CN103929081B - 一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法，该方法将子模块按电压划分为多个等级，依次进行控制，采用子模块电压分级控制的方法，将各子模块按电压大小分成m组，当需要充电或放电时，优先开通电压值最大或最小的组中的子模块，须开通的子模块数不够时，再依次开通较最大值稍小或较最小稍大的组中的子模块进行充放电，将桥臂上各子模块电压控制在一个范围内，相比传统的基于排序算法的均压方法，免去复杂的排序计算的时间，控制周期短，控制过程简单，适应电平数不断增加的模块化多电平换流器的需要。

Description

一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法。

背景技术

基于电压源换流器的输电技术是一种新型的直流输电技术，相比传统直流输电具有很多好处。模块化多电平换流器是近年来发展的一种新型电压源换流器，它具有谐波小，损耗小等非常多的优点。

图1是模块化电平换流器一相的原理示意图。每个桥臂上有module1～module N，共N个子模块。控制设备根据交流电压指令来决定在上下桥臂个需要开通或关断几个子模块，以产生合适的交流电压。并且，控制系统通过合适的算法保证每个子模块上的电压基本相等。

在模块化多电平型换流器控制中采用较多的有NLC算法。这种算法在每个控制时刻先将子模块上的电压值采回，按照从小到大的顺序对这些电压进行排序。然后根据桥臂上电流的方向确定需要打开的模块。比如，若此时桥臂电流为正，是对子模块上的电容充电，那么从电压最低的模块开始选择相应数量的模块，使之开通，其余模块则关断。

由于高的电平数会减少电网上的谐波，减少滤波装置等，模块化多电平的电平数在不断提高。随着电平数的增加，每个控制周期要求的时间减小，但是排序运算所需的计算量却会增大。以冒泡算法为例，它的运算时间与电平数是平方关系。虽然也有些快速排序算法，但考虑到在电力行业我们要考虑最恶劣条件，应以每种算法最坏情况下的速度为判断标准，每种排序算法差别并不是很大。因此当电平数增加到一定程度，这种基于排序算法的控制将无法实现对换流器的控制。这已经成为阻碍模块化多电平换流器向更高电平数发展的一个瓶颈。因此非常有必要找到一种新的均压方法以适应模块化多电平换流器的子模块电平数不断增加的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制周期短，方法简单的用于模块化多电平换流器的子模块均压方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法，包括以下步骤：

（1）采集各子模块上的电压值，将各子模块按照其电压值从小到大分成m组，第1组中各子模块电压均小于等于U ₁，第2组中各子模块电压均大于U ₁小于等于U ₂,第3组中各子模块电压均大于U ₂小于等于U ₃，、、、第m组中各子模块电压均大于U _m，0≤U ₁＜U ₂＜U ₃＜U ₄、、、＜U _m；

（2）根据控制系统发来的交流电压指令计算桥臂需要开通的子模块数量Nin；

（3）将采集的各子模块上电压值放在一个数组A中，数组的头部与尾部连接形成一个单向循环链表；

（4）判断桥臂上的电流方向，若电流为负，表明开通的子模块将会被放电，电压会降低，则进行步骤（5）；若电流为正，表明开通的子模块将会被充电，电压会升高，则进行步骤（6）；

（5）遍历数组A，若数组元素的电压值属于第m组，则将其标记为将要开通，否则标记为将关断；若数组遍历完毕时找到的需开通子模块数小于n则重新遍历A，此时将属于第m-1组的子模块标记为需开通模块；若结束时仍不够，则开始第三遍遍历，将属于第m-2组的子模块标记为开通；依次开通第m组至第1组子模块直到找到需开通子模块数等于n，则跳出循环进行步骤（7）；

（6）遍历数组A，若数组元素的电压值属于第1组，则将其标记为将要开通，否则标记为将关断；若数组遍历完毕时找到的需开通子模块数小于n则重新遍历A，此时将属于第2组的子模块标记为需开通模块；若结束时仍不够，则开始第三遍遍历，将属于第3组的子模块标记为开通；依次开通第1组至第m组子模块直到找到需开通子模块数等于n，则跳出循环进行步骤（7）；

（7）触发需要打开的子模块，将各子模块电压控制在一个范围内。

每个控制周期移动数组A头指针一次，使各个子模块获得相同的导通和关断机会。

步骤（2）中计算桥臂需要开通的子模块数量n步骤如下：

（2.1）计算上桥臂指令电压u_Uref和下桥臂指令电压u_Lref：

$u_{\mathrm{Uref}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}-u_{\mathrm{ref}}$

