CN104022665B - 一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法，属于电力电子装置控制技术领域，该方法包括采集和获取控制所需要的数据，用获取的各电流参考值计算出桥臂电流参考值，用桥臂电感值、控制周期、计算得到的桥臂电流参考值和测得的桥臂电流值，计算出桥臂电感电压参考值；用得到的交流端口电压参考值、直流端口电压参考值和得到的桥臂电感电压参考值计算出桥臂输出电压参考值；用计算得到的桥臂输出电压参考值和测得的桥臂总电容电压计算得到各桥臂调制参考波；将生成的调制参考波送至阀触发脉冲调制器，以对桥臂瞬时电流进行直接控制。该方法控制响应速度快并且不受暂态过程影响；保证换流器不会出现桥臂过流，也不会出现电容过压。

Description

一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法

技术领域

本发明属于电力电子装置控制技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法。

背景技术

模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)具有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，是柔性直流输电领域的一种最有应用潜质的电压源换流器拓扑结构。

模块化多电平换流器的主要电路如图1所示。这种换流器由六个桥臂组成，每个桥臂包含一个桥臂电感L_arm和一组子模块，如图中虚线框所示。桥臂中的每一个子模块内都有一个电容和数个电力电子开关，这一电容在换流器运行过程中通过控制保持一个较稳定的直流电压；同时通过电力电子开关可以改变电容的连接形式，从而在子模块端口上输出0电压或者电容电压；再通过一个桥臂中多个子模块的组合，即可合成所需的输出电压。记换流器三相交流端口的电压瞬时值为v_a、v_b、v_c，三相交流端口的电流瞬时值为i_a、i_b、i_c，直流端口的电压瞬时值为v_dc，直流端口的电流瞬时值为i_dc，换流器内部环流的A相、B相分量瞬时值分别为i_acir、i_bcir(内部环流之和为0，故C相分量为-i_acir-i_bcir，不独立，不单独列出)，六个桥臂电流的瞬时值为i_au、i_al、i_bu、i_bl、i_cu、i_cl，六个桥臂中各电容电压之和的瞬时值为v_aucap、v_alcap、v_bucap、v_blcap、v_cucap、v_clcap。

模块化多电平换流器的控制系统通常由外环控制器、内环电流控制器和阀触发脉冲调制器组成。模块化多电平换流器控制系统的外环控制器根据换流器的工作模式和端口特性要求(如输出功率、电压等)生成换流器的端口电压/电流参考值和环流参考值，通常根据工作模式的不同，对于交流端口可能要求控制端口电压或者是端口电流，分别会产生交流端口电压参考值和交流端口电流参考值；对于直流端口也根据工作模式不同可能要求控制端口电压或者是端口电流，也分别产生直流端口电压参考值和直流端口电流参考值；此外外环控制器在各工作模式下都会根据当前工况产生环流参考值，或简单的产生恒为0的环流参考值。值得注意的是，外环控制器的形式需要和内环电流控制器的控制能力匹配，例如如果内环电流控制器没有直流端口独立控制的能力，则外环控制器就不能对直流端口进行控制，也就不应生成直流端口的相关参考值。内环电流控制器则根据外环控制器生成的参考值和相关电气量的当前测值产生换流器六个桥臂的调制波信号。阀触发脉冲调制器则根据各桥臂的调制波信号产生桥臂中每个开关器件的触发脉冲，实际控制主电路的运行。本发明提出的控制方法是用于其中的内环电流控制器的一种控制方法。

现有的模块化多电平换流器的控制系统的内环电流控制器的控制方法通常是对换流器的交流端口电流和内部环流分别采用dq旋转坐标系下的矢量控制方法进行控制。稳态时dq坐标系下的量都是直流量，容易得到较好的控制效果；但在暂态过程或三相不对称时dq坐标系下的量也会出现交流分量，导致控制效果下降。另外内部环流采用dq解耦控制通常仅能实现对特定频率的特定序分量环流的抑制(通常选择抑制二倍频负序分量)，而不能实现对环流电流的完全控制，使得在暂态或不对称条件下各桥臂总电容电压的动态过程处于不控状态，容易导致换流器的功率输出能力受限甚至由于过压/过流退出运行。

