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一种基于模块化多电平的九 开关变换器及控制方法

阅读：575发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种基于模块化多电平的九开关变换器及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于模块化多电平的九开关变换器及控制方法，基于模块化多电平的九开关变换器由三组并联的支路组成，每组支路由上、中和下三个串联的桥臂组成，每组支路的上桥臂与中桥臂的连接点作为并联侧母线连接端，每组支路的中桥臂与下桥臂的连接点通过串联变压器接入串联侧母线，九开关变换器通过串联侧连接端的三相输出电压指令值对串联侧母线电网进行调制控制，通过并联侧连接端的三相输出电压指令值对并联侧母线电网进行调制控制。本发明技术方案提供了一种基于模块化多电平的九开关变换器拓扑结构及基于九开关变换器的控制方法，有利于提高统一潮流控制器的容量等级，有效改善输出电压电流谐波性能，从而提高输电网络运行的整体价值。，下面是一种基于模块化多电平的九开关变换器及控制方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于模块化多电平的九开关变换器，所述基于模块化多电平的九开关变换器由三组并联的支路组成，其特征在于，每组支路由上、中和下三个串联的桥臂组成；
每组支路的上桥臂与中桥臂的连接点作为并联侧母线连接端；
每组支路的中桥臂与下桥臂的连接点通过串联变压器接入串联侧母线。
2.如权利要求1所述的九开关变换器，其特征在于，所述桥臂由串联的桥臂电抗和阀组组成，所述阀组包含n个串联的子模块。
3.如权利要求2所述的九开关变换器，其特征在于，所述子模块包含子模块电容C、功率模块T1和功率模块T2，所述功率模块T1的阳极连接所述功率模块T2的阴极，所述功率模块T2的阳极通过所述子模块电容C连接所述功率模块T1的阴极，所述功率模块T1的阳极和所述功率模块T2的阴极的连接点为子模块的阳极，所述功率模块T1的阴极和所述模块电容C的连接点为子模块的阴极。
4.如权利要求3所述的九开关变换器，其特征在于，所述功率模块由IGBT模块反并联一个二极管组成，所述功率模块的阳极为所述IGBT模块的集电极，所述功率模块的阴极为所述IGBT模块的发射极。
5.一种基于权利要求1-4任一项所述基于模块化多电平的九开关变换器的控制方法，其特征在于，所述方法包括：
九开关变换器利用串联侧母线电网的三相电压确定串联侧连接端的三相输出电压指令值，并利用所述串联侧连接端的三相输出电压指令值对串联侧母线电网进行调制控制；
或者
九开关变换器利用并联侧母线电网的三相电压确定并联侧连接端的三相输出电压指令值，并利用所述并联侧连接端的三相输出电压指令值对并联侧母线电网进行调制控制。
6.如权利要求5所述的九开关变换器控制方法，其特征在于，所述九开关变换器利用串联侧母线电网的三相电压确定串联侧连接端的三相输出电压指令值，包括：
采集串联侧母线电网的三相电压ura、urb和urc，经过park变换后得到电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq；
利用所述电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq确定电网电流的d轴指令值iLdref和线路电流的q轴指令值iLqref；
将所述电网电流的d轴指令值iLdref和所述线路电流的q轴指令值iLqref分别减去串联侧母线电网电流d轴分量iLd和电网电流q轴分量iLq，并通过dq解耦控制获取电压内环d轴分量指令值usrdref和q轴分量指令值usrqref；
将所述电压内环d轴分量指令值usrdref和所述电压内环q轴分量指令值usrqref分别减去串联变压器电压d轴分量usrd和变压器电压q轴分量usrq，并通过PI比例积分调节器获取电流内环d轴分量指令值i2dref和q轴分量指令值i2qref；
将所述电流内环d轴分量指令值i2dref和q轴分量指令值i2qref分别减去串联侧连接端的输出电流d轴分量i2d和串联侧连接端的输出电流q轴分量i2q，并通过dq解耦控制获取串联侧连接端的三相输出电压指令值d轴分量u2dref和串联侧三相输出电压指令值q轴分量u2qref；
将所述串联侧连接端的三相输出电压指令值d轴分量u2dref和所述串联侧三相输出电压指令值q轴分量u2qref通过反park变换获取串联侧连接端的三相输出电压指令值u2aref、u2bref和u2cref。
7.如权利要求6所述的九开关变换器控制方法，其特征在于，利用所述电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq，通过下式确定电网电流的d轴指令值iLdref和线路电流的q轴指令值iLqref：
上式中，Pref为有功指令值、Qref为无功指令值。
8.如权利要求5所述的九开关变换器控制方法，其特征在于，所述九开关变换器利用并联侧侧母线电网的三相电压确定并联侧连接端的三相输出电压指令值，包括：
采集并联侧母线电网的三相电压usa、usb和usc，经过park变换后得到电网送端电压d轴分量usd和q轴分量usq；
将直流侧电压指令值Udcref减去直流侧电压采样值Udc，并通过PI比例积分调节器获取并联侧连接端的输出电流d轴分量指令值i1dref；
将无功分量Q减去无功指令值Qref，并通过PI比例积分调节器获取的值加上无功分量Q乘以的积，确定为并联侧连接端的输出电流q轴分量指令值i1qref；
将所述并联侧输出电流d轴分量指令值i1dref和所述并联侧输出电流q轴分量指令值i1qref分别减去并联侧输出电流d轴分量id和并联侧输出电流q轴分量iq，并通过dq解耦控制获取并联侧三相输出电压指令值d轴分量u1dref和并联侧三相输出电压指令值q轴分量u1qref；
将所述并联侧三相输出电压指令值d轴分量u1dref和所述并联侧三相输出电压指令值q轴分量u1qref通过反park变换获取并联侧连接端三相输出电压指令值u1aref、u1bref、u1cref。

