卉芳，
申请(专利权)人：国电南瑞南京控制系统有限公司，
类型：发明
国别省市：