$u_{\mathrm{Lref}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}+u_{\mathrm{ref}}$

其中，U_dc为直流电压，u_ref为输出交流电压；

（2.2）计算上桥臂应开通模块数分别为n_Uin、下桥臂应开通模块数为n_Lin：

$n_{\mathrm{Uin}}=\mathrm{round}\left(N(\frac{1}{2}-\frac{u_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{dc}}})\right)$

$n_{\mathrm{Lin}}=\mathrm{round}\left(N(\frac{1}{2}+\frac{u_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{dc}}})\right)$

其中N为每个桥臂的子模块模块数，Round表示取整。

本发明公开了一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法，采用子模块电压分级控制的方法，将各子模块按电压大小分成m组，当需要充电或放电时，优先开通电压值最大或最小的组中的子模块，须开通的子模块数不够时，再依次开通较最大值稍小或较最小稍大的组中的子模块进行充放电，将桥臂上各子模块电压控制在一个范围内，相比传统的基于排序算法的均压方法，免去复杂的排序计算的时间，控制周期短，控制过程简单，适应电平数不断增加的模块化多电平换流器的需要。

当m较小时，该方法速度较快，当m较大时，该方法可以对电压精确分类，其控制精度可以接近排序方法。实际中可以根据需要选择m值。

进一步，保存各子模块上电压值的数组A，每个控制周期移动数组A头指针一次，每次并不从第1个元素而是从头指针指向的元素开始遍历数组A，当每次控制完成时，移动A指针，这样就避免了某个模块获得多于其他模块的开通机会，使各个子模块获得相同的导通和关断机会。

附图说明

图1是模块化电平换流器一相的原理示意图；

图2是本发明的流程图；

图3是本发明的数组A结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本发明作详细描述：

如图2所示，以子模块电压分3组为例，用于模块化多电平换流器的子模块均压方法包括以下步骤：

（1）采集各子模块上的电压值，将各子模块按照其电压值分成a组.U_m≥U_u，b组.U_u＞U_m≥U_l，c组.U_l≥U_m，0≤U_l＜U_u；

其中U_m为子模块上的电压，U_u为设定的模块电压上限，当模块电压超过该上限值，则表示模块需要被优先放电，U_l为设定的模块电压下限，当模块电压低于该下限值，则表示模块需要被优先充电；

（2）采集电压、电流获取上层控制系统发来的交流电压指令计算本桥臂需要开通的子模块数量Nin；

以下简单说明下应开通模块数的计算方法

设U_dc为直流电压，u_Uref为上桥臂参考（指令）电压，u_Lref为下桥臂参考（指令）电压，u_ref为输出交流电压参考。

$u_{\mathrm{Uref}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}-u_{\mathrm{ref}}$

$u_{\mathrm{Lref}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}+u_{\mathrm{ref}}$

每个桥臂有N个模块，则上、下桥臂应开通模块数分别为

$n_{\mathrm{Uin}}=\mathrm{round}\left(N(\frac{1}{2}-\frac{u_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{dc}}})\right)$

$n_{\mathrm{Lin}}=\mathrm{round}\left(N(\frac{1}{2}+\frac{u_{\mathrm{ref}}}{U_{\mathrm{dc}}})\right)$

Round表示取整；

（3）将采集的各子模块上电压值放在一个数组A中，这个数组的头部应该接着尾部，因此可以实现为一个单向循环链表，如图3所示；

（4）判断桥臂上的电流方向，若此时电流方向为正，表明此时开通的子模块将会被充电，即电压会升高，则进行第（6）步；若电流为负，表明子模块将会被放电，电压会降低，则进行第（5）步；

（5）遍历数组A，若数组元素的电压值属于a，则将其标记为将要开通，否则标记为将关断，若数组遍历完毕时找到的需开通模块数小于Nin则重新遍历A，此时将属于b的子模块也标记为需开通；若结束时仍不够，则开始第三遍遍历，将属于c的也标记为开通；当找到的需开通子模块等于Nin,则跳出循环进行第（7）步。

（6）遍历数组A，若数组元素的电压值属于c,则将其标记为将要开通，否则标记为将关断，若数组遍历完毕时找到的需开通模块小于Nin则重新遍历A，此时将属于b的子模块也标记为需开通；若结束时仍不够，则开始第三遍遍历，将属于a的也标记为开通；当找到的需开通子模块等于Nin,则跳出循环进行第（7）步；

