基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法

权利要求书： 1.一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法，其特征在于所述的基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统由直驱式永磁同步发电机和HMMC组成；

直驱式永磁同步发电机的转子与风力机同轴连接，定子有3个绕组，依次记为R、S、T三相；

所述的HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成一个六边形结构，HMMC的每个桥臂由N+2个全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；N+2个全桥子模块依次记为：SMx_1，SMx_2，…SMx_N，辅助子模块1，辅助子模块2，其中SMx_1，SMx_2，…SMx_N称为主子模块，桥臂电感记为Lx；下标x＝

1，2，…6，表示第x个桥臂；每个子模块由4个IGBT管T1、T2、T3、T4和1个电容C构成；T1的发射极与T2的集电极相连并构成子模块的正端，T3的发射极与T4的集电极相连并构成子模块的负端；T1的集电极与T3的集电极相连并构成子模块的正极，T2的发射极与T4的发射极相连并构成子模块的负极；电容C的正极与T1的集电极相连，电容C的负极与T2的发射极相连；直驱式永磁同步发电机的R、S、T三相和电网的U、、W三相交替连接到变流器的六个顶点上；将与R相和U相直接连接的桥臂记为桥臂1，将与U相和S相直接连接的桥臂记为桥臂2，将与S相和W相直接连接的桥臂记为桥臂3，将与W相和T相直接连接的桥臂记为桥臂4，将与T相和相直接连接的桥臂记为桥臂5，将与相和R相直接连接的桥臂记为桥臂6；

所述的一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法由风机MPPT控制、能量平衡控制、桥臂电流跟踪控制组成；

所述的风机MPPT控制由如下步骤组成：

(1)检测当前风速v，通过查询风机的数据手册可以得到叶片半径R和风速v对应的最佳叶尖速比λopt，根据v、R、λopt计算得到电机转速参考值ωref：ωref＝λopt×v/R

(2)取机侧d轴电流参考值imd_ref＝0；检测电机实际转速ω，将ωref与ω作差，将差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出得到机侧q轴电流参考值imq_ref：imq_ref＝(ωref?ω)×(Kp1+Ki1×(1/s))其中1/s是积分因子，Kp1和Ki1是第一PI调节器的比例系数和积分系数；

(3)将imd_ref、imq_ref进行dq/abc变换得到机侧三相电流参考值：imr_ref、ims_ref、imt_ref；

所述的能量平衡控制由如下步骤组成：

(1)根据下式计算HMMC子模块电容电压参考值UC0_ref：UC0_ref＝(N×UC_ref+UC1_ref+UC2_ref)/(N+2)其中UC_ref为每桥臂N个主子模块的电容电压额定值，UC1_ref为辅助子模块1的电容电压额定值，UC2_ref为辅助子模块2的电容电压额定值；

(2)取网侧q轴电流参考值igq_ref＝0，通过电压互感器测量得到所有子模块的电容电压，计算所有子模块的电容电压平均值UC_av，将UC0_ref与UC_av作差，将差值送入第二PI调节器，第二PI调节器输出得到网侧d轴电流参考值igd_ref：igd_ref＝(UC0_ref?UC_av)×(Kp2+Ki2×(1/s))其中Kp2和Ki2是第二PI调节器的比例系数和积分系数；

(3)将igd_ref、igq_ref进行dq/abc变换得到网侧三相电流参考值：igu_ref、igv_ref、igw_ref；

(4)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算奇数桥臂和偶数桥臂上子模块的电容电压平均值UC1,3,5_av、UC2,4,6_av，将UC1,3,5_av与UC2,4,6_av作差，将差值送入第三PI调节器，第三PI调节器输出得到环流直流分量参考值icir1_ref：icir1_ref＝(UC1,3,5_av?UC2,4,6_av)×(Kp3+Ki3×(1/s))其中Kp3和Ki3是第三PI调节器的比例系数和积分系数；

(5)计算得到中性点电压参考值vst_ref：vst_ref＝(Um×Ug)/(sqrt(2/3)×SHMMC)×icir1_ref其中sqrt()表示开平方函数，Um、Ug分别为机侧、网侧线电压的额定值，SHMMC为HMMC额定容量；

(6)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算6个桥臂子模块的电容电压平均值UCx_av，分别将UC1_av与UC6_av、UC3_av与UC2_av、UC5_av与UC4_av作差，将差值分别送入第一比例调节器，然后按下式计算得到环流低频分量参考值icir2_ref：icir2_ref＝Kp4×[(UC1_av?UC6_av)×sin(θm)+(UC3_av?UC2_av)×sin(θm?2π/3)+(UC5_av?UC4_av)×sin(θm+2π/3)]

