CN103956925B

CN103956925B - 一种混杂式mmc电容电压的均衡控制方法

Info

Publication number: CN103956925B
Application number: CN201410172233.XA
Authority: CN
Inventors: 徐政; 董桓锋; 刘高任; 许烽; 周煜智
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: CN103956925A

Abstract

本发明公开了一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，包括如下步骤：(1)建立正投入记录库、负投入记录库和切除记录库；(2)确定桥臂内子模块电容电压最大偏差值；(3)根据桥臂内子模块电容电压最大偏差值，通过判断逻辑分析桥臂子模块的重投操作，并对记录库进行更新；(4)根据前后时刻的桥臂电平差，通过逻辑判断与控制策略对桥臂内进行子模块投切操作，并对记录库进行更新。故本发明方法不仅能够在维持电容电压稳定的情况下有效降低子模块的开关频率，减少换流器损耗，同时还能减少排序问题所带来的系统运行性能恶化等问题。

Description

一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法

技术领域

本发明属于电力系统控制技术领域，具体涉及一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法。

背景技术

自2001年德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquardt教授提出模块化多电平换流器(ModularMultilevelConverter，MMC)后，世界各国专家学者对其开展了广泛而深入的研究。在半桥MMC基础上，全桥MMC采用全桥型子模块级联而成，实现了直流电压、直流电流四象限运行，从而具有更加灵活和优越的特性。但是，与相同容量和电压等级的半桥MMC相比，全桥MMC使用的电力电子器件几乎为其两倍。由半桥子模块和全桥子模块构成的混杂式MMC综合了两种拓扑的优点，每个桥臂均由半桥子模块和全桥子模块混合级联而成，既能实现换流站降压运行、直流故障自清除问题，还能降低投资成本，是未来MMC工程发展的重要方向。

快速实现混杂式MMC拓扑中各个子模块电容电压的均衡控制，使得能量在整个换流器中均匀分配，是该拓扑实现的关键技术之一。对于半桥MMC拓扑的电容电压控制策略，屠卿瑞、徐政、郑翔等提出过一种优化的模块化多电平换流器电压均衡控制方法(电工技术学报，2011，26(5)：15-20.)，该策略在考虑子模块初始状态的情况下，根据桥臂电流的方向以及输出电压的变化选取需要投入或者切除的子模块。该策略可以大大降低子模块的开关频率，避免随意投切，但与现有其他策略一样，并不适用于混杂式MMC拓扑的子模块电容电压均衡控制。混杂式MMC拓扑桥臂同时包含半桥子模块与全桥子模块，因此其子模块不仅可以输出正电平、零电平，还可输出负电平。这三种电平的存在使得投切方法更为复杂多样，电容电压平衡策略需要进行重新设计。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，在维持子模块电容电压稳定运行的同时能够有效降低子模块的开关频率，减少换流器损耗。

一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，包括如下步骤：

(1)对于混杂式MMC的任一桥臂，建立关于子模块投切状态的三个记录库：正投入记录库、负投入记录库和切除记录库；在初始时刻，对桥臂内的各子模块进行检测，并将输出电平为正、负或零的子模块对应分配至正投入记录库、负投入记录库和切除记录库中；

(2)对于当前时刻，检测桥臂各子模块的电容电压以及桥臂电流i_am，并确定桥臂子模块电容电压的最大值U_{sm_max}和最小值U_{sm_min}；

(3)利用最近电平调制方法计算出当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}，判断桥臂子模块电容电压的最大偏差ΔU：

若ΔU≥ΔU_ref，则对桥臂进行子模块重投操作，并对各记录库进行更新；

若ΔU＜ΔU_ref，则执行步骤(4)；

其中：ΔU＝U_{sm_max}-U_{sm_min}，ΔU_ref为预设的桥臂子模块电容电压允许偏差；

(4)使当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}减去上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}，得到桥臂电平差M_diff；进而对桥臂进行子模块投切操作，并对各记录库进行更新。

对于桥臂内的任一半桥子模块，其输出电平为U_c或0且对应正向投入状态或切除状态；对于桥臂内的任一全桥子模块，其输出电平为U_c、-U_c或0且对应正向投入状态、负向投入状态或切除状态；故正投入记录库和切除记录库中包含有半桥子模块、全桥子模块或者半桥子模块和全桥子模块两种类型的子模块，而负投入记录库中只包含有全桥子模块。

