CN113346780A - 一种多频率三端口模块化多电平换流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多频率三端口模块化多电平换流器，包括第一三相交流系统、第二三相交流系统、第一辅助桥臂系统、第二辅助桥臂系统、上主桥臂系统及下主桥臂系统，其中，第一三相交流系统的输出端依次经第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统与第二三相交流系统相连接，上主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，下主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，上主桥臂系统的另一端与直流系统的正极相连接，下主桥臂系统的另一端与直流系统的负极相连接，该换流器具有高度模块化设计、易于扩展、输出电压波形质量和功率特性良好的优点。

Description

一种多频率三端口模块化多电平换流器

技术领域

本发明涉及一种换流器，具体涉及一种多频率三端口模块化多电平换流器。

背景技术

随着高比例新能源的接入、能源终端消费的再电气化和电力电子变频技术的进步，电力系统趋于多频率发展。因此，高电压大功率多端口变流器的应用前景非常广泛，在异步联网、海上风电、远距离分频输电、海洋油气开采及未来海底输配电系统建设等方面都具有非常重要的作用。

两端口变频器拓扑有较多类型，可作为三端口换流器设计参考。模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter,MMC)的研究较充分，技术较成熟，已在国内外多项工程中得到实际应用，采用背靠背式MMC(BTB-MMC)可以实现交-直-交变频功能。模块化多电平矩阵式变流器(Modular Multilevel Matrix Converter,M3C)功率密度大，冗余度高，无需中间直流环节，实现直接功率变换。但较多的桥臂数使得M3C环流通道众多，且其连接的两侧系统之间耦合程度高，控制策略复杂。六边形模块化多电平交交变流器(Hexverter)仅采用6个桥臂即可直接连接两个不同频率的系统，但其拓扑决定了内部环流通道仅有一条，不增加补偿设备两侧则需满足无功功率和环流的强约束关系，使得Hexverter系统的控制策略难于实现。Y型模块化多电平交交变流器(YMMC)只需6个等效桥臂，结构简单对称，不存在环流。但主桥臂同时承受两侧系统的电流，需要更大功率的IGBT器件，在大电流场景下经济性不足。

将背靠背MMC的直流母线引出，可实现低频-直流-工频三端口换流器功能。但传统基于半桥子模块的MMC不具备直流故障阻断能力，因此当三端口换流器的直流侧发生短路故障时，只能依靠交流侧断路器切除整个换流器实现故障隔离，故障恢复特性差。采用全桥子模块或钳位双子模块替换全部或部分半桥模块以实现直流故障阻断也是一种有效的方法，但成本显著提高。采用子模块混合式MMC需要在故障电流清除能力与投资成本之间综合考量，均衡配置子模块类型。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多频率三端口模块化多电平换流器，该换流器具有高度模块化设计、易于扩展、输出电压波形质量和功率特性良好的优点。

为达到上述目的，本发明所述的多频率三端口模块化多电平换流器包括第一三相交流系统、第二三相交流系统、第一辅助桥臂系统、第二辅助桥臂系统、上主桥臂系统及下主桥臂系统，其中，第一三相交流系统的输出端依次经第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统与第二三相交流系统相连接，上主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，下主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，上主桥臂系统的另一端与直流系统的正极相连接，下主桥臂系统的另一端与直流系统的负极相连接。

第一三相交流系统与第二三相交流系统的频率及幅值不同。

第一三相交流系统的输出电压和电流分别为V_su、V_sv、V_sw和i_u、i_v、i_w；第二三相交流系统的输出电压和电流分别为V_sa、V_sb、V_sc和i_a、i_b、i_c；

上主桥臂系统包括上主桥臂px、py、pz；下主桥臂系统包括下主桥臂nx、ny、nz；第一辅助桥臂系统包括第一辅助桥臂ux、vy、wz；第二辅助桥臂系统包括第二辅助桥臂ax、by、cz；

上主桥臂px、下主桥臂nx、第一辅助桥臂ux、第二辅助桥臂ax及第一三相交流系统中a相与第二三相交流系统中a相之间的线路连接于节点X；

上主桥臂py、下主桥臂ny、第一辅助桥臂uy、第二辅助桥臂ay及第一三相交流系统中b相与第二三相交流系统中b相之间的线路连接于节点Y；

上主桥臂pz、下主桥臂nz、第一辅助桥臂uz、第二辅助桥臂az及第一三相交流系统中c相与第二三相交流系统中c相之间的线路连接于节点Z。

上主桥臂及下主桥臂均由第一电感L、第一等效电阻R以及2n个第一半桥子模块串联而成；

第一辅助桥臂及第二辅助桥臂均由第二电感L_s,l、第二等效电阻R_s,l以及n/2个第二H桥子模块串联而成。

上主桥臂及下主桥臂对于第一三相交流系统及第二三相交流系统采用定有功功率/无功功率或定有功功率/交流电压控制、恒压恒频控制、虚拟同步机控制、定直流电压/交流电压或定直流电压/无功功率控制。

