CN102130619B - 一种模块化多电平变流器的均压控制方法 - Google Patents

一种模块化多电平变流器的均压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变流器的均压控制方法，其特征在于包括以下步骤：1)判断桥臂电流的方向为正方向还是负方向；2)找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；3)判断是否对子模块进行投入或旁路操作；该方法杜绝了子模块投切的随意性，降低了子模块的开关频率，提出的子模块电容电压均衡控制方法更适合应用于子模块数量众多的高压大容量变流器领域。

Description

一种模块化多电平变流器的均压控制方法
技术领域
本发明涉及控制方法，具体地讲，涉及变流器的均压控制方法。
背景技术
模块化多电平变流器各桥臂中子模块充放电、损耗和电容值等的差异会使其电容电压出现不均衡，危害变流器的正常运行，为了保证模块化多电平变流器的正常运行，传统的子模块电容电压均衡控制方法为：
(1)快速监测子模块电容电压值并进行排序；(2)监测各桥臂电流方向，判定其对桥臂子模块的充放电情况；(3)在触发控制动作时，如果桥臂电流使子模块充电，则按照电容电压由低到高的顺序投入相应数量的子模块：如果桥臂电流使子模块放电，则按照相反的顺序投入相应数量的子模块。
但是传统方法存在较大问题：
首先，没有考虑子模块的初始投切状态，每个电平变化时刻，子模块投切的随意性很大，可能有大量子模块的投切状态需要改变。若相单元中有子模块被切除，则必须同时投入相同数量的子模块以维持总直流电压恒定；由于电力电子器件的开关特性存在差异以及死区时间的引入，不同子模块的技入和切除不可能完全同时，这会造成总直流电压波动；投切状态需要改变的子模块越多，则总直流电压的波动越剧烈。
其次，子模块的投切频率太高，使电力电子器件的开关频率和开关损耗较大，降低了模块化多电平换流器型直流输电系统的效率。
再次，由于模块化多电平换流器型直流输电系统的桥臂子模块数很多，对子模块电容电压的监测和排序需要占用较多的时间，这会在触发控制中引入较大的延迟，降低换流器跟踪调制波的速度。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种模块化多电平变流器的均压控制方法，该方法结合桥臂电流的方向和子模块的初始工作状态，合理调整子模块工作状态，降低器件的开关频率。
本发明提供的一种模块化多电平变流器的均压控制方法，其特征在于包括以下步骤：
1)判断桥臂电流的方向为正方向还是负方向；
2)找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；
3)判断是否对子模块进行投入或旁路操作。
本发明提供的第一优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，如果桥臂电流为正方向，则桥臂电流对处于输出状态的子模块的电容进行充电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块。
本发明提供的第二优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，在桥臂电流为正方向的前提下，如果桥臂电平输出增加，即将处于旁路状态的子模块转换为输出状态，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最低的子模块投入；
在桥臂电流为正方向的前提下，如果桥臂电平输出减少，即将处于输出状态的子模块转换为旁路状态，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最高的子模块旁路。
本发明提供的第三优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，在桥臂电流为正方向的前提下，如果不需要对子模块进行投入或旁路操作时，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最大值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最低的进行状态对换，如果没有超出限值，则不需进行上述操作。
本发明提供的第四优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，如果桥臂电流为负方向，则桥臂电流对处于输出状态的子模块的电容进行放电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块。
本发明提供的第五优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，在桥臂电流为负方向的前提下，如果桥臂电平输出增加，即将处于旁路状态的子模块转换为输出状态，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最高的子模块投入；
在桥臂电流为负方向的前提下，如果桥臂电平输出减少，即将处于输出状态的子模块转换为旁路状态，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最低的子模块旁路。
本发明提供的第六优选的一种模块化多电平变流器的均压控制方法，在桥臂电流为负方向的前提下，如果不需要对子模块进行投入或旁路操作时，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最小值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最高的进行状态对换，如果没有超出限值，则不需进行上述操作。
本发明提供的第七优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，所述投入为将子模块中的其中一个IGBT导通。
