具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

图1为三相六桥臂模块化多电平换流器的电路拓扑图，由三相六桥臂模块化多电平换流器和阻感性负载组成。换流器分别连接输入侧三相电源和输出侧三相阻感负载，每条桥臂由N个全桥子模块、电感和电阻串联组成。e_su、e_sv、e_sw分别为输入侧U、V、W三相电源电压，i_su、i_sv、i_sw分别为输入侧三相电流，u_x、i_x为桥臂x(x＝1,2,3,4,5,6)电压和桥臂电流，L_s为输入侧电感，R_b、L_b为桥臂电阻和电感，R_l、L_l为输出侧电阻和电感，i_la、i_lb、i_lc为输出侧电流，i_cir为环流，u_no为共模电压，u_cx为桥臂x(x＝1,2,3,4,5,6)子模块电容电压均值，N为桥臂子模块数，C为桥臂子模块电容容值,u_cN为电容电压直流平均值。

每个子模块为全桥结构，包括：大功率可控电力电子开关，一般为绝缘栅型双极晶体管(IGBT)；反并联二极管；子模块直流电容。

如图2所示，是三相六桥臂模块化多电平换流器的整体控制框图，具体包括：通过输出端的电压参考值和电流参考值，计算输入端的电压和电流参考值，再计算得支路电压、电流、导通模块数的参考值；通过状态误差反馈控制求得导通模块数，通过调制算法获得各支路子模块的开关信号，使实际模型与参考模型的误差随时间减小到0.具体包括以下步骤：

(1)根据电路拓扑结构，基于基尔霍夫定律建立数学模型和桥臂子模块电容电压均值方程

基于基尔霍夫定律，数学模型为：

将公式(1)～(6)相加可得：

桥臂子模块电容电压均值表达式为：

式(8)至式(13)中，u_cx为桥臂x子模块电容电压均值；n_x为桥臂x导通模块数，x＝1,2,3,4,5,6；N为桥臂子模块数，每个桥臂子模块的电容容值均为C。

(2)对上述数学模型和桥臂子模块电容电压均值方程进行化简，建立状态空间模型；

整理化简上述方程，可得状态空间表达式：

其中：

x＝[x₁,x₂]^T (15)

x₁＝[i_su,i_sv,i_la,i_lb,i_cir] (16)

x₂＝[u_c1,u_c2,u_c3,u_c4,u_c5,u_c6] (17)

u＝[n₁,n₂,n₃,n₄,n₅,n₆]^T (18)

e＝[e_su,e_sv,e_sw]^T (19)

D₂＝diag[CN CN CN CN CN CN] (21)

(3)计算参考值，包括计算参考状态空间模型的输入侧电流参考值、环流参考值和桥臂导通模块数的参考值

根据输出侧电流参考值(i＝a,b,c)，可得输出侧电压参考值为：

在两相静止坐标系下，输出侧有功功率参考值和无功功率参考值为：

其中，分别为(i＝a,b,c)变换到αβ坐标系下α轴和β轴分量，和分别为(i＝a,b,c)变换到αβ坐标系下α轴和β轴分量，分别为输出侧有功功率和无功功率参考值；

忽略换流器内部损耗，当换流器稳定运行时，输入有功功率与输出有功功率相等，即本文以输出侧单位功率运行进行分析即可得输入侧电流参考值(j＝u,v,w)在αβ坐标系下α轴分量和β轴分量

其中，e_sα，e_sβ分别为e_sj(j＝u,v,w)变换到αβ坐标系下α轴和β轴分量，分别为输入侧有功功率和无功功率参考值；

将进行2/3变换，可得到基于基尔霍夫定律可得，输入侧电压参考值为：

为抵消因两侧系统无功功率因此的相邻支路之间的转移功率，需注入共模电压和环流。共模电压参考值和环流参考值为：

式(32和式(33)中，U_s和I_s为输入侧电压参考值和电流参考值的幅值，U_l和I_l为输入侧电压参考值和电流参考值的幅值；

将输入侧三相电流参考值输出电流参考值环流参考值进行代数运算得到桥臂电流参考值忽略桥臂电阻R_b和电感L_b桥臂电阻和电感上的压降，将输入侧电压参考值输出侧电压参考值两中性点电压差u_no进行代数运算得到桥臂电压参考值x＝1,2,3,4,5,6；

桥臂子模块电容电压均值参考值为：

式(34)中，u_cN为桥臂子模块电容电压直流平均值；

桥臂导通模块数的参考值为：

(4)根据实际状态空间模型和参考状态空间模型得到误差状态空间模型，基于误差状态空间模型设计控制器。

式(14)示出了状态空间模型，如果是实际系统，则为实际状态空间模型，如式(36)。如果其中的参数是理想参数，则可建立参考状态空间模型，如式(37)。

参考状态空间模型：

实际状态空间模型：

所述的参考状态空间模型与实际状态空间模型相减，可得误差状态空间模型：

式(38)中，

令控制量增量：则构成一个闭环系统；其中，K∈R^6×6为控制器增益，是对角矩阵，

如图3所示，为三相六桥臂模块化多电平换流器误差模型结构图，令其中，K∈R^6×6为控制器增益，是对角矩阵；.

图4为三相六桥臂模块化多电平换流器反馈连接图，是一个闭环系统，通过李雅普诺夫理论，可以证明，该系统是一致渐进稳定的，即随着时间t的增大，误差逐渐收敛到0，实际模型趋近参考模型。

首先，选取李雅普诺夫函数：

对李雅普诺夫函数求导可得：

由于A+A^T是负定的，故趋于0；由于系统输入是持续充分激励的，矩阵B的状态变量有充分多的频率，因此可以得到：闭环系统是一致渐进稳定，即随着时间t的增大，系统状态误差收敛到0；

各桥臂导通模块实际值为：

由公式(40)得到各桥臂导通模块数的实际值，选择载波移相调制算法(CarrierPhase-Shifted PWM，CPS-PWM)，最终实现对三相六桥臂模块化多电平换流器进行调制。

为验证所提出控制方法的性能，在matlab中建立了三相六桥臂模块化多电平换流器的仿真模型，主电路参数见表1，仿真结果如图5、图6和图7所示。

表1主电路仿真模型参数

从图5和图6中可以看出，输出侧三相电流和输入侧三相电流正弦度，波形质量好，从图7中可以看出子模块电容电压稳定在初始值附近，因此，本发明提出的控制方法能使系统稳定工作。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。