上主桥臂系统及下主桥臂系统对于直流系统采用定直流电压、定直流电流或定有功功率控制。

第一辅助桥臂系统对第一三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制；第二辅助桥臂系统对第二三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制。

针对换流器的外环控制，分别在输入侧和输出侧的控制策略中引入无功功率分配系数k₁及k₂，通过调节无功功率分配系数k₁和k₂的大小实现无功功率在上主桥臂系统、下主桥臂系统、第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统之间进行分配和辅助桥臂之间的合理分配。

换流器的环流抑制策略采用基于负序二倍频派克变换的前馈解耦控制技术，提取第一三相交流系统及第二三相交流系统的系统频率产生的环流分量，抑制内部环流中的2次谐波分量。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的多频率三端口模块化多电平换流器在具体操作时，将两个相同或不同频率及幅值的三相交流系统与直流系统直接相联，同时通过直流侧与直流电网相联，实现交流频率1-交流频率2-直流不同频率的系统之间能量交换，具有高度模块化设计、易于扩展、输出电压波形质量和功率特性良好的优点，可广泛适用于高电压、大功率、多频率电力变换应用场合。同时需要说明的是，本发明直接实现交流频率-交流频率-直流的功率变换和频率控制，不存在无功约束问题，可以输出更高直流电压，具有直流故障自清除功能，在混合多频率电力系统具有广阔的应用前景以及竞争优势。

附图说明

图1为MFTP-MMC的主电路模型图；

图2为MFTP-MMC单相等效电路图；

图3为MFTP-MMC输入侧单相等效电路图；

图4为MFTP-MMC输出侧单相等效电路图；

图5为MFTP-MMC功率分配策略框图；

图6为MFTP-MMC输入、输出侧前馈解耦闭环控制策略框图；

图7为MFTP-MMC环流抑制策略框图；

图8为MFTP-MMC稳态运行时桥臂调制波示意图；

图9a为k₁＝1，k₂＝1时MFTP-MMC的分频侧电压电流波形图；

图9b为k₁＝1，k₂＝1时MFTP-MMC的分频侧输入有功功率和无功功率波形图；

图9c为k₁＝1，k₂＝1时MFTP-MMC的工频侧电压电流波形图；

图9d为k₁＝1，k₂＝1时MFTP-MMC的工频侧输出有功功率和无功功率图；

图9e为k₁＝1，k₂＝1时MFTP-MMC的主桥臂和辅助桥臂直流电压波形图；

图9f为k₁＝1，k₂＝1时MFTP-MMC的直流侧输出功率波形图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

参考图1，本发明所述的多频率三端口模块化多电平换流器包括第一三相交流系统、第二三相交流系统、第一辅助桥臂系统、第二辅助桥臂系统、上主桥臂系统及下主桥臂系统，其中，第一三相交流系统的输出端依次经第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统与第二三相交流系统相连接，上主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，下主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，上主桥臂系统的另一端与直流系统的正极相连接，下主桥臂系统的另一端与直流系统的负极相连接。

第一三相交流系统与第二三相交流系统的频率及幅值不同，第一三相交流系统的输出电压和电流分别为V_su、V_sv、V_sw和i_u、i_v、i_w；第二三相交流系统的输出电压和电流分别为V_sa、V_sb、V_sc和i_a、i_b、i_c；上主桥臂系统包括上主桥臂px、py、pz；下主桥臂系统包括下主桥臂nx、ny、nz；第一辅助桥臂系统包括第一辅助桥臂ux、vy、wz；第二辅助桥臂系统包括第二辅助桥臂ax、by、cz；上主桥臂px、下主桥臂nx、第一辅助桥臂ux、第二辅助桥臂ax及第一三相交流系统中a相与第二三相交流系统中a相之间的线路连接于节点X；上主桥臂py、下主桥臂ny、第一辅助桥臂uy、第二辅助桥臂ay及第一三相交流系统中b相与第二三相交流系统中b相之间的线路连接于节点Y；上主桥臂pz、下主桥臂nz、第一辅助桥臂uz、第二辅助桥臂az及第一三相交流系统中c相与第二三相交流系统中c相之间的线路连接于节点Z，上主桥臂及下主桥臂均由第一电感L、第一等效电阻R以及2n个第一半桥子模块串联而成；第一辅助桥臂及第二辅助桥臂均由第二电感L_s,l、第二等效电阻R_s,l以及n/2个第二H桥子模块串联而成。