发明内容

本发明的目的是为克服已有内环电流控制方法的不足之处，提出一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法。这种控制方法可以在一个控制周期内将各桥臂的电流控制到参考值，其控制响应速度快并且不受暂态过程影响；同时这种控制方法通过对内部环流的控制可以完整控制换流器的内部动态过程，保证换流器不会出现桥臂过流，并可以配合合适的电容电压控制算法保证换流器在暂态过程和非对称工况下也不会出现电容过压。

本发明提出的一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

以T_s秒为控制周期对多电平换流器的桥臂瞬时电流进行直接控制，每次控制时执行1)～5)的步骤；

1)采集和获取控制所需要的数据，包括：

1-1)测量换流器六个桥臂的电流i_au、i_al、i_bu、i_bl、i_cu、i_cl和六个桥臂的总电容电压v_aucap、v_alcap、v_bucap、v_blcap、v_cucap、v_clcap；从外环控制器获取内部环流参考值i_{acir_r}、i_{bcir_r}；

1-2)当换流器的交流端口控制处于电流控制模式时，测量得到交流端口电压v_a、v_b、v_c作为交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，从外环控制器获取交流端口电流参考值i_{a_r}、i_{b_r}、i_{c_r}；当交流端口控制处于电压控制模式时，从外环控制器获取交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，按照公式(1)计算交流端口电流参考值；

$\left.\begin{array}{c}{i}_{a\_r}=i_{\mathrm{al}}-i_{\mathrm{au}}\\ i_{b\_r}=i_{\mathrm{bl}}-i_{\mathrm{bu}}\\ i_{c\_r}=i_{\mathrm{cl}}-i_{\mathrm{cu}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

在各电气量符号后加_r后缀表示这一电气量的控制参考值，如式中i_a表示交流端口A相电流瞬时值，则i_{a_r}表示交流端口A相电流参考值，依此类推；

1-3)当换流器的直流端口控制处于电流控制模式时，测量得到直流端口电压v_dc作为直流端口电压参考值v_{dc_r}，从外环控制器获取直流端口电流参考值i_{dc_r}；当直流端口控制处于电压控制模式时，从外环控制器获取直流端口电压参考值v_{dc_r}，按照公式(2)计算直流端口电流参考值；

i_{dc_r}＝i_au+i_bu+i_cu(2)

2)用步骤1)中获取的各电流参考值按照关系式(3)计算出桥臂电流参考值i_{au_r}、i_{al_r}、i_{bu_r}、i_{bl_r}、i_{cu_r}、i_{cl_r}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{au}\_r}\\ i_{\mathrm{al}\_r}\\ i_{\mathrm{bu}\_r}\\ i_{\mathrm{bl}\_r}\\ i_{\mathrm{cu}\_r}\\ i_{\mathrm{cl}\_r}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0& -0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0& -0.5& 1/3& -1& -1\\ 0& 0& 0.5& 1/3& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a\_r}\\ i_{b\_r}\\ i_{c\_r}\\ i_{\mathrm{dc}\_r}\\ i_{\mathrm{acir}\_r}\\ i_{\mathrm{bcir}\_r}\end{array}\right]---\left(3\right)$

3)用桥臂电感值L_arm、控制周期T_s、步骤2)计算得到的桥臂电流参考值和步骤1)测得的桥臂电流值，按照公式(4)计算出桥臂电感电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{aul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{au}\_r}-i_{\mathrm{au}})\\ v_{\mathrm{all}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{al}\_r}-i_{\mathrm{al}})\\ v_{\mathrm{bul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{bu}\_r}-i_{\mathrm{bu}})\\ v_{\mathrm{bll}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{bl}\_r}-i_{\mathrm{bl}})\\ v_{\mathrm{cul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{cu}\_r}-i_{\mathrm{cu}})\\ v_{\mathrm{cll}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{cl}\_r}-i_{\mathrm{cl}})\end{array}\right\}---\left(4\right)$