说明书全文

一种基于模块化多电平的九 开关变换器及控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及交直流混合输配电网中关键装备的实现和控制方法技术领域，具体涉及一种基于模块化多电平的九开关变换器及控制方法。

背景技术

[0002] 柔性交流输电系统(FACTS)是应用于交流输电系统的电力电子装置，具备对电压电流的可控性，当装置与系统并联时可对系统电压和无功功率进行控制，当装置与系统串联时可对电流和潮流进行控制。FACTS通过增加输电网络的传输容量，从而提高输电网络的价值，FACTS控制装置动作速度快，因而能够扩大输电网络的安全运行区域。

[0003] 电力电子装置FACTS最早用于直流输电系统中并实现了对输送功率的快速控制，由此人们想在交流系统中加装FACTS，寻求对潮流的可控，以获得最大的安全裕度和最小的输电成本，静止无功补偿器(SVC)、静止同步补偿器(STATCOM)、晶闸管投切串联电容器(TCSC)和统一潮流控制器(UPFC)都是基于FACTS技术的产品。

[0004] 随着电力系统规模日益扩大，对于接入的FACTS装置的容量和可靠性都提出越来越高的要求。统一潮流控制器(UPFC)作为一种功能强大，调节系统潮流最为灵活的FACTS装备，得到了广泛的研究。传统的九开关变换器是传统三相背靠背变换器的衍生结构，通过复用的方式将12个开关元件简化为9个。但是由于器件耐压通流水平的约束，UPFC容量有限，不能有效改善输出电压电流的谐波性能。

发明内容

[0005] 为了解决UPFC容量有限以致不能有效调节电网输出电压电流谐波性能的问题，本发明提供一种基于模块化多电平的九开关变换器及控制方法。通过本方法，提出基于模块化多电平的九开关变换器拓扑结构，并基于九开关变换器拓扑结构提出九开关变换器对串联侧母线电网和并联侧母线电网的调制控制方法，使九开关变换器具有很强的扩展性和灵活性，并在实现高电压、大功率变换的同时，不影响开关频率，有效改善输出电压电流的谐波性能。

[0006] 本发明提供的一种基于模块化多电平的九开关变换器，其改进之处在于，包括：

[0007] 所述基于模块化多电平的九开关变换器由三组并联的支路组成，每组支路由上、中和下三个串联的桥臂组成；

[0008] 每组支路的上桥臂与中桥臂的连接点作为并联侧母线连接端；

[0009] 每组支路的中桥臂与下桥臂的连接点通过串联变压器接入串联侧母线。

[0010] 优选的，所述桥臂由串联的桥臂电抗和阀组组成，所述阀组包含n个串联的子模块。

[0011] 进一步的，所述子模块包含子模块电容C、功率模块T1和功率模块T2，所述功率模块T1的阳极连接所述功率模块T2的阴极，所述功率模块T2的阳极通过所述子模块电容C连接所述功率模块T1的阴极，所述功率模块T1的阳极和所述功率模块T2的阴极的连接点为子模块的阳极，所述功率模块T1的阴极和所述模块电容C的连接点为子模块的阴极。

[0012] 进一步的，所述功率模块由IGBT模块反并联一个二极管组成，所述功率模块的阳极为所述IGBT模块的集电极，所述功率模块的阴极为所述IGBT模块的发射极。

[0013] 一种基于模块化多电平的九开关变换器控制方法，其改进之处在于，包括：

[0014] 九开关变换器利用串联侧母线电网的三相电压确定串联侧连接端的三相输出电压指令值，并利用所述串联侧连接端的三相输出电压指令值对串联侧母线电网进行调制控制；或者

