[发明专利]三相三线制模块化多电平变流器稳态谐波计算方法

说明书

本发明公开了一种三相三线制模块化多电平变流器稳态谐波计算方法，忽略MMC子模块开关动作的高频分量，仅考虑低频分量，获得MMC的平均电路模型。根据三相电流动态方程及三相三线制MMC三相电流之和为0的条件，推导交直流侧中性点电压差表达式，根据基尔霍夫电压及电流定理，列写稳态分析所需的12条时域方程，并用矩阵形式表示，依据谐波平衡准则及广义平均方法，将时域表达式转换至频域，计算得到MMC内部电流电压的稳态谐波大小，用于控制器设计以及系统性能分析。本发明考虑了交直流侧中性点电压差的完整表达式，不管交流侧电路平衡或非平衡、桥臂参数对称或非对称，所提供的模型都能准确分析MMC在稳态情况下的谐波特性。

技术领域

本发明属于电力电子功率变流器技术领域，涉及一种三相三线制模块化多电平变流器的稳态谐波计算方法。

背景技术

2001年，德国慕尼黑联邦国防军大学的Marquardt教授提出了一种新型的模块化多电平变流器(Modular multilevel Converter，MMC)。MMC采用桥臂级联子模块的方式拓展应用电压和功率等级，相比于传统的低电平变流器，MMC具有模块化、可扩展、高可靠性和高输出波形质量等优点。近年来MMC已被广泛应用于高压直流输电、中压电机驱动、无功补偿、储能等中高压电能变换领域。

虽然MMC有诸多优点，但是MMC的桥臂子模块数众多，导致它具有复杂的稳态谐波特性。稳态波形分析是MMC电路设计、控制器设计及系统性能分析的基础。在电路设计阶段，器件的电压电流等级由稳态波形的幅值决定；在控制器设计阶段，需要首先获知稳态工作点，再在工作点上进行小信号线性化，指导控制器参数设计；稳态谐波分析能够让研究人员进一步了解MMC在不同工况下的工作特性，从而优化系统整体设计。

MMC连接结构主要有三相四线制及三相三线制两种。三相四线制结构，直流侧和交流侧中性点直接相连，两点电压差为0；三相三线制结构，交直流侧中性点不直接相连，两中性点间存在电压差。相对于三相四线制结构，三相三线制MMC在实际工程中应用更为广泛。现有MMC的稳态分析模型主要有三类：第一类模型的分析对象是三相四线制MMC；第二类分析模型的分析对象是三相三线制MMC，但在分析过程中直接忽略了交直流侧中性点电压差；第三类模型的分析对象是三相三线制MMC，并考虑了交直流侧中性点电压差。现有的第一类及第二类模型无法准确反映三相三线制MMC的内部谐波特性，第三类模型虽然可以提供准确的分析方法，但是仅仅适用于交流侧平衡且桥臂参数对称的情况，当出现交流侧非平衡且桥臂参数非对称的情况，现有的第三类模型会造成较大的分析误差。

发明内容

本发明提供了一种三相三线制模块化多电平变流器稳态谐波计算方法，可以准确分析模块化多电平变流器在交流侧平衡及非平衡、桥臂参数对称及非对称所有情况下的稳态谐波特性。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

第一步：忽略MMC子模块开关动作的高频分量，仅考虑低频分量，获得MMC的平均电路模型。

第二步：根据三相电流动态方程及三相三线制MMC三相电流之和为0的条件，推导交直流侧中性点电压差表达式为：

其中u_nn′为交直流侧中性点电压差；j代表相，j＝a，b，c；u代表上桥臂，l代表下桥臂；L为桥臂电感，R为桥臂电阻；u_o为交流侧电压，U_dc为直流侧电压；m为桥臂调制函数；为桥臂子模块电容电压之和。

第三步：根据基尔霍夫电压及电流定理，列写稳态分析所需的12条时域方程，并用矩阵形式表示如下：

其中x^*(t)及x(t)为未知量矩阵，A(t)及B(t)为系数矩阵，u(t)为输入矩阵。

第四步：依据谐波平衡准则及广义平均方法，将时域表达式转换至频域：