4)用步骤1)得到的交流端口电压参考值、直流端口电压参考值和步骤3)得到的桥臂电感电压参考值按照公式(5)计算出桥臂输出电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{au}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{aul}\_r}-v_{a\_r}\\ v_{\mathrm{al}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{all}\_r}+v_{a\_r}\\ v_{\mathrm{bu}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{bul}\_r}-v_{b\_r}\\ v_{\mathrm{bl}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{bll}\_r}+v_{b\_r}\\ v_{\mathrm{cu}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{cul}\_r}-v_{c\_r}\\ v_{\mathrm{cl}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{cll}\_r}+v_{c\_r}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

5)用步骤4)计算得到的桥臂输出电压参考值和步骤1)测得的桥臂总电容电压按照公式(6)计算得到各桥臂调制参考波：

$\left.\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{au}}=v_{\mathrm{au}\_r}/v_{\mathrm{aucap}}\\ d_{\mathrm{al}}=v_{\mathrm{al}\_r}/v_{\mathrm{alcap}}\\ d_{\mathrm{bu}}=v_{\mathrm{bu}\_r}/v_{\mathrm{bucap}}\\ d_{\mathrm{bl}}=v_{\mathrm{bl}\_r}/v_{\mathrm{blcap}}\\ d_{\mathrm{cu}}=v_{\mathrm{cu}\_r}/v_{\mathrm{cucap}}\\ d_{\mathrm{cl}}=v_{\mathrm{cl}\_r}/v_{\mathrm{clcap}}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

将生成的调制参考波送至阀触发脉冲调制器，以对桥臂瞬时电流进行直接控制。

本发明的有益结果为：本发明提出的模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法，可以在一个控制周期内将各桥臂的电流控制到参考值，其控制响应速度快并且不受暂态过程影响，同时能完整控制换流器的内部动态过程，因此提高了换流器在暂态过程和非对称工况下的性能和可靠性。

附图说明

图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的主电路图。

图2是本发明提出的模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法在交流电网靠近换流器处出现单相接地故障时与常规控制方法的仿真对比图。

具体实施方式

本发明提出的一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出了一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法，该方法包括以下步骤：

以T_s秒为控制周期对多电平换流器的桥臂瞬时电流进行直接控制，每次控制时执行1)～5)的步骤；

1)采集和获取控制所需要的数据，包括：

1-1)测量换流器六个桥臂的电流i_au、i_al、i_bu、i_bl、i_cu、i_cl和六个桥臂的总电容电压v_aucap、v_alcap、v_bucap、v_blcap、v_cucap、v_clcap；从外环控制器获取内部环流参考值i_{acir_r}、i_{bcir_r}；

1-2)当换流器的交流端口控制处于电流控制模式时，测量得到交流端口电压v_a、v_b、v_c作为交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，从外环控制器获取交流端口电流参考值i_{a_r}、i_{b_r}、i_{c_r}；当交流端口控制处于电压控制模式时，从外环控制器获取交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，按照公式(1)计算交流端口电流参考值；

$\left.\begin{array}{c}{i}_{a\_r}=i_{\mathrm{al}}-i_{\mathrm{au}}\\ i_{b\_r}=i_{\mathrm{bl}}-i_{\mathrm{bu}}\\ i_{c\_r}=i_{\mathrm{cl}}-i_{\mathrm{cu}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

在各电气量符号后加_r后缀表示这一电气量的控制参考值，如式中i_a表示交流端口A相电流瞬时值，则i_{a_r}表示交流端口A相电流参考值，依此类推；

1-3)当换流器的直流端口控制处于电流控制模式时，测量得到直流端口电压v_dc作为直流端口电压参考值v_{dc_r}，从外环控制器获取直流端口电流参考值i_{dc_r}；当直流端口控制处于电压控制模式时，从外环控制器获取直流端口电压参考值v_{dc_r}，按照公式(2)计算直流端口电流参考值；

i_{dc_r}＝i_au+i_bu+i_cu(2)