其中Kp4是第一比例调节器的比例系数，θm通过对机侧线电压锁相得到；

(7)分别将UC4_av与UC3_av、UC6_av与UC5_av、UC2_av与UC1_av作差，将差值分别送入第二比例调节器，然后按下式计算得到环流工频分量参考值icir3_ref：icir3_ref＝Kp5×[(UC4_av?UC3_av)×sin(θg)+(UC6_av?UC5_av)×sin(θg?2π/3)+(UC2_av?UC1_av)×sin(θg+2π/3)]

其中Kp5是第二比例调节器的比例系数；θg通过对网侧线电压锁相得到；

所述的桥臂电流跟踪控制由如下步骤组成：

(1)测量得到各桥臂的电流值ix；将ix经带通滤波器1和带通滤波器2分别提取桥臂x电流低频分量iLx、工频分量iHx；带通滤波器1中心频率为ω×np/2πHz，带宽为5Hz；带通滤波器

2中心频率为50Hz，带宽为5Hz；

(2)通过下式计算得到各桥臂电流低频分量参考值iLx_ref、工频分量参考值iHx_ref：iL1_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_refiH1_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_refiL2_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_refiH2_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_refiL3_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_refiH3_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_refiL4_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_refiH4_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_refiL5_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_refiH5_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_refiL6_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_refiH6_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_ref(3)将iLx_ref与iLx作差，将差值送入第一准PR调节器，第一准PR调节器输出得到桥臂x的机侧参考电压vLx_ref；将iHx_ref与iHx作差，将差值送入第二准PR调节器，第二准PR调节器输出得到桥臂x的网侧参考电压vHx：

2 2

vLx_ref＝(iLx_ref?iLx)×(Kp6+Ksc1×s/(s+2×ωsc1×s+(ω×np)))

2 2

vHx＝(iHx_ref–iHx)×(Kp7+Ksc2×s/(s+2×ωsc2×s+(100π)))其中Kp6和Ksc1分别是第一准PR调节器的比例系数和谐振系数，Kp7和Ksc2分别是第二准PR调节器的比例系数和谐振系数；ωsc1和ωsc2分别是第一、二准PR调节器的截止角频率；np为直驱式永磁同步发电机的极对数，通过查询直驱式永磁同步发电机铭牌参数获得；

(4)桥臂x电流的剩余分量为：

iSx＝ix?iLx?iHx；

将icir1_ref与iSx作差，将差值送入第四PI调节器，第四PI调节器输出得到桥臂x的微调参考分量vSx_ref：

vSx_ref＝(icir1_ref–iSx)×(Kp8+Ki4×(1/s))其中Kp8和Ki4是第四PI调节器的比例系数和积分系数；

(5)将步骤3得到的vLx_ref代入下式计算得到Nx1：Nx1＝fix(vLx_ref/UC_ref)其中fix()为向零取整函数；

(6)将Nx1代入下式计算得到vLx_ref/UC_ref的小数部分mx：mx＝vLx_ref/UC_ref?Nx1(7)由测量得到桥臂x辅助子模块1的电容电压值Uax1，将Uax1和UC1_ref分别接入第一滞环比较器的正向、反向输入端，第一滞环比较器的环宽为δ1；当Uax1?UC1_ref>δ1，第一滞环比较器输出为1；当Uax1?UC1_ref<?δ1，第一滞环比较器输出为?1；辅助子模块2控制方法相同，第二滞环比较器的环宽为δ2；

(8)当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且0

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝1；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且7/8

(9)当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且0

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝1；

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8

当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且7/8

(10)当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1/8

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝?1；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1和2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝?1；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1

(11)当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1/8

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝?1；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝?1；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1和2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1

(12)将vHx、vSx_ref、vst_ref带入下式计算得到Nx3：x

Nx3＝round(vHx+vSx_ref+(?1) ×vst_ref)/UC_ref)其中round()为四舍五入取整函数；

(13)计算需要投入的主子模块总数Nx＝Nx1+Nx2+Nx3，采用NLM调制策略选择桥臂x上的Nx个主子模块投入，即当Nx≥0时，控制这些主子模块的T1和T4导通，T2和T3关断，当Nx<0时，控制这些主子模块的T2和T3导通，T1和T4关断；并切除剩下的主子模块，即控制剩下主子模块的T2、T4导通，T1、T3关断。