上主桥臂及下主桥臂对于第一三相交流系统及第二三相交流系统采用定有功功率/无功功率或定有功功率/交流电压控制、恒压恒频控制、虚拟同步机控制、定直流电压/交流电压或定直流电压/无功功率控制；上主桥臂系统及下主桥臂系统对于直流系统采用定直流电压、定直流电流或定有功功率控制；第一辅助桥臂系统对第一三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制；第二辅助桥臂系统对第二三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制；针对换流器的外环控制，分别在输入侧和输出侧的控制策略中引入无功功率分配系数k₁及k₂，通过调节无功功率分配系数k₁和k₂的大小实现无功功率在上主桥臂系统、下主桥臂系统、第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统之间进行分配和辅助桥臂之间的合理分配；换流器的环流抑制策略采用基于负序二倍频派克变换的前馈解耦控制技术，提取第一三相交流系统及第二三相交流系统的系统频率产生的环流分量，抑制内部环流中的2次谐波分量。

参考图1，本发明所述的多频率三端口模块化多电平换流器(MFTP-MMC系统)的等效电路模型如图1所示。

系统输入侧电压的中性点定义为O₁点，输出侧电压的中性点定义为O₂点，直流线路的中性点定义为N点，根据基尔霍夫电路定理，由图1给出MFTP-MMC系统的回路电压方程和节点电流方程为：

对式(3)及式(4)分别进行两式相加和相减，得：

若令

则该式(6)及式(7)可表示为：

当第一三相交流系统和第二三相交流系统均为三相对称系统时，则有：

首先，采用等功率变换，从abc到αβ0的变换矩阵为T_abc/αβ0：

从αβ0到abc的变换矩阵为T_αβ0/abc：

将等功率变换矩阵T_abc/αβ0左乘式(1)、式(2)、式(5)及式(6)，三相三线制情形，零序分量被忽略,得系统在αβ坐标系下的交流侧电压方程和电流方程为：

式(14)-式(17)中，V_sα、V_sβ和i_sα、i_sβ为输入侧电压和电流的αβ分量；V_lα、V_lβ和i_lα、i_lβ为输出侧电压和电流的αβ分量；V_1α、V_1β为输入侧辅助桥臂电压的αβ分量；V_2α、V_2β为输出侧辅助桥臂电压的αβ分量；i_αp、i_βp和i_αn、i_βn为上主桥臂电流、下主桥臂电流的αβ分量，V_{diff_α}、V_{diff_β}为上主桥臂差模分量及下主桥臂差模分量的αβ分量。

实际运行中，上辅助桥臂电压V_1α、V_1β和下辅助桥臂电压V_2α、V_2β中既含有输入频率分量又含有输出频率分量，而输入、输出侧电流i_sα、i_sβ和i_lα、i_lβ分别只包含本侧的频率分量，为保证式(14)-式(16)成立，将其分解为如下输入输出两种不同频率分量的形式：

针对不同的频率分量，分别采用如下的同步旋转坐标变换矩阵：

将式(18)及式(19)变换为dq坐标系下的系统交流侧数学模型为：

其中，ω_s为输入侧电网的角频率，ω_l为输出侧电网的角频率。

根据式(10)描述了共模电压与内部环流的关系，对其内部不同频率分量进行分解，由于主桥臂中含有f_s与f_l两种频率分量，则其内部环流主要为两种频率的负序2次谐波分量的叠加。采用从abc三相静止坐标系变换到d^-2q^-2旋转坐标系(分别以2ω_s以及2ω_l速度反θ方向旋转)的变换矩阵可以将负序2次谐波分量变换为直流分量，根据式(12)及式(21)可推得其变换矩阵分别为T_{abc/dq0_s}(-2θ)和T_{abc/dq0_l}(-2θ)。而根据式(13)及式(22)可推得其反变换矩阵分别为T_{dq0/abc_s}(-2θ)和T_{dq0/abc_l}(-2θ)。针对不同频率分量，对式(10)进行d^-2q^-2坐标变化得：

