科创中国

技术领域

本发明涉及电力系统柔性直流输电领域，具体为一种模块化多电平换流器环流抑制方法。

背景技术

模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)作为一种新型电压源换流器，具有很强的整体性和灵活性。MMC可以扩展到任意电平数，输出的电压波形谐波含量少、有利于降低功率器件的开关频率和输出滤波器容量、减小损耗的同时提升了效率，MMC不仅有效提高了变换器的应用电压和功率等级，且具有公共直流母线，可以实现有功和无功解耦独立控制，这些特点使MMC广泛运用于高压直流输电、静止无功补偿等领域。

如图1所示，三相MMC由三相六个桥臂构成，每相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感和至少1个结构相同的子模块串联组成，每个子模块包括两个电力电子开关和一个电容器。当MMC在稳态运行时，三个桥臂并联在直流母线上，子模块电容在不断地进行充放电，变换器相间能量不能时刻保持完全一致，导致各相能量分配不均，会在各相桥臂之间产生环流，使桥臂电流发生畸变，增加系统运行损耗，并使功率器件发生损坏，影响装置使用寿命，同时对子模块的电容电压也会造成影响。

公开号为CN101854061A的发明专利提出了一种三相模块化多电平换流器环流抑制方法，利用二倍基波频率的负序旋转坐标变换，对检测到的桥臂电流进行处理后，再通过信号处理和前馈补偿环节，得到用于抑制环流的附加控制信号。然后用直流电压值的二分之一减去该附加控制信号，并与已有的换流器交流侧输出电压参考信号叠加得到桥臂电压参考值，再进行脉宽调制得到换流器各桥臂的触发脉冲，使换流器输出相应的电压。采用该环流抑制方法，可以在不增加桥臂电感大小的情况下，将换流器内部环流抑制在非常低的水平，基本消除桥臂电流的畸变而使其恢复正弦波形。

但上述专利通过试凑法来对PI参数进行调试，由于MMC的数学模型具有非线性、离散型和高阶性的特点，其中含有的大量电力电子开关和电容等非线性元件，使得试凑法很难适用，因此需要选择合适的PI控制参数来抑制环流和调高系统控制器的设计效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器环流抑制方法，通过合理设计PI环流抑制器参数，使控制器根据系统动态调整初始值，实现快速有效地抑制MMC内部二倍频环流，消除桥臂电流的波形畸变，降低换流器损耗，从而提高系统的稳定性。

一种模块化多电平换流器的环流抑制方法，包括以下步骤：

(Ⅰ)对每一相的上、下桥臂的电流ipj、inj进行采样，其中j＝a，b，c，分别代表a，b，c三相，p表示上桥臂，n表示下桥臂；通过每一相的上、下桥臂的电流ipj、inj，计算三相各自的内部电流isumj，采用如下公式计算：

isumj＝(ipj+inj)/2；

(Ⅱ)将三相的内部电流isumj进行二倍频负序旋转坐标变换,得到内部环流的d、q轴分量i2fd、i2fq；

(Ⅲ)将内部环流的d、q轴分量i2fd、i2fq与d、q轴参考量i2fd_ref、i2fq_ref做差，将差值引入PI控制器可得d、q轴环流抑制附加电压Δu2fd、Δu2fq；再消除耦合部分，得到附加控制信号的d、q轴参考值usumd_ref、usumq_ref；

(Ⅳ)将d、q轴参考值usumd_ref、usumq_ref进行二倍频负序坐标逆变换，得到各相环流抑制附加电压的参考值usmj_ref；

(Ⅴ)通过环流抑制附加电压的参考值usumj_ref计算得到MMC各相上、下桥臂应投入的参考电压upj_ref、unj_ref；

(Ⅵ)由上、下桥臂参考电压upj_ref、unj_ref和经排序算法调制生成六个桥臂的触发脉冲来控制各子模块中电力电子开关的开通与关断，进而构造基于PI控制器的环流抑制模型；