2.根据权利要求1所述的一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法，其特征在于每个桥臂主子模块个数N为12，机侧线电压额定值Um为3.3k，网侧线电压额定值Ug为35k，HMMC额定容量SHMMC为5MW，子模块电容C大小为20mF，主子模块电容电压额定值UC_ref为3000，辅助子模块1电容电压额定值UC1_ref为1500，辅助子模块2电容电压额定值UC2_ref为750，桥臂电感Lx为10mH，直驱式永磁同步发电机极对数np为54，控制周期T为0.0002s；

Kp1＝150、Ki1＝150000；Kp2＝70000、Ki2＝500000；Kp3＝1、Ki3＝12；Kp4＝6；Kp5＝6；Kp6＝100、Ksc1＝1、ωsc1＝5rad/s；Kp7＝100、Ksc2＝1、ωsc2＝5rad/s；Kp8＝6、Ki4＝50；δ1＝30；δ2＝15。

说明书： 一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法技术领域[0001] 本发明属于电力电子变流领域，特别涉及一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法。

背景技术[0002] 在全球化石能源日益紧缺的情况下，探索一条清洁、可持续发展的新能源道路是人类的共同目标。在可再生能源的开发利用中，世界风力资源储存总量巨大，作为一种清洁

能源，可循环利用，风力发电已成为最具大规模开发和商业化发展前景的利用方式之一。

[0003] 传统风力发电系统中，变流器多采用交直交的拓扑结构，风能经两级变换，效率较低，并且变流器输出电压还需经变压器升压来实现并网，升压变压器的使用使得风电系统

的体积和成本大幅增加，因此有必要设计一种无需变压器即可实现高效并网的风力发电系

统。

[0004] 一种中压大功率风电机组变流系统中，风力发电机经过两个背靠背模块化多电平变流器后直接接入中压交流电网。但由于风机的低转速特性，低频工况时存在子模块电压

波动剧烈的问题。

发明内容[0005] 针对背景技术所述的缺陷和不足，本发明提出了一种基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统变流器控制方法，具有低频特性好、子模块电容电压波动小、无变压器并网、有效

抑制机侧低压信号被网侧高压信号湮没的优势。

[0006] 本发明所提供的技术方案如下：[0007] (1)系统风力机对风能进行捕获，拖动同轴连接的直驱式永磁同步发电机发出电能经由HMMC直接AC/AC并入交流电网；HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成六边形结构，每个

桥臂由N+2个相同的全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；直驱式永磁同步发电机的R、S、

T三相和电网的U、、W三相交替连接到HMMC的六个顶点上；

[0008] (2)风机侧采用最大功率追踪控制得到机侧三相电流参考值；通过控制HMMC所有子模块电容电压的稳定得到网侧三相电流参考值；对奇偶桥臂能量平衡控制得到环流直流

分量参考值和中性点电压分量；通过控制变流器六个桥臂之间能量平衡得到环流低频分量

和工频分量参考值；对机侧、网侧电流参考值进行叠加得到各桥臂电流低频、工频分量参考

值，通过对桥臂电流跟踪控制可以得到各桥臂机侧和网侧参考电压。对辅助子模块的电压

进行检测，采用滞环的方式将辅助子模块的电压波动限定在一定范围内，根据辅助子模块

电压的大小、机侧参考电压正负号和电流流向，对辅助子模块的开关信号进行控制；计算需

要投入的主子模块总数并使用NLM调制得到主子模块的开关信号。

[0009] 本发明的有益效果是：1)风机本身运行在低频工况下，本发明利用HMMC将低频风机与工频电网直接耦合相连，使得桥臂子模块上的电流既包含机侧低频分量，也包含网侧

工频分量，加快了子模块电容的冲放电，降低了子模块电容电压纹波，使得系统具有更好的

低频特性；2)机侧低电压和网侧高电压通过桥臂直接耦合，在进行HMMC调制时，低电压信号

容易被高电压信号湮没，本发明在每个桥臂中增加两个辅助子模块，该辅助子模块仅用于

还原机侧低电压信号，不参与网侧高电压信号的调制，可有效抑制低压侧信号被高压侧信

号湮没；3)HMMC采用一级交交变换将风机发出的电能直接并入电网，电能损耗较低且无需

升压变，节约系统的空间，降低了成本。

附图说明[0010] 图1为基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统结构图；[0011] 图2为基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统控制框图；[0012] 图3为桥臂1子模块电容电压波形；[0013] 图4为网侧相电流iU波形；[0014] 图5为机侧相电流iR波形；[0015] 图6为机侧线电压uRS波形。具体实施方式[0016] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发