所述的步骤(2)中确定桥臂子模块电容电压的最大值U_{sm_max}和最小值U_{sm_min}的具体实现方法为：首先，任取桥臂中两个子模块进行电容电压比较，令较大的电容电压为U_{sm_max}，较小的电容电压为U_{sm_min}；然后，使桥臂中其他子模块的电容电压与U_{sm_max}和U_{sm_min}逐一进行比较，从而更新U_{sm_max}和U_{sm_min}；直至完成所有比较后，最后使U_{sm_max}和U_{sm_min}分别作为桥臂子模块电容电压的最大值和最小值。

所述的步骤(3)中对桥臂进行子模块重投操作的具体实现方法如下：

若当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}＞0，且桥臂电流i_am＞0；则对桥臂各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入桥臂中电容电压最低的M_{on_now}个子模块，同时切除其他子模块；

若当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}＞0，且桥臂电流i_am≤0；则对桥臂各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入桥臂中电容电压最高的M_{on_now}个子模块，同时切除其他子模块；

若当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am＞0；则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最高的|M_{on_now}|个全桥子模块，同时切除其他子模块；

若当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am≤0；则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最低的|M_{on_now}|个全桥子模块，同时切除其他子模块。

所述的步骤(4)中对桥臂进行子模块投切操作的具体实现方法如下：

在桥臂电平差M_diff＝0情况下，不对桥臂中的子模块进行投切操作，且使各子模块维持上一时刻的投切状态；

在桥臂电平差M_diff＞0情况下：

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}＞0，且桥臂电流i_am＞0；则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最低的M_diff个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}＞0，且桥臂电流i_am≤0；则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最高的M_diff个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}≤0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}＞0，且桥臂电流i_am＞0；则首先切除桥臂中所有负向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最低的M_{on_now}个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}≤0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}＞0，且桥臂电流i_am≤0；则首先切除桥臂中所有负向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最高的M_{on_now}个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}≤0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am＞0；则对负投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最低的M_diff个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}≤0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am≤0；则对负投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最高的M_diff个子模块；

在桥臂电平差M_diff＜0情况下：

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}≤0，且桥臂电流i_am＞0；则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最高的|M_diff|个全桥子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}≤0，且桥臂电流i_am≤0；则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最低的|M_diff|个全桥子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}＞0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}＞0，且桥臂电流i_am＞0；则对正投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最高的|M_diff|个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}＞0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}＞0，且桥臂电流i_am≤0；则对正投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最低的|M_diff|个子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}＞0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am＞0；则首先切除桥臂中所有正向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最高的|M_{on_now}|个全桥子模块；

若上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}＞0，当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am≤0；则首先切除桥臂中所有正向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最低的|M_{on_now}|个全桥子模块。

本发明均衡控制方法的有益技术效果如下：

(1)本发明考虑混杂式模块化多电平换流器特点，提出任何时刻桥臂内不同时存在正投入子模块和负投入子模块原则，根据桥臂子模块的初始状态、桥臂电平数量变化及桥臂电流方向综合考虑，确定子模块投切的数量和编号，避免大范围子模块投切引起子模块开关频率较高的问题，仅让最需要投切的子模块进行动作能够有效降低子模块的开关频率，进而降低开关损耗。

(2)本发明引入子模块电压最大偏差参考ΔU_ref指标，当子模块电压最大偏差越限时，通过重投操作平衡桥臂电容电压，维持了各子模块的能量均衡，有效控制电容电压幅值的波动限定在一定范围内。