2)用步骤1)中获取的各电流参考值按照关系式(3)计算出桥臂电流参考值i_{au_r}、i_{al_r}、i_{bu_r}、i_{bl_r}、i_{cu_r}、i_{cl_r}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{au}\_r}\\ i_{\mathrm{al}\_r}\\ i_{\mathrm{bu}\_r}\\ i_{\mathrm{bl}\_r}\\ i_{\mathrm{cu}\_r}\\ i_{\mathrm{cl}\_r}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0& -0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0& -0.5& 1/3& -1& -1\\ 0& 0& 0.5& 1/3& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a\_r}\\ i_{b\_r}\\ i_{c\_r}\\ i_{\mathrm{dc}\_r}\\ i_{\mathrm{acir}\_r}\\ i_{\mathrm{bcir}\_r}\end{array}\right]---\left(3\right)$

3)用桥臂电感值L_arm、控制周期T_s、步骤2)计算得到的桥臂电流参考值和步骤1)测得的桥臂电流值，按照公式(4)计算出桥臂电感电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{aul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{au}\_r}-i_{\mathrm{au}})\\ v_{\mathrm{all}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{al}\_r}-i_{\mathrm{al}})\\ v_{\mathrm{bul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{bu}\_r}-i_{\mathrm{bu}})\\ v_{\mathrm{bll}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{bl}\_r}-i_{\mathrm{bl}})\\ v_{\mathrm{cul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{cu}\_r}-i_{\mathrm{cu}})\\ v_{\mathrm{cll}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{cl}\_r}-i_{\mathrm{cl}})\end{array}\right\}---\left(4\right)$

4)用步骤1)得到的交流端口电压参考值、直流端口电压参考值和步骤3)得到的桥臂电感电压参考值按照公式(5)计算出桥臂输出电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{au}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{aul}\_r}-v_{a\_r}\\ v_{\mathrm{al}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{all}\_r}+v_{a\_r}\\ v_{\mathrm{bu}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{bul}\_r}-v_{b\_r}\\ v_{\mathrm{bl}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{bll}\_r}+v_{b\_r}\\ v_{\mathrm{cu}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{cul}\_r}-v_{c\_r}\\ v_{\mathrm{cl}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{cll}\_r}+v_{c\_r}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

5)用步骤4)计算得到的桥臂输出电压参考值和步骤1)测得的桥臂总电容电压按照公式(6)计算得到各桥臂调制参考波：

$\left.\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{au}}=v_{\mathrm{au}\_r}/v_{\mathrm{aucap}}\\ d_{\mathrm{al}}=v_{\mathrm{al}\_r}/v_{\mathrm{alcap}}\\ d_{\mathrm{bu}}=v_{\mathrm{bu}\_r}/v_{\mathrm{bucap}}\\ d_{\mathrm{bl}}=v_{\mathrm{bl}\_r}/v_{\mathrm{blcap}}\\ d_{\mathrm{cu}}=v_{\mathrm{cu}\_r}/v_{\mathrm{cucap}}\\ d_{\mathrm{cl}}=v_{\mathrm{cl}\_r}/v_{\mathrm{clcap}}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

将生成的调制参考波送至阀触发脉冲调制器，以对桥臂瞬时电流进行直接控制。

本发明方法的实施例以工作在定交流电流与定直流电压模式的模块化多电平换流器为例，具体说明桥臂瞬时电流直接控制的过程。

本实施例中换流器的桥臂电感为3.98mH，以T_s＝50微秒为控制周期对多电平换流器的桥臂瞬时电流进行直接控制(T_s的典型取值在200微秒至20微秒)，每次控制时执行1)～5)的步骤；

1)采集和获取控制所需要的数据，包括：

1-1)测量换流器六个桥臂的电流i_au、i_al、i_bu、i_bl、i_cu、i_cl，本实施例的一次控制中测得电流分别为-154.4A、169.4A、100.5A、-101.5A、54.5A、-67.3A；测量六个桥臂的总电容电压v_aucap、v_alcap、v_bucap、v_blcap、v_cucap、v_clcap，本实施例的一次控制中分别测得9715V、9494V、10515V、9247V、9295V、10684V；从外环控制器获取内部环流参考值i_{acir_r}、i_{bcir_r}，本实施例的一次控制中分别为7.9A、-1.0A；