(Ⅶ)根据上述模型建立基于PI环流抑制器的闭环控制回路，进而推导出被控对象的传递函数；

(Ⅷ)构建基于粒子群算法和遗传算法组合成的混合粒子群算法，同时构建寻优过程中参数选取的目标函数J；

(Ⅸ)在PI控制器、被控对象组成的闭环回路中，利用混合粒子群算法对PI参数进行寻优，选择目标函数J最小的结果作为最优PI参数，将该PI参数代入环流抑制控制器中实现对内部环流的抑制。

进一步的，步骤(Ⅱ)中进行二倍频负序旋转坐标变换的具体方法为，将三相的内部电流isumj组成的矩阵乘以变换矩阵Tacb/dq；内部环流的d、q轴分量i2fd、i2fq按照如下公式计算:

其中,θ＝2ωt,ω为基波角频率。

进一步的，步骤(Ⅲ)中消除耦合部分的方法如下：

将d轴环流抑制附加电压Δu2fd与q轴电压前馈量2ωLi2fq相加；将q轴环流抑制附加电压Δu2fq与d轴电压前馈量2ωLi2fd相减；

附加控制信号的d、q轴参考值usumd_ref、usumq_ref采用如下公式计算：

式中，L为桥臂电感，Kp为PI控制器的比例系数，Ki为PI控制器的积分系数。

进一步的，步骤(Ⅲ)中所述d、q轴参考量i2fd_ref和i2fq_ref都设为零。

进一步的，步骤(Ⅳ)中二倍频负序坐标逆变换的具体方法为，将d、q轴参考值usumd_ref、usumq_ref组成的矩阵乘以逆变换矩阵Tdq/acb；各相环流抑制附加电压的参考值usumj_ref按照如下公式进行计算：

进一步的，步骤(Ⅴ)中MMC各相上、下桥臂应投入的参考电压upj_ref、unj_ref采用如下公式计算：

式中，Udc为直流母线电压，uvj_ref为MMC交流侧输出电压的参考值，用来控制MMC输出的电压和电流，对本发明提出的模块化多电平换流器环流抑制方法不产生影响。

进一步的，所述MMC交流侧输出电压的参考值uvj_ref通过非线性控制方法生成，优选为现有的外环功率控制方法或内环电流控制方法。

进一步的，步骤(Ⅷ)中构建混合粒子群算法具体包括如下步骤：

(a)将粒子群算法中种群的移动、有记忆功能、可以参考历史信息等特点和遗传算法的选择、交叉、变异操作相结合，组成混合粒子群算法；

(b)寻优过程中，随着迭代次数的增加，按下式非线性地递减惯性权重；

式中，ωstart为初始惯性权重，ωend为进化至最大代数时的惯性权重，t为当前进化代数，tmax为最大进化代数，a为限制系数，用于保证ω的取值区间，k为控制因子，控制ω与t变化曲线的平滑度；

(c)在混合粒子群算法的速度更新公式中增加扰动项，计算多次迭代后表示第i个粒子在多维空间位置的多维向量xid(t)、及第i个粒子在多维空间位置的飞行速度向量vid(t),按如下公式计算：

式中，c1、c2为加速常数，c3为扰动因子，均优选为非负常数，r1、r2、r3为[0，1]之间的随机数，pid为第i个粒子在迭代过程中寻找到的最优位置，pgd为粒子群在迭代过程中寻找到的最优位置，pdd为从粒子群中随机选出的扰动粒子，即新增的扰动项；

进一步的，步骤(Ⅷ)中目标函数J的构建方法如下：

式中，e(t)为系统误差，u(t)为PI控制器输出，ω1、ω2为设定的权值。

进一步的，该模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每相包含上下两个桥臂，每个桥臂由一个电感和至少1个结构相同的子模块级联而成，每个子模块包括两个电力电子开关和一个电容器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明模块化多电平换流器环流抑制方法环流抑制精度高、响应快、适应性强，能根据系统动态的调整控制器参数，可以快速抑制内部环流中占主要的二次谐波分量和具有较强的动态响应能力，降低了换流器的损耗，并且能够有效降低子模块电容电压波动幅度,提高其电压波形质量，从而提高了MMC换流器的整体稳态运行效率。