[0015] 九开关变换器利用并联侧母线电网的三相电压确定并联侧连接端的三相输出电压指令值，并利用所述并联侧连接端的三相输出电压指令值对并联侧母线电网进行调制控制。

[0016] 优选的，所述九开关变换器利用串联侧母线电网的三相电压确定串联侧连接端的三相输出电压指令值，包括：

[0017] 采集串联侧母线电网的三相电压ura、urb和urc，经过park变换后得到电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq；

[0018] 利用所述电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq确定电网电流的d轴指令值iLdref和线路电流的q轴指令值iLqref；

[0019] 将所述电网电流的d轴指令值iLdref和所述线路电流的q轴指令值iLqref分别减去串联侧母线电网电流d轴分量iLd和电网电流q轴分量iLq，并通过dq解耦控制获取电压内环d轴分量指令值usrdref和q轴分量指令值usrqref；

[0020] 将所述电压内环d轴分量指令值usrdref和所述电压内环q轴分量指令值usrqref分别减去串联变压器电压d轴分量usrd和变压器电压q轴分量usrq，并通过PI比例积分调节器获取电流内环d轴分量指令值i2dref和q轴分量指令值i2qref；

[0021] 将所述电流内环d轴分量指令值i2dref和q轴分量指令值i2qref分别减去串联侧连接端的输出电流d轴分量i2d和串联侧连接端的输出电流q轴分量i2q，并通过dq解耦控制获取串联侧连接端的三相输出电压指令值d轴分量u2dref和串联侧三相输出电压指令值q轴分量u2qref；

[0022] 将所述串联侧连接端的三相输出电压指令值d轴分量u2dref和所述串联侧三相输出电压指令值q轴分量u2qref通过反park变换获取串联侧连接端的三相输出电压指令值u2aref、u2bref和u2cref。

[0023] 进一步的，利用所述电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq，通过下式确定电网电流的d轴指令值iLdref和线路电流的q轴指令值iLqref：

[0024]

[0025]

[0026] 上式中，Pref为有功指令值、Qref为无功指令值。

[0027] 优选的，所述九开关变换器利用并联侧侧母线电网的三相电压确定并联侧连接端的三相输出电压指令值，包括：

[0028] 采集并联侧母线电网的三相电压usa、usb和usc，经过park变换后得到电网送端电压d轴分量usd和q轴分量usq；

[0029] 将直流侧电压指令值Udcref减去直流侧电压采样值Udc，并通过PI比例积分调节器获取并联侧连接端的输出电流d轴分量指令值i1dref；

[0030] 将无功分量Q减去无功指令值Qref，并通过PI比例积分调节器获取的值加上无功分量Q乘以的积，确定为并联侧连接端的输出电流q轴分量指令值i1qref；

[0031] 将所述并联侧输出电流d轴分量指令值i1dref和所述并联侧输出电流q轴分量指令值i1qref分别减去并联侧输出电流d轴分量id和并联侧输出电流q轴分量iq，并通过dq解耦控制获取并联侧三相输出电压指令值d轴分量u1dref和并联侧三相输出电压指令值q轴分量u1qref；

[0032] 将所述并联侧三相输出电压指令值d轴分量u1dref和所述并联侧三相输出电压指令值q轴分量u1qref通过反park变换获取并联侧连接端三相输出电压指令值u1aref、u1bref、u1cref。

[0033] 与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：

[0034] 本发明提供了一种基于模块化多电平的九开关变换器及控制方法，提出基于模块化多电平的九开关变换器拓扑结构，并基于九开关变换器拓扑结构提出九开关变换器对串联侧母线电网和并联侧母线电网的调制控制方法。与传统的九开关变换器相比，基于模块化多电平的九开关变换器各功率单元结构相同，可以互换，便于设计和维修，具有很强的扩展性和灵活性。同时，基于模块化多电平的九开关变换器能够在高电压、大功率的场合下，不影响开关频率，有效改善母线电网输出电压电流的谐波性能。附图说明