1-2)当换流器的交流端口控制处于电流控制模式时(本实施例中交流端口控制处于此模式)，测量得到交流端口电压v_a、v_b、v_c作为交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，本实施例的一次控制中分别为-440V、-3395V、3835V；从外环控制器获取交流端口电流参考值i_{a_r}、i_{b_r}、i_{c_r}，本实施例的一次控制中分别为324.7A、-193.2A、-131.5A；

1-3)当换流器的直流端口控制处于电压控制模式时(本实施例中直流端口控制处于此模式)，从外环控制器获取直流端口电压参考值v_{dc_r}，本实施例的一次控制中为10.00kV，按照公式(2)计算直流端口电流参考值i_{dc_r}＝-154.4+100.5+54.5＝0.6A；

2)用步骤1)中获取的各电流参考值按照关系式(3)计算出桥臂电流参考值i_{au_r}、i_{al_r}、i_{bu_r}、i_{bl_r}、i_{cu_r}、i_{cl_r}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{au}\_r}\\ i_{\mathrm{al}\_r}\\ i_{\mathrm{bu}\_r}\\ i_{\mathrm{bl}\_r}\\ i_{\mathrm{cu}\_r}\\ i_{\mathrm{cl}\_r}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0& -0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0& -0.5& 1/3& -1& -1\\ 0& 0& 0.5& 1/3& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}324.7\\ -193.2\\ -131.5\\ 0.6\\ 7.9\\ -1.0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-154.3\\ 170.5\\ 95.8\\ -97.4\\ 59.0\\ -72.5\end{array}\right]$

3)用桥臂电感值L_arm、控制周期T_s、步骤2)计算得到的桥臂电流参考值和步骤1)测得的桥臂电流值，按照公式(4)计算出桥臂电感电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{aul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{au}\_r}-i_{\mathrm{au}})=\frac{3.98E-3}{50E-6}(-154.3+154.4)=8V\\ v_{\mathrm{all}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{al}\_r}-i_{\mathrm{al}})=\frac{3.98E-3}{50E-6}(170.5-169.4)=87V\\ v_{\mathrm{bul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{bu}\_r}-i_{\mathrm{bu}})=\frac{3.98E-3}{50E-6}(95.8-100.5)=-374V\\ v_{\mathrm{bll}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{bl}\_r}-i_{\mathrm{bl}})=\frac{3.98E-3}{50E-6}=(-97.4+101.5)=326V\\ v_{\mathrm{cul}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{cu}\_r}-i_{\mathrm{cu}})=\frac{3.98E-3}{50E-6}(59.0-54.5)=358V\\ v_{\mathrm{cll}\_r}=\frac{L_{\mathrm{arm}}}{T_s}(i_{\mathrm{cl}\_r}-i_{\mathrm{cl}})=\frac{3.98E-3}{50E-6}(-72.5+67.3)=-414V\end{array}\right\}$

4)用步骤1)得到的交流端口电压参考值、直流端口电压参考值和步骤3)得到的桥臂电感电压参考值按照公式(5)计算出桥臂输出电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{au}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{aul}\_r}-v_{a\_r}=0.5\×10000-8-(-440)=5432V\\ v_{\mathrm{al}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{all}\_r}+v_{a\_r}=0.5\×10000-87+(-440)=4473V\\ v_{\mathrm{bu}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{bul}\_r}-v_{b\_r}=0.5\×10000-(-374)-(-3395)=8769V\\ v_{\mathrm{bl}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{bll}\_r}+v_{b\_r}=0.5\×10000-326+(-3395)=1279V\\ v_{\mathrm{cu}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{cul}\_r}-v_{c\_r}=0.5\×10000-358-3835=807V\\ v_{\mathrm{cl}\_r}=0.5v_{\mathrm{dc}\_r}-v_{\mathrm{cll}\_r}+v_{c\_r}=0.5\×10000-(-414)+3835=9249V\end{array}\right\}$