有功、无功分配

考虑MFTP-MMC系统的单相等效电路，如图2所示。

应用叠加原理，输入侧单相等效电路如图3所示，若令：

则稳态下式(22)可改写为：

第一辅助桥臂和主桥臂总共吸收的有功功率和无功功率分别为：

为保证第一辅助桥臂吸收有功功率为零，需满足以下方程：

V_{1d_fs}i_sd+V_{1q_fs}i_sq＝0 (29)

为实现第一辅助桥臂和主桥臂间吸收无功功率比例的动态分配，引入分配系数k₁，使得主桥臂吸收无功功率满足

k₁Q_bs＝V_{diff_q_fs}i_sd-V_{diff_d_fs}i_sq (30)

即，当k₁＝1时，无功功率全部由主桥臂吸收。

联立式(27)-式(30)，得：

实际中，第一辅助桥臂需要吸收少量的有功功率以补偿桥臂中的有功损耗，避免子模块中的直流电容持续放电，从而保证直流电压恒定。在此，设第一辅助桥臂吸收的有功功率为P_{bs_loss}，亦即

V_{1d_fs}i_sd+V_{1q_fs}i_sq＝P_{bs_loss} (33)

重新解得

同理，输出侧单相等效电路如图4所示。

系统稳态运行时，则有：

第二辅助桥臂和主桥臂总共吸收的无功功率为：

Q_bl＝V_{2td_fl}i_lq-V_{2tq_fl}i_ld (38)

为保证第一辅助桥臂吸收有功功率为零，需满足以下方程：

-V_{2td_fl}i_ld-V_{2tq_fl}i_lq＝0 (39)

同样地，为实现第一辅助桥臂和主桥臂间吸收无功功率比例的动态分配，引入分配系数k₂，使得主桥臂吸收无功功率满足：

k₂Q_bl＝V_{diff_d_fl}i_lq-V_{diff_q_fl}i_ld (40)

即，当k₂＝1时，无功功率全部由主桥臂吸收。

联立式(36)-式(40)，得：

实际中，第一辅助桥臂需要吸收少量的有功功率以补偿桥臂中的有功损耗，避免子模块中的直流电容持续放电，从而保证直流电压恒定。在此，设第一辅助桥臂吸收的有功功率为P_{bs_loss}，亦即

-V_{2d_fl}i_ld-V_{2q_fl}i_lq＝P_{bl_loss} (43)

重新解得

因此得功率分配策略如图5所示：

MFTP-MMC数学模型与传统的并网换流器的数学模型相似，采用基于电网电压定向的前馈解耦控制策略如下：

为简化控制器的设计，在式(23)和式(24)的第一式中，作如下变量替换，令

通过PI调节实现有功电流和无功电流的前馈解耦闭环控制，其中，V’_{d_fs}，V’_{q_fs}和V’_{d_fl}，V’_{q_fl}由电流闭环的PI调节器得到，其控制原理如图6所示。

针对MFTP-MMC换流器的外环控制，主桥臂对于第一三相交流系统及第二三相交流系统均可采用定有功功率/无功功率或定有功功率/交流电压(P/Q或P/Vac)控制、恒压恒频(V/f)控制、虚拟同步机(VSG)控制、定直流电压/交流电压或定直流电压/无功功率(Vdc/Vac或Vdc/Q)控制，主桥臂对于直流系统采用定直流电压、定直流电流或定有功功率控制。为保证换流器稳定运行，三个端口中只能有一侧采用定直流电压控制。第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统分别对于各自三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制。

对于MFTP-MMC的环流抑制策略，根据式(24)及式(25)，作如下变量替换，令：

通过PI调节实现有功电流和无功电流的前馈解耦闭环控制，其中，V’_{cir_d_fs}，V’_{cir_q_fs}和V’_{cir_d_fl}，V’_{cir_q_fl}由电流闭环的PI调节器得到，其控制原理如图7所示。

系统稳态值计算和K值优化

设第一三相交流系统及第二三相交流系统均为三相对称，不失一般性，设MFTP-MMC稳态工作时第一三相交流系统及第二三相交流系统的电压和电流为：

采用等功率变换矩阵以及同步旋转坐标变换矩阵，得MFTP-MMC换流器的稳态解为：

稳态时各桥臂调制信号示意图如图8所示。

其中，第一辅助桥臂系统的调制波函数为-m₂+m’₁，第二辅助桥臂系统的调制波函数为-m₁+m'₂，主桥臂的调制函数为m₁+m₂。

在MFTP-MMC稳态运行时，为使主桥臂和辅助桥臂不过调制，从而最大化MFTP-MMC与第一三相交流系统及第二三相交流系统交换的有功和无功功率，设定优化目标为：

min{max(|-2m₂|+|m’₁|，|-2m₁|+|m'₂|，|m₁|+|m₂|)} (63)