明，并不用于限定本发明。

[0017] 图1为基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统结构图，本发明中风力发电系统由直驱式永磁同步发电机和HMMC构成；直驱式永磁同步发电机的转子与风力机同轴连接，定子有3

个绕组，依次记为R、S、T三相；电网三相依次记为U、、W；HMMC由六个相同桥臂首尾相连形成

一个六边形结构，HMMC的每个桥臂由N+2个全桥子模块和一个桥臂电感L串联而成；N+2个全

桥子模块依次记为：SMx_1，SMx_2，…SMx_N，辅助子模块1，辅助子模块2，其中SMx_1，SMx_

2，…SMx_N称为主子模块，桥臂电感记为Lx；下标x＝1，2，…6，表示第x个桥臂；每个子模块

由4个IGBT管T1、T2、T3、T4和1个电容C构成；T1的发射极与T2的集电极相连并构成子模块的

正端，T3的发射极与T4的集电极相连并构成子模块的负端；T1的集电极与T3的集电极相连

并构成子模块的正极，T2的发射极与T4的发射极相连并构成子模块的负极；电容C的正极与

T1的集电极相连，电容C的负极与T2的发射极相连；直驱式永磁同步发电机的R、S、T三相和

电网的U、、W三相交替连接到变流器的六个顶点上；将与R相和U相直接连接的桥臂记为桥

臂1，将与U相和S相直接连接的桥臂记为桥臂2，将与S相和W相直接连接的桥臂记为桥臂3，

将与W相和T相直接连接的桥臂记为桥臂4，将与T相和相直接连接的桥臂记为桥臂5，将与

相和R相直接连接的桥臂记为桥臂6；

[0018] 在本实例中，每个桥臂主子模块个数N为12，机侧线电压额定值Um为3.3k，网侧线电压额定值Ug为35k，HMMC额定容量SHMMC为5MW，子模块电容C大小为20mF，主子模块电容电

压额定值UC_ref为3000，辅助子模块1电容电压额定值UC1_ref为1500，辅助子模块2电容电压

额定值UC2_ref为750，桥臂电感Lx为10mH，直驱式永磁同步发电机极对数np为54，控制周期T

为0.0002s；

[0019] 图2是基于HMMC的风机直接AC/AC并网系统控制框图，控制方法由风机MPPT控制、能量平衡控制、桥臂电流跟踪控制组成；

[0020] 风机MPPT控制由如下步骤组成：[0021] (1)检测当前风速v，通过查询风机的数据手册可以得到叶片半径R和风速v对应的最佳叶尖速比λopt，根据v、R、λopt计算得到电机转速参考值ωref：

[0022] ωref＝λopt×v/R[0023] (2)取机侧d轴电流参考值imd_ref＝0；检测电机实际转速ω，将ωref与ω作差，将差值送入第一PI调节器，第一PI调节器输出得到机侧q轴电流参考值imq_ref：

[0024] imq_ref＝(ωref?ω)×(Kp1+Ki1×(1/s))[0025] 其中1/s是积分因子，Kp1和Ki1是第一PI调节器的比例系数和积分系数；[0026] (3)将imd_ref、imq_ref进行dq/abc变换得到机侧三相电流参考值：imr_ref、ims_ref、imt_ref；

[0027] 所述的能量平衡控制由如下步骤组成：[0028] (1)根据下式计算HMMC子模块电容电压参考值UC0_ref：[0029] UC0_ref＝(N×UC_ref+UC1_ref+UC2_ref)/(N+2)[0030] 其中UC_ref为每桥臂N个主子模块的电容电压额定值，UC1_ref为辅助子模块1的电容电压额定值，UC2_ref为辅助子模块2的电容电压额定值；

[0031] (2)取网侧q轴电流参考值igq_ref＝0，通过电压互感器测量得到所有子模块的电容电压，计算所有子模块的电容电压平均值UC_av，将UC0_ref与UC_av作差，将差值送入第二PI调节

器，第二PI调节器输出得到网侧d轴电流参考值igd_ref：

[0032] igd_ref＝(UC0_ref?UC_av)×(Kp2+Ki2×(1/s))[0033] 其中Kp2和Ki2是第二PI调节器的比例系数和积分系数；[0034] (3)将igd_ref、igq_ref进行dq/abc变换得到网侧三相电流参考值：igu_ref、igv_ref、igw_ref；