本发明提供的第八优选的模块化多电平变流器的均压控制方法，所述IGBT模块为处于上方的IGBT模块。
即上述方法为：如果桥臂电流对子模块进行充电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；如果桥臂电平输出增加，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最低的子模块投入；如果桥臂电平输出减少，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最高的子模块旁路；如果桥臂电平输出不变，则判断处于输出状态的子模块的电容电压的最大值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最低的进行状态对换，如果没有超出限值，则保持各子模块工作状态不变；
如果桥臂电流对子模块进行放电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块；如果桥臂电平输出增加，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最高的子模块投入；如果桥臂电平输出减少，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最低的子模块旁路；如果桥臂电平输出不变，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最小值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最高的进行状态对换，如果没有超出限值，则保持各子模块工作状态不变。
与现有技术相比，本发明提供的一种模块化多电平变流器的均压控制方法具有以下优点：
1、考虑了子模块的初始投切状态，在桥臂电平输出变化时刻，杜绝了子模块投切的随意性，降低了子模块的开关频率；
2、在桥臂电平输出不变时，可以通过子模块工作状态的改变，保证子模块电容电压幅值在一定范围内；
3、在子模块状态转换时，仅搜索电容电压幅值最大、最小的子模块，有效减少了桥臂控制器的计算负荷，可以提高桥臂控制器的控制周期，减小了触发控制中的延迟，加快桥臂控制器对调制信号的跟踪速度，提高变流器的运行性能；
4、本方法提出的子模块电容电压均衡控制方法更适合应用于子模块数量众多的高压大容量变流器领域。
附图说明
图1：本发明提供的一种模块化多电平变流器的均压控制方法-投入状态的操作原理图；
图2：本发明提供的一种模块化多电平变流器的均压控制方法-旁路状态的操作原理图；
图3：本发明提供的一种模块化多电平变流器的均压控制方法的MMC(模块化多电平变流器)结构示意图；
图中：T1、IGBT模块；T2、IGBT模块，D1、续流二极管；D2、续流二极管；C、电容。
具体实施方式
以下通过附图及实施例对本发明提供的一种模块化多电平变流器的均压控制方法做进一步更详细的说明。
实施例1
本实施例的模块化多电平变流器的均压控制方法，包括以下步骤：
1)判断桥臂电流的方向为正方向还是负方向；
2)找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；
3)判断是否对子模块进行投入或旁路操作。
具体操作如下：
判断桥臂电流的方向；
如果桥臂电流为正方向，则桥臂电流对处于输出状态的子模块的电容进行充电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；
在桥臂电流为正方向的前提下，如果桥臂电平输出增加，即将处于旁路状态的子模块转换为输出状态，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最低的子模块投入；
在桥臂电流为正方向的前提下，如果桥臂电平输出减少，即将处于输出状态的子模块转换为旁路状态，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最高的子模块旁路；
在桥臂电流为正方向的前提下，如果不需要对子模块进行投入或旁路操作时，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最大值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最低的进行状态对换，如果没有超出限值，则不需进行上述操作；
如果桥臂电流为负方向，则桥臂电流对处于输出状态的子模块的电容进行放电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块；
在桥臂电流为负方向的前提下，如果桥臂电平输出增加，即将处于旁路状态的子模块转换为输出状态，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最高的子模块投入；
在桥臂电流为负方向的前提下，如果桥臂电平输出减少，即将处于输出状态的子模块转换为旁路状态，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最低的子模块旁路；
在桥臂电流为负方向的前提下，如果不需要对子模块进行投入或旁路操作时，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最小值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最高的进行状态对换，如果没有超出限值，则不需进行上述操作。
投入为将子模块中的其中一个IGBT导通，如图1所示，即将图1中处于上方的IGBT模块导通。
模块化多电平变流器是一种较新的多电平电压源变流器，其操作结构如图1所示，该变流器可以在交流侧输出达到很高的电平数，适合用于高压大功率变换领域。