[0035] 图1是本发明提供的基于模块化多电平的九开关变换器拓扑图；

[0036] 图2是本发明实施例中基于模块化多电平的九开关变换器在UPFC中的应用示意图；

[0037] 图3是UPFC串联侧控制流程图；

[0038] 图4是UPFC并联侧控制流程图。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

[0040] 实施例一

[0041] 本发明实施例提供一种基于模块化多电平的九开关变换器，如图1所示，包括：

[0042] 所述基于模块化多电平的九开关变换器由三组并联的支路组成，其特征在于，每组支路由上、中和下三个串联的桥臂组成；

[0043] 每组支路的上桥臂与中桥臂的连接点作为并联侧母线连接端；

[0044] 每组支路的中桥臂与下桥臂的连接点通过串联变压器接入串联侧母线。

[0045] 具体的，所述桥臂由串联的桥臂电抗和阀组组成，所述阀组包含n个串联的子模块。

[0046] 所述子模块包含子模块电容C、功率模块T1和功率模块T2，上述功率模块T1的阳极连接上述功率模块T2的阴极，上述功率模块T2的阳极通过上述模块电容C连接上述功率模块T1的阴极，上述功率模块T1的阳极和上述功率模块T2的阴极的连接点为子模块的阳极，上述功率模块T1的阴极和上述模块电容C的连接点为子模块的阴极。

[0047] 上述功率模块均为IGBT模块，上述功率模块的阳极为IGBT模块的集电极，上述功率模块的阴极为IGBT模块的发射极；上述IGBT模块均反并联一个二极管。

[0048] 实施例二

[0049] 本发明实施例提供一种基于模块化多电平的九开关变换器控制方法，其在UPFC中的应用如图2所示，包括：

[0050] 基于模块化多电平的九开关变换器利用串联侧母线电网的三相电压确定串联侧连接端的三相输出电压指令值，并利用所述串联侧连接端的三相输出电压指令值对串联侧母线电网进行调制控制；或者

[0051] 九开关变换器利用并联侧母线电网的三相电压确定并联侧连接端的三相输出电压指令值，并利用所述并联侧连接端的三相输出电压指令值对并联侧母线电网进行调制控制。

[0052] 具体的，九开关变换器利用串联侧母线电网的三相电压确定串联侧连接端的三相输出电压指令值，其控制流程如图3所示，包括：

[0053] a.采集串联侧母线电网的三相电压ura、urb和urc，经过park变换后得到电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq；

[0054] b.利用所述电网受端电压d轴分量urd和q轴分量urq确定电网电流的d轴指令值iLdref和线路电流的q轴指令值iLqref，计算公式如下：

[0055]

[0056]

[0057] 上式中，Pref为有功指令值、Qref为无功指令值；

[0058] c.将所述电网电流的d轴指令值iLdref和所述线路电流的q轴指令值iLqref分别减去串联侧母线电网电流d轴分量iLd和电网电流q轴分量iLq，并通过dq解耦控制获取电压内环d轴分量指令值usrdref和q轴分量指令值usrqref；

[0059] d.将所述电压内环d轴分量指令值usrdref和所述电压内环q轴分量指令值usrqref分别减去串联变压器电压d轴分量usrd和变压器电压q轴分量usrq，并通过PI比例积分调节器获取电流内环d轴分量指令值i2dref和q轴分量指令值i2qref；

[0060] e.将所述电流内环d轴分量指令值i2dref和q轴分量指令值i2qref分别减去串联侧连接端的输出电流d轴分量i2d和串联侧连接端的输出电流q轴分量i2q，并通过dq解耦控制获取串联侧连接端的三相输出电压指令值d轴分量u2dref和串联侧三相输出电压指令值q轴分量u2qref；

[0061] f.将所述串联侧连接端的三相输出电压指令值d轴分量u2dref和所述串联侧三相输出电压指令值q轴分量u2qref通过反park变换获取串联侧连接端的三相输出电压指令值u2aref、u2bref和u2cref。

[0062] 具体的，九开关变换器利用并联侧侧母线电网的三相电压确定并联侧连接端的三相输出电压指令值，其控制流程如图4所示，包括：

[0063] g.采集并联侧母线电网的三相电压usa、usb和usc，经过park变换后得到电网送端电压d轴分量usd和q轴分量usq；

[0064] h.将直流侧电压指令值Udcref减去直流侧电压采样值Udc，并通过PI比例积分调节器获取并联侧连接端的输出电流d轴分量指令值i1dref；

[0065] i.将无功分量Q减去无功指令值Qref，并通过PI比例积分调节器获取的值加上无功分量Q乘以的积，确定为并联侧连接端的输出电流q轴分量指令值i1qref；

[0066] j.将所述并联侧输出电流d轴分量指令值i1dref和所述并联侧输出电流q轴分量指令值i1qref分别减去并联侧输出电流d轴分量id和并联侧输出电流q轴分量iq，并通过dq解耦控制获取并联侧三相输出电压指令值d轴分量u1dref和并联侧三相输出电压指令值q轴分量u1qref；

[0067] k.将所述并联侧三相输出电压指令值d轴分量u1dref和所述并联侧三相输出电压指令值q轴分量u1qref通过反park变换获取并联侧连接端三相输出电压指令值u1aref、u1bref、u1cref。

[0068] 本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

[0069] 本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0070] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0071] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0072] 以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

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