[0035] (4)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算奇数桥臂和偶数桥臂上子模块的电容电压平均值UC1,3,5_av、UC2,4,6_av，将UC1,3,5_av与UC2,4,6_av作差，将差值送入第三PI调节器，

第三PI调节器输出得到环流直流分量参考值icir1_ref：

[0036] icir1_ref＝(UC1,3,5_av?UC2,4,6_av)×(Kp3+Ki3×(1/s))[0037] 其中Kp3和Ki3是第三PI调节器的比例系数和积分系数；[0038] (5)计算得到中性点电压参考值vst_ref：[0039] vst_ref＝(Um×Ug)/(sqrt(2/3)×SHMMC)×icir1_ref[0040] 其中sqrt()表示开平方函数，Um、Ug分别为机侧、网侧线电压的额定值，SHMMC为HMMC额定容量；

[0041] (6)根据测得的所有子模块的电容电压分别计算6个桥臂子模块的电容电压平均值UCx_av，分别将UC1_av与UC6_av、UC3_av与UC2_av、UC5_av与UC4_av作差，将差值分别送入第一比例调

节器，然后按下式计算得到环流低频分量参考值icir2_ref：

[0042] icir2_ref＝Kp4×[(UC1_av?UC6_av)×sin(θm)+(UC3_av?UC2_av)×sin(θm?2π/3)[0043] +(UC5_av?UC4_av)×sin(θm+2π/3)][0044] 其中Kp4是第一比例调节器的比例系数，θm通过对机侧线电压锁相得到；[0045] (7)分别将UC4_av与UC3_av、UC6_av与UC5_av、UC2_av与UC1_av作差，将差值分别送入第二比例调节器，然后按下式计算得到环流工频分量参考值icir3_ref：

[0046] icir3_ref＝Kp5×[(UC4_av?UC3_av)×sin(θg)+(UC6_av?UC5_av)×sin(θg?2π/3)[0047] +(UC2_av?UC1_av)×sin(θg+2π/3)][0048] 其中Kp5是第二比例调节器的比例系数；θg通过对网侧线电压锁相得到；[0049] 所述的桥臂电流跟踪控制由如下步骤组成：[0050] (1)测量得到各桥臂的电流值ix；将ix经带通滤波器分别提取桥臂x电流低频分量iLx、工频分量iHx；带通滤波器1中心频率为ω×np/2πHz，带宽为5Hz；带通滤波器2中心频率

为50Hz，带宽为5Hz；

[0051] (2)通过下式计算得到各桥臂电流低频分量参考值iLx_ref、工频分量参考值iHx_ref：[0052] iL1_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_ref[0053] iH1_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_ref[0054] iL2_ref＝1/3×(imr_ref?ims_ref)+icir2_ref[0055] iH2_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_ref[0056] iL3_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_ref[0057] iH3_ref＝1/3×(igu_ref?igw_ref)+icir3_ref[0058] iL4_ref＝1/3×(ims_ref?imt_ref)+icir2_ref[0059] iH4_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_ref[0060] iL5_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_ref[0061] iH5_ref＝1/3×(igw_ref?igv_ref)+icir3_ref[0062] iL6_ref＝1/3×(imt_ref?imr_ref)+icir2_ref[0063] iH6_ref＝1/3×(igv_ref?igu_ref)+icir3_ref[0064] (3)将iLx_ref与iLx作差，将差值送入第一准PR调节器，第一准PR调节器输出得到桥臂x的机侧参考电压vLx_ref；将iHx_ref与iHx作差，将差值送入第二准PR调节器，第二准PR调节

器输出得到桥臂x的网侧参考电压vHx：

[0065] vLx_ref＝(iLx_ref?iLx)×(Kp6+Ksc1×s/(s2+2×ωsc1×s+(ω×np)2))[0066] vHx＝(iHx_ref–iHx)×(Kp7+Ksc2×s/(s2+2×ωsc2×s+(100π)2))[0067] 其中Kp6和Ksc1分别是第一准PR调节器的比例系数和谐振系数，Kp7和Ksc2分别是第二准PR调节器的比例系数和谐振系数；ωsc1和ωsc2分别是第一、二准PR调节器的截止角频

率；np为直驱式永磁同步发电机的极对数，通过查询直驱式永磁同步发电机铭牌参数获得；

[0068] (4)桥臂x电流的剩余分量为：[0069] iSx＝ix?iLx?iHx；[0070] 将icir1_ref与iSx作差，将差值送入第四PI调节器，第四PI调节器输出得到桥臂x的微调参考分量vSx_ref：

