基于峰值预测的模块化多电平换流器桥臂间电压平衡方法

摘要

本发明公开了一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法，属于电力电子装置控制技术领域。该方法包括通过采集换流器当前运行工况的数据来计算连接电抗阀侧的等效电压和桥臂电压出现最大值时的相位，并预测各桥臂电压波动的最大值，再根据预测的最大值分别计算出相间平衡电流和各相上下桥臂平衡电流的有效值；之后根据阀侧等效电压的基波相位和提出的公式对相间平衡电流和各相上下桥臂平衡电流进行坐标变换，得到形式为换流器内部环流的平衡电流瞬时值指令。本发明的方法可以提升桥臂电压平衡控制器的响应速度，同时可以实现对波动峰值的直接控制、能更好的防止电容过压；同时对换流器的外特性不会产生影响。

主权项

一种基于峰值预测的模块化多电平换流器的桥臂间电压平衡方法，该模块化多电平换流器为半桥子模块型的模块化多电平换流器，其特征在于，该方法循环执行1)～5)的步骤：1)采集和获取控制所需要的数据，包括：1‑1)采集换流器交流端口三相电压瞬时值v_a、v_b、v_c、直流端口电压v_dc、桥臂电压v_aucap、v_alcap、v_bucap、v_blcap、v_cucap、v_clcap；1‑2)从锁相环获取当前d轴位置wt；1‑3)从交流端口控制器获取d轴电流和q轴电流参考值i_{d_r}、i_{q_r}；1‑4)获取换流器桥臂等效电容C_eq和换流器等效连接电抗X_eq，满足公式(1)，其中C_sbm为子模块电容，N为每桥臂子模块数，L_arm为桥臂电感，f为交流系统频率；$\begin{array}{c}{C}_{eq}=C_{sbm}/N\\ X_{eq}={\mathrm{\pi fL}}_{arm}\end{array}---\left(1\right)$2)计算连接电抗阀侧等效三相电压的幅值和相位：2‑1)对步骤1)中采集的三相电压瞬时值v_a、v_b、v_c进行dq变换得到v_d、v_q；2‑2)按照公式(2)计算连接电抗阀侧等效d轴电压v_d1和q轴电压v_q1；$\begin{array}{c}{v}_{d1}=v_d+X_{eq}{i}_{q\_r}\\ v_{q1}=v_q-X_{eq}{i}_{d\_r}\end{array}---\left(2\right)$2‑3)对v_d1和v_q1进行dq反变换得到连接电抗阀侧等效三相电压瞬时值v_a1、v_b1、v_c1；2‑4)对一个工频周期内的v_a1、v_b1、v_c1形成的序列进行傅里叶变换得到阀侧等效三相电压的幅值U_maga、U_magb、U_magc和相位θ_ua、θ_ub、θ_uc；3)计算各桥臂电压出现最大值时的相位：3‑1)按照公式(3)计算三相电流当前相位θ_ia、θ_ib、θ_ic和交流电流幅值I_acp，其中arctan2为四象限反正切函数；3‑2)按照公式(4)计算各相的稳态直流电流分量I_dca、I_dcb、I_dcc；$\begin{array}{c}{I}_{dca}=-\frac{U_{maga}{I}_{acp}\cos \left({\theta }_{ia}-{\theta }_{ua}\right)}{2v_{dc}}\\ I_{dcb}=-\frac{U_{magb}{I}_{acp}\cos \left({\theta }_{ib}-{\theta }_{ub}\right)}{2v_{dc}}\\ I_{dcc}=-\frac{U_{magc}{I}_{acp}\cos \left({\theta }_{ic}-{\theta }_{uc}\right)}{2v_{dc}}\end{array}---\left(4\right)$3‑3)按照公式(5)计算各桥臂电流的过零点相位θ_{czp_i},i＝1～6；其中下标1～6分别表示A相上桥臂、B相上桥臂、C相上桥臂、A相下桥臂、B相下桥臂、C相下桥臂；$\begin{array}{c}{\theta }_{czp\_1}=\arcsin \left(2I_{dca}/I_{acp}\right)\\ {\theta }_{czp\_2}=\arcsin \left(2I_{dcb}/I_{acp}\right)\\ {\theta }_{czp\_3}=\arcsin \left(2I_{dcc}/I_{acp}\right)\\ {\theta }_{czp\_4}=-\arcsin \left(2I_{dca}/I_{acp}\right)\\ {\theta }_{czp\_5}=-\arcsin \left(2I_{dcb}/I_{acp}\right)\\ {\theta }_{czp\_6}=-\arcsin \left(2I_{dcc}/I_{acp}\right)\end{array}---\left(5\right)$3‑4)若cos(θ_{czp_i})>0,i＝1～3或者cos(θ_{czp_i})<0,i＝4～6，则将对应的θ_{czp_i}修改为180°‑θ_{czp_i}，这一处理后的θ_{czp_i}即为各桥臂电压出现最大值时的相位；4)计算预测的各桥臂电压的最大值：4‑1)记θ₁＝θ_ia‑θ_ua、θ₂＝θ_ib‑θ_ub、θ₃＝θ_ic‑θ_uc、θ₄＝θ_ia‑θ_ua、θ₅＝θ_ib‑θ_ub、θ₆＝θ_ic‑θ_uc，U_{ac_1}＝U_maga、U_{ac_2}＝U_magb、U_{ac_3}＝U_magc、U_{ac_4}＝U_maga、U_{ac_5}＝U_magb、U_{ac_6}＝U_magc，I_{dc_1}＝I_dca、I_{dc_2}＝I_dcb、I_{dc_3}＝I_dcc、I_{dc_4}＝I_dca、I_{dc_5}＝I_dcb、I_{dc_6}＝I_dcc，θ_{u_1}＝θ_ua、θ_{u_2}＝θ_ub、θ_{u_3}＝θ_uc、θ_{u_4}＝θ_ua、θ_{u_5}＝θ_ub、θ_{u_6}＝θ_uc，v_{arm_1}＝v_aucap、v_{arm_2}＝v_bucap、v_{arm_3}＝v_cucap、v_{arm_4}＝v_alcap、v_{arm_5}＝v_blcap、v_{arm_6}＝v_clcap，s₁＝s₂＝s₃＝‑1，s₄＝s₅＝s₆＝1；4‑2)按照公式(6)计算得到预测的各桥臂电压的最大值v_{max_i}，i＝1～6；其中mod(a,b)为取模函数，其取值为使得a＝bn+c、n为整数且c∈[0,b)成立的c；5)计算用于桥臂电压平衡的内部环流参考值，并计算内部环流瞬时值指令：5‑1)按照公式(7)计算相间不平衡电压v_coma、v_comb和三相的上下不平衡电压v_difa、v_difb、v_difc；$\begin{array}{c}{v}_{coma}=v_{\max \_1}+v_{\max \_4}-\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}{v}_{\max \_i}/3\\ v_{comb}=v_{\max \_2}+v_{\max \_5}-\underset{i=1}{\overset{6}{\Sigma }}{v}_{\max \_i}/3\\ v_{difa}=v_{\max \_1}-v_{\max \_4}\\ v_{difb}=v_{\max \_2}-v_{\max \_5}\\ v_{difc}=v_{\max \_3}-v_{\max \_6}\end{array}---\left(7\right)$5‑2)将v_coma、v_comb、v_difa、v_difb、v_difc分别送入PI控制器生成平衡电流有效值指令I_coma、I_comb、I_difa、I_difb、I_difc并进行所需的限幅；5‑3)按照公式(8)计算内部环流瞬时值指令i_acir、i_bcir：$\left[\begin{array}{c}{i}_{acir}\\ i_{bcir}\end{array}\right]=\sqrt{2}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{sin\theta }}_{ua}& \frac{\cos \left({\theta }_{ub}-{\theta }_{uc}\right)}{\sin \left({\theta }_{ua}-{\theta }_{uc}\right)}{\mathrm{cos\theta }}_{ua}& \frac{\cos \left({\theta }_{uc}-{\theta }_{ub}\right)}{\sin \left({\theta }_{ua}-{\theta }_{ub}\right)}{\mathrm{cos\theta }}_{ua}\\ \frac{\cos \left({\theta }_{ua}-{\theta }_{uc}\right)}{\sin \left({\theta }_{ub}-{\theta }_{uc}\right)}{\mathrm{cos\theta }}_{ub}& {\mathrm{sin\theta }}_{ub}& \frac{\cos \left({\theta }_{uc}-{\theta }_{ua}\right)}{\sin \left({\theta }_{ub}-{\theta }_{ua}\right)}{\mathrm{cos\theta }}_{ub}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{I}_{difa}\\ I_{difb}\\ I_{difc}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}-I_{coma}\\ -I_{comb}\end{array}\right]---\left(8\right)$将指令送至电流控制器产生所需的平衡电流。