5)用步骤4)计算得到的桥臂输出电压参考值和步骤1)测得的桥臂总电容电压按照公式(6)计算得到各桥臂调制参考波：

$\left.\begin{array}{c}{d}_{\mathrm{au}}=v_{\mathrm{au}\_r}/v_{\mathrm{aucap}}=5432/9715=0.5591\\ d_{\mathrm{al}}=v_{\mathrm{al}\_r}/v_{\mathrm{alcap}}=4473/9494=0.4711\\ d_{\mathrm{bu}}=v_{\mathrm{bu}\_r}/v_{\mathrm{bucap}}=8769/10515=0.8339\\ d_{\mathrm{bl}}=v_{\mathrm{bl}\_r}/v_{\mathrm{blcap}}=1279/9247=0.1383\\ d_{\mathrm{cu}}=v_{\mathrm{cu}\_r}/v_{\mathrm{cucap}}=807/9295=0.0868\\ d_{\mathrm{cl}}=v_{\mathrm{cl}\_r}/v_{\mathrm{clcap}}=9249/10684=0.8657\end{array}\right\}$

将生成的调制参考波送至阀触发脉冲调制器，以对桥臂瞬时电流进行直接控制。

通过本发明提出的模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法，可以在一个控制周期内将各桥臂的电流控制到参考值，其控制响应速度快并且不受暂态过程影响，同时能完整控制换流器的内部动态过程，因此提高了换流器在暂态过程和非对称工况下的性能和可靠性。

图2展示了本发明提出的模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法和常规的DQ解耦矢量控制+二倍频环流抑制方法在交流电网靠近换流器处出现单相接地故障时的仿真结果；换流器处于控制直流端口电压和交流端口无功功率的控制模式，仿真中直流端口有2MW的功率注入，电网在0.1s时刻出现单相接地故障，故障持续0.1s，故障过程中外环控制器要求输出最大正序无功以提供无功支持。其中的图2A为故障仿真中使用的电网电压波形，图2B为在本发明提出的控制方法的控制下的换流器交流端口电流波形，图2C为在常规方法控制下的换流器交流端口电流波形，图2D为本发明提出的控制方法和常规方法控制下的换流器直流端口电压波形对比，图2E为本发明提出的控制方法和常规方法控制下的换流器直流端口电流波形对比。从仿真结果可以看出，在电网故障过程中本发明提出的方法所受影响较小，交流端口电流的波形较常规方法好，同时不会导致直流端口电压的波动，具有更好的性能和可靠性。

Claims (1)

1.一种模块化多电平换流器的桥臂瞬时电流直接控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

以T_s秒为控制周期对多电平换流器的桥臂瞬时电流进行直接控制，每次控制时执行1)～5)的步骤；

1)采集和获取控制所需要的数据，包括：

1-1)测量换流器六个桥臂的电流i_au、i_al、i_bu、i_bl、i_cu、i_cl和六个桥臂的总电容电压v_aucap、v_alcap、v_bucap、v_blcap、v_cucap、v_clcap；从外环控制器获取内部环流参考值i_{acir_r}、i_{bcir_r}；

1-2)当换流器的交流端口控制处于电流控制模式时，测量得到交流端口电压v_a、v_b、v_c作为交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，从外环控制器获取交流端口电流参考值i_{a_r}、i_{b_r}、i_{c_r}；当交流端口控制处于电压控制模式时，从外环控制器获取交流端口电压参考值v_{a_r}、v_{b_r}、v_{c_r}，按照公式(1)计算交流端口电流参考值；

$\left.\begin{array}{c}{i}_{a\_r}=i_{al}-i_{au}\\ i_{b\_r}=i_{bl}-i_{bu}\\ i_{c\_r}=i_{cl}-i_{cu}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