[0071] vSx_ref＝(icir1_ref–iSx)×(Kp8+Ki4×(1/s))[0072] 其中Kp8和Ki4是第四PI调节器的比例系数和积分系数；[0073] (5)将步骤3得到的vLx_ref代入下式计算得到Nx1：[0074] Nx1＝fix(vLx_ref/UC_ref)[0075] 其中fix()为向零取整函数；[0076] (6)将Nx1代入下式计算得到vLx_ref/UC_ref的小数部分mx：[0077] mx＝vLx_ref/UC_ref?Nx1[0078] (7)由测量得到桥臂x辅助子模块1的电容电压值Uax1，将Uax1和UC1_ref分别接入第一滞环比较器的正向、反向输入端，第一滞环比较器的环宽为δ1；当Uax1?UC1_ref>δ1，第一滞环比

较器输出为1；当Uax1?UC1_ref<?δ1，第一滞环比较器输出为?1；辅助子模块2控制方法相同，第

二滞环比较器的环宽为δ2；

[0079] (8)当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且0[0080] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

[0081] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝0；

[0082] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝1；

[0083] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

[0084] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8[0085] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且5/8[0086] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix≥0，且7/8[0087] (9)当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且0[0088] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝0；

[0089] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且1/8≤mx<3/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

[0090] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

[0091] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且3/8≤mx≤5/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝1；

[0092] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8[0093] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且5/8[0094] 当桥臂x的vLx_ref≥0、ix<0，且7/8[0095] (10)当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1/8[0096] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8[0097] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?3/8[0098] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

[0099] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝?1；

[0100] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1和2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

[0101] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝?1；

[0102] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix≥0，且?1[0103] (11)当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1/8[0104] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8[0105] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?3/8[0106] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T1、T4导通，T2、T3关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝?1；

[0107] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?5/8≤mx≤?3/8，且第一滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1的T2、T3导通，T1、T4关断；辅助子模块2的T2、T4导通，T1、T3关断；Nx2＝0；

[0108] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块1的T2、T4导通，T1、T3关断；辅助子模块2的T1、T4导通，T2、T3关断；Nx2＝?1；

[0109] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?7/8≤mx<?5/8，且第二滞环比较器输出为?1时，控制辅助子模块1和2的T2、T3导通，T1、T4关断；Nx2＝0；

[0110] 当桥臂x的vLx_ref<0、ix<0，且?1[0111] (12)将vHx、vSx_ref、vst_ref带入下式计算得到Nx3：[0112] Nx3＝round(vHx+vSx_ref+(?1)x×vst_ref)/UC_ref)[0113] 其中round()为四舍五入取整函数；[0114] (13)计算需要投入的主子模块总数Nx＝Nx1+Nx2+Nx3，采用NLM调制策略选择桥臂x上的Nx个主子模块投入，即当Nx≥0时，控制这些主子模块的T1和T4导通，T2和T3关断，当Nx<0

时，控制这些主子模块的T2和T3导通，T1和T4关断；并切除剩下的主子模块，即控制剩下主子

模块的T2、T4导通，T1、T3关断；

[0115] 上述步骤中，Kp1＝150、Ki1＝150000；Kp2＝70000、Ki2＝500000；Kp3＝1、Ki3＝12；Kp4＝6；Kp5＝6；Kp6＝100、Ksc1＝1、ωsc1＝5rad/s；Kp7＝100、Ksc2＝1、ωsc2＝5rad/s；Kp8＝6、Ki4

＝50；δ1＝30；δ2＝15。

[0116] 图3为桥臂1子模块电容电压波形，桥臂1主子模块电容电压均稳定在3000，波动幅度都小于4％；辅助子模块1的电容电压稳定在1500，波动幅度稍大，但也在4％以内；辅

助子模块2的电容电压稳定在750，波动幅度在3％以内，满足要求；其余各桥臂子模块电压

波形也能达到相似效果。

[0117] 图4为网侧相电流iU波形，其峰值为115.7A，FFT分析其谐波畸变率为3.95％，满足并网要求；其余两相电流波形也能达到相似效果。

[0118] 图5为机侧相电流iR波形，其峰值为1265A，FFT分析其谐波畸变率为0.62％，谐波含量较少；其余两相电流波形也能达到相似效果。

[0119] 图6为机侧线电压uRS波形，其峰值为4585，FFT分析其谐波畸变率为0.45％，谐波含量较少；其余线电压波形也能达到相似效果。