一种基于不平衡功率的九边形MMC功率优化方法

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法。

背景技术：

1、风电作为一种清洁能源，尤其是海上风电的开发，使得如何实现海上风电的输送和并网成为研究热点。分频输电(fractional frequency transmission system，ffts)作为一种新型海上风电输送方式，具有传输距离远、运维成本低、易于海上组网的优势，有助于风电场向深远海发展。变频器是分频输电系统的核心装置之一，实现交流电从低频转为工频是一个非常关键的环节，因此，研究应用于分频输电系统的变频器拓扑对海上风电的发展具有重要意义。

2、在ffts场景中，当有多条传输线要与电网连接时，转换器必须配备ac-ac多端口变换器。传统的多端口变换器通常是由多个单输入单输出的变换器通过串联或者并联的方式共用交流或直流母线集成，目前这种变换器集成技术成熟，在一定程度上提高了效率，增加了系统的紧凑性，减少了经济成本。但为了进一步的提高效率、降低成本和增加紧凑性，目前有学者提出三端口九边形模块化多电平变换器(mmc)，此拓扑结构使用九个桥臂直接实现了三个交流端口的能量变换，且不需要高压直流母线，九边形mmc具有高紧凑性、低频性能好的优点，可应用于高压大功率场合。

3、然而，由于九边形mmc特殊的环形结构，每一个桥臂需要参与所有端口功率的传输，这带来了桥臂功率不平衡问题。为了实现功率平衡，需要注入中性点电压un1、un2和icir环流抵消不平衡功率，而注入的环流增加了桥臂的电压和电流应力的功率损耗，降低了变换器运行经济性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，降低变换器的不平衡功率。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，包括：

4、步骤1：获取交流电网、低频系统1和低频系统2三个系统的相电流信号和相电压信号，其中交流电网端口电压为ux、uy、uz，电流为ix、iy、iz；低频系统1端口电压为ur、us、ut，电流为ir、is、it；低频系统2端口电压为uu、uv、uw，端口电流为iu、iv、iw。

5、步骤2：根据获取的系统相电流信号，在九边形mmc等效电路模型的基础上，结合基尔霍夫电流定律得到九边形mmc九条桥臂的初始电流i11、i12、i13、i21、i22、i23、i31、i32、i33；其中，isr、its、irt、iuw、ivu、iwv、izy、ixz、iyx分别为九边形mmc对应端口的等效线电流。

6、i11＝isr+iuw+izy

7、i12＝isr+ivu+izy

8、i13＝isr+ivu+ixz

9、i21＝its+ivu+ixz

10、i22＝its+iwv+ixz

11、i23＝its+iwv+iyx

12、i31＝irt+iwv+iyx

13、i32＝irt+iuw+iyx

14、i33＝irt+iuw+izy

15、步骤3：根据获取的系统相电压信号，结合基尔霍夫电压定律得到九边形mmc各桥臂的初始电压；

16、u11＝ur-uu

17、u12＝uu-uz

18、u13＝uz-us

19、u21＝us-uv

20、u22＝uv-ux

21、u23＝ux-ut

22、u31＝ut-uw

23、u32＝uw-uy

24、u33＝uy-ur

25、步骤4：根据步骤2得到的九边形mmc九条桥臂的初始电流和步骤3得到的九边形mmc九条桥臂的初始桥臂电压，推导得到各桥臂功率表达式；九边形mmc共九条桥臂，其中每组桥臂的功率相同，以第一组桥臂中的桥臂b11的功率为例：

26、桥臂b11的电压电流表达式分别为

27、

28、桥臂b11功率为：

29、

30、由于ω2＝ω3，可得桥臂b11的不平衡功率为：

31、

32、其中

33、

34、由于九边形mmc各桥臂不平衡功率不完全相同，故选择所有桥臂不平衡功率之和作为九边形mmc不平衡功率，即

35、

36、已知：

37、u1＝u2＝u3

38、且有：

39、

40、九边形mmc的不平衡功率可以表示为：

41、

42、步骤5：基于所述各桥臂功率表达式，得到九边形mmc不平衡功率与同频端口相角差的关系，并通过所述关系选择使九边形mmc不平衡功率最小时对应的相角差。

43、进一步地，所述桥臂功率表达式是由三端口九边形mmc拓扑结构推导而出的。

44、进一步地，所述九边形mmc不平衡功率是通过对各桥臂的功率常量进行求和得到的。

45、进一步地，所述三端口九边形mmc拓扑结构是由九条桥臂依次首尾相连组成为环状结构，九边形的九个顶点按顺时针方向依次r、u、z、s、v、x、t、w、y，对称的引出3个三相交流端口。

46、进一步地，所述3个三相交流端口具体为：端口xyz为第一交流端口，rst为第二交流端口，uvw为第三交流端口。

47、进一步地，所述3个三相交流端口的电压比设置为1:1:1。

48、进一步地，所述第一交流端口接入50hz工频交流电网，所述第二交流端口接入50/3hz低频系统1，所述第三交流端口接入50/3hz低频系统2。

49、本发明的技术效果：

50、本发明推导了九边形mmc桥臂功率和不平衡功率的表达式，分析得到九边形mmc不平衡功率影响因素，并得到可实现九边形mmc不平衡功率最低的参数优化方法，降低了九边形mmc功率平衡控制带来的功率损耗，提高了拓扑的经济性，增强了九边形mmc应用于海上风电分频输电系统的竞争力。

技术特征：

1.一种基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，所述桥臂功率表达式是由三端口九边形mmc拓扑结构推导而出的。

3.根据权利要求1所述的基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，所述九边形mmc不平衡功率是通过对各桥臂的功率常量进行求和得到的。

4.根据权利要求2所述的基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，所述三端口九边形mmc拓扑结构是由九条桥臂依次首尾相连组成为环状结构，九边形的九个顶点按顺时针方向依次r、u、z、s、v、x、t、w、y，对称的引出3个三相交流端口。

5.根据权利要求4所述的基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，所述3个三相交流端口具体为：端口xyz为第一交流端口，rst为第二交流端口，uvw为第三交流端口。

6.根据权利要求5所述的基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，所述3个三相交流端口的电压比设置为1:1:1。

7.根据权利要求5所述的基于不平衡功率的九边形mmc功率优化方法，其特征在于，所述第一交流端口接入50hz工频交流电网，所述第二交流端口接入50/3hz低频系统1，所述第三交流端口接入50/3hz低频系统2。

技术总结本发明提供一种基于不平衡功率的九边形MMC功率优化方法，推导了九边形MMC桥臂功率成分表达式；推导了九边形MMC不平衡功率表达式；分析得到九边形MMC各桥臂不平衡功率的影响因素及其影响规律，并得到可实现九边形MMC不平衡功率最优的参数优化方法。本发明通过参数优化实现九边形MMC各桥臂的平均不平衡功率最低，降低了各桥臂器件应力，从而降低了变换器导通损耗，增强了九边形MMC应用于海上风电分频输电系统的竞争力。技术研发人员：刘文君,秦志文,王要强,徐必城,王怡苗,陈根旭受保护的技术使用者：郑州大学技术研发日：技术公布日：2024/7/29