在各电气量符号后加_r后缀表示这一电气量的控制参考值，如式中i_{a_r}表示交流端口A相电流参考值，依此类推；

1-3)当换流器的直流端口控制处于电流控制模式时，测量得到直流端口电压v_dc作为直流端口电压参考值v_{dc_r}，从外环控制器获取直流端口电流参考值i_{dc_r}；当直流端口控制处于电压控制模式时，从外环控制器获取直流端口电压参考值v_{dc_r}，按照公式(2)计算直流端口电流参考值；

i_{dc_r}＝i_au+i_bu+i_cu(2)

2)用步骤1)中获取的各电流参考值按照关系式(3)计算出桥臂电流参考值i_{au_r}、i_{al_r}、i_{bu_r}、i_{bl_r}、i_{cu_r}、i_{cl_r}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{au\_r}\\ i_{al\_r}\\ i_{bu\_r}\\ i_{bl\_r}\\ i_{cu\_r}\\ i_{cl\_r}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccc}-0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0.5& 0& 0& 1/3& 1& 0\\ 0& -0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0.5& 0& 1/3& 0& 1\\ 0& 0& -0.5& 1/3& -1& -1\\ 0& 0& 0.5& 1/3& -1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a\_r}\\ i_{b\_r}\\ i_{c\_r}\\ i_{dc\_r}\\ i_{acir\_r}\\ i_{bcir\_r}\end{array}\right]---\left(3\right)$

3)用桥臂电感值L_arm、控制周期T_s、步骤2)计算得到的桥臂电流参考值和步骤1)测得的桥臂电流值，按照公式(4)计算出桥臂电感电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{aul\_r}=\frac{L_{arm}}{T_s}\left(i_{au\_r}-i_{au}\right)\\ v_{all\_r}=\frac{L_{arm}}{T_s}\left(i_{al\_r}-i_{al}\right)\\ v_{bul\_r}=\frac{L_{arm}}{T_s}\left(i_{bu\_r}-i_{bu}\right)\\ v_{bll\_r}=\frac{L_{arm}}{T_s}\left(i_{bl\_r}-i_{bl}\right)\\ v_{cul\_r}=\frac{L_{arm}}{T_s}\left(i_{cu\_r}-i_{cu}\right)\\ v_{cll\_r}=\frac{L_{arm}}{T_s}\left(i_{cl\_r}-i_{cl}\right)\end{array}\right\}---\left(4\right)$

4)用步骤1)得到的交流端口电压参考值、直流端口电压参考值和步骤3)得到的桥臂电感电压参考值按照公式(5)计算出桥臂输出电压参考值：

$\left.\begin{array}{c}{v}_{au\_r}=0.5v_{dc\_r}-v_{aul\_r}-v_{a\_r}\\ v_{al\_r}=0.5v_{dc\_r}-v_{all\_r}+v_{a\_r}\\ v_{bu\_r}=0.5v_{dc\_r}-v_{bul\_r}-v_{b\_r}\\ v_{bl\_r}=0.5v_{dc\_r}-v_{bll\_r}+v_{b\_r}\\ v_{cu\_r}=0.5v_{dc\_r}-v_{cul\_r}-v_{c\_r}\\ v_{cl\_r}=0.5v_{dc\_r}-v_{cll\_r}+v_{c\_r}\end{array}\right\}---\left(5\right)$

5)用步骤4)计算得到的桥臂输出电压参考值和步骤1)测得的桥臂总电容电压按照公式(6)计算得到各桥臂调制参考波：

$\left.\begin{array}{c}{d}_{au}=v_{au\_r}/v_{aucap}\\ d_{al}=v_{al\_r}/v_{alcap}\\ d_{bu}=v_{bu\_r}/v_{bucap}\\ d_{bl}=v_{bl\_r}/v_{blcap}\\ d_{cu}=v_{cu\_r}/v_{cucap}\\ d_{cl}=v_{cl\_r}/v_{clcap}\end{array}\right\}---\left(6\right)$

将生成的调制参考波送至阀触发脉冲调制器，以对桥臂瞬时电流进行直接控制。