在运行中，通过控制子模块中各开关器件的开通和关断，子模块呈现不同的工作状态。当子模块中T1导通、T2关断时，桥臂电流对子模块电容充、放电，此时子模块处于输出状态。当子模块中T1关断、T2导通时，子模块电容被旁路，此时子模块处于旁路状态。电流正方向如图1所示，若桥臂电流为正，处于输出状态的子模块的电容被充电：反之，处于输出状态的子模块的电容被放电。
如图3所示，模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converters，MMC)由六个桥臂组成，每个桥臂由n个串联的子模块组成，每个子模块的结构如图1所示，在正常运行过程中，桥臂控制器根据MMC的调制算法控制桥臂中各子模块的工作状态。在正常工作过程中，每个MMC子模块的工作状态有两种，如图1、图2所示。
输出状态：T1(子模块中上桥臂IGBT)开通，T2(子模块中下桥臂IGBT)关断在这种状态下，当电流i向子模块内部流动时(如图1左图所示)，将通过续流二极管D1流入电容，对电容充电；当电流i流出子模块时(如图1右图所示)，电流将通过T1为电容放电。不管电流i处于何种流通方向，子模块的输出端电压都表现为电容电压，即uo＝uc。因此这种工作状态是子模块电路的一种输出状态。
旁路状态：T1(子模块中上桥臂IGBT)关断，T2(子模块中下桥臂IGBT)开通在这种状态下，当电流i向子模块内部流动时(如图2左图所示)，电流将通过T2；当电流i流出子模块时，电流将通过续流二极管D2。对于这种状态，不管电流i方向如何，子模块的输出电压都将为零，即uo＝0。
设MMC桥臂电流正方向，如图3所示，当桥臂电流为正时，处于输出状态的子模块电容被充电，电容电压幅值升高；当桥臂电流为负时，处于输出状态的子模块电容被放电，电容电压幅值降低。
在正常运行过程中，每个子模块处于输出状态的时间不同，而且在输出状态时桥臂电流的幅值大小也不相同。因此每个子模块电容电压的幅值将各不相同。这将引起MMC中各子模块电容电压的不平衡，有些子模块的电容电压持续升高，另一些子模块的电容电压持续降低，进而使得MMC无法持续稳定的运行。
通过MMC的均压控制可以保证在MMC正常运行过程中各子模块的电容电压均保持在一定范围内，进而保证MMC的持续可靠运行。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：技术人员阅读本申请说明书后依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均未脱离本发明申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于包括以下步骤：
1)判断桥臂电流的方向为正方向还是负方向；
2)找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块,同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；
3)判断是否对子模块进行投入或旁路操作；
如果桥臂电流为正方向，则桥臂电流对处于输出状态的子模块的电容进行充电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块，同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块；
在桥臂电流为正方向的前提下，如果桥臂电平输出增加，即将处于旁路状态的子模块转换为输出状态，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最低的子模块投入；
在桥臂电流为正方向的前提下，如果桥臂电平输出减少，即将处于输出状态的子模块转换为旁路状态，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最高的子模块旁路。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于：
在桥臂电流为正方向的前提下，如果不需要对子模块进行投入或旁路操作时，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最大值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最低的进行状态对换，如果没有超出限值，则保持各子模块工作状态不变。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于：
如果桥臂电流为负方向，则桥臂电流对处于输出状态的子模块的电容进行放电，则找出处于输出状态的子模块中电容电压幅值最低的子模块,同时找出处于旁路状态的子模块中电容电压幅值最高的子模块。
4.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于：
在桥臂电流为负方向的前提下，如果桥臂电平输出增加，即将处于旁路状态的子模块转换为输出状态，则从处于旁路状态的子模块中将电容电压最高的子模块投入；
在桥臂电流为负方向的前提下，如果桥臂电平输出减少，即将处于输出状态的子模块转换为旁路状态，则从处于输出状态的子模块中将电容电压最低的子模块旁路。
5.根据权利要求1所述的模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于：
在桥臂电流为负方向的前提下，如果不需要对子模块进行投入或旁路操作时，判断处于输出状态的子模块的电容电压的最小值是否超出给定的限值，如果超出给定限值，则将此子模块与处于旁路状态子模块中电容电压幅值最高的进行状态对换，如果没有超出限值，则保持各子模块工作状态不变。
6.根据权利要求1或4所述的模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于所述投入为将子模块中的其中一个IGBT模块导通。
7.根据权利要求6所述的模块化多电平变流器的均压控制方法,其特征在于所述IGBT模块为处于上方的IGBT模块。
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