（7）触发需要打开的子模块，进行充电或放电，将各子模块电压控制在一个范围内；

本发明避免了现在常用方法中对子模块电压进行排序的运算，因此大大降低了运算量，使之可以应用于更高电平数的换流器控制。

进一步，每个控制周期移动数组A头指针一次，假如使用线性数组，每次遍历都从第1个数组元素开始。如果第1个元素属于a组，假如此时是放电，则该元素总会被开通，假如此时是充电，而c级和b级中子模块数又小于Nin，则第1个元素仍会被开通。这样的结果就是数组中靠前的元素获得了更多的开通机会，使各个子模块上的电压出现不平衡。为避免这种情况，每次并不从第1个元素，而是从头指针指向的元素开始遍历数组，当每次控制完成时，移动头指针，这样就避免了某个模块获得多于其他模块的开通机会，使得各模块获得了大致相同的开通关断机会。

按此方法当需要放电时，a中的模块数可能多于需要开通的模块数，而在同一组中的选择并不是基于电压大小的选择，因此每次放电的模块可能并不是最需要被放电的模块。对充电也是同样的情况。但由于采用了移动数组头指针的方法，使得每个模块都有被首先选择开通的机会。这样就不会发生一个模块电压过高（或过低）但始终得不到放电（或充电）机会的情况了，均压效果更好。

Claims (2)

1.一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)采集各子模块上的电压值，将各子模块按照其电压值从小到大分成m组，第1组中各子模块电压均小于等于U₁，第2组中各子模块电压均大于U₁小于等于U₂,第3组中各子模块电压均大于U₂小于等于U₃，…第m组中各子模块电压均大于U_m，0≤U₁＜U₂＜U₃＜U₄…＜U_m；

(2)根据控制系统发来的交流电压指令计算桥臂需要开通的子模块数量Nin；

(3)将采集的各子模块上电压值放在一个数组A中，数组的头部与尾部连接形成一个单向循环链表；

(4)判断桥臂上的电流方向，若电流为负，表明开通的子模块将会被放电，电压会降低，则进行步骤(5)；若电流为正，表明开通的子模块将会被充电，电压会升高，则进行步骤(6)；

(5)遍历数组A，若数组元素的电压值属于第m组，则将其标记为将要开通，否则标记为将关断；若数组遍历完毕时找到的需开通子模块数小于Nin则重新遍历A，此时将属于第m-1组的子模块标记为需开通模块；若结束时仍不够，则开始第三遍遍历，将属于第m-2组的子模块标记为开通；依次开通第m组至第1组子模块直到找到需开通子模块数等于Nin，则跳出循环进行步骤(7)；

(6)遍历数组A，若数组元素的电压值属于第1组，则将其标记为将要开通，否则标记为将关断；若数组遍历完毕时找到的需开通子模块数小于Nin则重新遍历A，此时将属于第2组的子模块标记为需开通模块；若结束时仍不够，则开始第三遍遍历，将属于第3组的子模块标记为开通；依次开通第1组至第m组子模块直到找到需开通子模块数等于Nin，则跳出循环进行步骤(7)；

(7)触发需要打开的子模块，将各子模块电压控制在一个范围内；

每个控制周期移动数组A头指针一次，使各个子模块获得相同的导通和关断机会。

2.根据权利要求1所述的用于模块化多电平换流器的子模块均压方法，其特征在于，步骤(2)中计算桥臂需要开通的子模块数量Nin步骤如下：

(2.1)计算上桥臂指令电压u_Uref和下桥臂指令电压u_Lref：

$u_{Uref}=\frac{U_{dc}}{2}-u_{ref}$

$u_{Lref}=\frac{U_{dc}}{2}+u_{ref}$

其中，U_dc为直流电压，u_ref为输出交流电压；

(2.2)计算上桥臂应开通模块数分别为n_Uin、下桥臂应开通模块数为n_Lin：

$n_{Uin}=round\left(N\right(\frac{1}{2}-\frac{u_{ref}}{U_{dc}}\left)\right)$

$n_{Lin}=round\left(N\right(\frac{1}{2}+\frac{u_{ref}}{U_{dc}}\left)\right)$

其中N为每个桥臂的子模块模块数，round表示取整。