当系统稳态时，可忽略辅助桥臂的功率损耗P_{bs_loss}和P_{bl_loss}，由式(31)-式(32)和式(41)-式(42)，得：

将式(57)～(62)代入式(64)～(67)中，可得

由式(68)-式(71)，通过调节k₁和k₂的值，即可改变主桥臂和辅助桥臂的稳态调制度，进而计算出符合优化目标式(63)的k₁和k₂的最优值，从而对系统的整体性能进行优化。

仿真验证试验

在MATLAB/SIMULINK平台下搭建MFTP-MMC系统模型，输入侧接入35kV，50/3Hz分频交流系统，输出侧接入35kV，50Hz工频交流系统，直流侧接入140kV直流系统，主要参数如表1所示。

表1

MFTP-MMC直流侧采用定直流电压控制，主桥臂对于第一三相交流系统及第二三相交流系统采用P/Q控制，测试结果，如果图9a至图9f所示。

Claims (8)

1.一种多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，包括第一三相交流系统、第二三相交流系统、第一辅助桥臂系统、第二辅助桥臂系统、上主桥臂系统及下主桥臂系统，其中，第一三相交流系统的输出端依次经第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统与第二三相交流系统相连接，上主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，下主桥臂系统的一端与第一辅助桥臂系统和第二辅助桥臂系统之间的线路相连接，上主桥臂系统的另一端与直流系统的正极相连接，下主桥臂系统的另一端与直流系统的负极相连接。

2.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，第一三相交流系统与第二三相交流系统的频率及幅值不同。

3.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，第一三相交流系统的输出电压和电流分别为V_su、V_sv、V_sw和i_u、i_v、i_w；第二三相交流系统的输出电压和电流分别为V_sa、V_sb、V_sc和i_a、i_b、i_c；

上主桥臂系统包括上主桥臂px、py、pz；下主桥臂系统包括下主桥臂nx、ny、nz；第一辅助桥臂系统包括第一辅助桥臂ux、vy、wz；第二辅助桥臂系统包括第二辅助桥臂ax、by、cz；

上主桥臂px、下主桥臂nx、第一辅助桥臂ux、第二辅助桥臂ax及第一三相交流系统中a相与第二三相交流系统中a相之间的线路连接于节点X；

上主桥臂py、下主桥臂ny、第一辅助桥臂uy、第二辅助桥臂ay及第一三相交流系统中b相与第二三相交流系统中b相之间的线路连接于节点Y；

上主桥臂pz、下主桥臂nz、第一辅助桥臂uz、第二辅助桥臂az及第一三相交流系统中c相与第二三相交流系统中c相之间的线路连接于节点Z；

上主桥臂及下主桥臂均由第一电感L、第一等效电阻R以及2n个第一半桥子模块串联而成；

第一辅助桥臂及第二辅助桥臂均由第二电感L_s,l、第二等效电阻R_s,l以及n/2个第二H桥子模块串联而成。

4.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，上主桥臂及下主桥臂对于第一三相交流系统及第二三相交流系统采用定有功功率/无功功率或定有功功率/交流电压控制、恒压恒频控制、虚拟同步机控制、定直流电压/交流电压或定直流电压/无功功率控制。

5.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，上主桥臂系统及下主桥臂系统对于直流系统采用定直流电压、定直流电流或定有功功率控制。

6.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，第一辅助桥臂系统对第一三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制；第二辅助桥臂系统对第二三相交流系统采用电流定向的定直流电压控制。

7.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，针对换流器的外环控制，分别在输入侧和输出侧的控制策略中引入无功功率分配系数k₁及k₂，通过调节无功功率分配系数k₁和k₂的大小实现无功功率在上主桥臂系统、下主桥臂系统、第一辅助桥臂系统及第二辅助桥臂系统之间进行分配和辅助桥臂之间的合理分配。

8.根据权利要求1所述的多频率三端口模块化多电平换流器，其特征在于，换流器的环流抑制策略采用基于负序二倍频派克变换的前馈解耦控制技术，提取第一三相交流系统及第二三相交流系统的系统频率产生的环流分量，抑制内部环流中的2次谐波分量。

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