(3)本发明方法只需在换流器启动时刻以及电压偏差过大时进行子模块全排序，之后仅需对某个记录库中的子模块进行排序操作，从而有效减少了控制所需时间，提高响应速度。

附图说明

图1(a)为MMC的结构示意图。

图1(b)为MMC任一桥臂的结构示意图。

图1(c)为半桥子模块的结构示意图。

图1(d)为全桥子模块的结构示意图。

图2为混杂式双极直流输电系统的主回路仿真模型示意图。

图3为本发明均衡控制方法的流程示意图。

图4(a)为采用本发明方法MMC子模块电容电压的波形图。

图4(b)为采用本发明方法MMC桥臂子模块电容电压最大偏差的波形图。

图4(c)为采用本发明方法MMC半桥子模块触发信号的波形图。

图4(d)为采用本发明方法MMC全桥子模块触发信号的波形图。

图4(e)为未采用本发明方法MMC半桥子模块触发信号的波形图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1给出了混杂式模块化多电平换流器的结构示意图。混杂式模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个桥臂串联电感和若干个半桥子模块与全桥子模块级联而成。其中半桥子模块和全桥子模块的比例视工程要求而定。每个半桥子模块包括一个电容C，两个IGBT管T1、T2和两个二极管D1、D2组成；其中，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的发电极各和电容C的一端相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连且为半桥子模块的一端(A端)，IGBT管T2的发射极和电容C的一端相连，为半桥子模块的另一端(B端)。每个全桥子模块包括一个电容C、四个IGBT管T1～T4和四个二极管D1～D4组成；其中，IGBT管T1的集电极与IGBT管T2的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T1的发射极与IGBT管T3的集电极相连且为全桥子模块的一端(A端)，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T2的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为全桥子模块的另一端(B端)。

表1给出了图1中半桥子模块的工作状态。从表中可以看出，半桥子模块能够输出两种电平+U_c(+1)和0，依次对应正向投入状态和切除状态。不同的状态，不同的电流方向决定了子模块电容电压的充放电情况。

表1

表2给出了图1中全桥子模块的工作状态。从表中可以看出，全桥子模块能够输出三种电平+U_c(+1)，0和-U_c(-1)，依次对应正向投入状态，切除状态和负向投入状态。不同的状态，不同的电流方向决定了子模块电容电压的充放电情况。

表2

如图3所示，一种混杂式模块化多电平换流器电容电压的均衡控制方法，主要包含如下步骤：

步骤1：对混杂式模块化多电平换流器的各桥臂，分别建立三个子模块状态记录库：正投入记录库、负投入记录库和切除记录库；在初始时刻，对桥臂内的各子模块进行检测，并将输出电平为正、负或零的子模块分别分配至正投入记录库、负投入记录库和切除记录库中。

步骤2：对于当前控制时刻，计算各桥臂中子模块电容电压最大值U_{sm_max}、最小值U_{sm_min}，同时确定桥臂内子模块电容电压最大偏差值ΔU_max和桥臂的电流i_am；

对于各桥臂的三个记录库，首先，任取各库内两个子模块进行电容电压比较，令较大的电容电压为U_cmax，较小的电容电压为U_cmin；然后，使库内其他子模块的电容电压与U_cmax和U_cmin逐一进行比较，从而更新U_cmax和U_cmin，直至完成所有比较后，最后使U_cmax和U_cmin分别作为该记录库的子模块电容电压最大值和最小值。

使三个记录库的子模块电容电压最大值进行比较，取三者最大的为桥臂的子模块电容电压最大值，并记录该最大值对应子模块所在记录库的位置；使三个记录库的子模块电容电压最小值进行比较，取三者最小的为桥臂的子模块电容电压最小值，并记录该最小值对应子模块所在记录库的位置。

桥臂子模块最大电压偏差的计算公式如下：

U_{sm_max}＝max{U_{p_max},U_{n_max},U_{z_max}}

U_{sm_min}＝min{U_{p_min},U_{n_min},U_{z_min}}

ΔU_max＝U_{sm_max}-U_{sm_min}

其中：ΔU_max为该桥臂子模块的最大电压偏差，U_{p_max}，U_{n_max}和U_{z_max}分别为桥臂的正投入记录库、负投入记录库和切除记录库中标记为U_cmax的子模块电容电压；U_{p_min}，U_{n_min}和U_{z_min}分别为桥臂的正投入记录库、负投入记录库和切除记录库中标记为U_cmin的子模块电容电压。

步骤3：若桥臂子模块最大电压偏差ΔU_max小于桥臂子模块最大电压允许偏差ΔU_{max_ref}，则直接进入步骤4；否则，进入桥臂子模块重投操作，重投操作方法如下：

利用最近电平调制方法计算出的桥臂当前控制时刻所需投入的电平数M_{on_now}。

若M_{on_now}大于零，且i_am为正，则将三个记录库所有子模块按电容电压值从高到底重新排序，仅正投入子模块中电容电压最低的M_{on_now}个子模块，并更新桥臂三个记录库；

若M_{on_now}大于零，且i_am不为正，则将三个记录库所有子模块按电容电压值从高到底重新排序，仅正投入子模块中电容电压最高的M_{on_now}个子模块，并更新桥臂三个记录库；

若M_{on_now}不大于零，且i_am为正，则将所有全桥子模块按电容电压值从高到底重新排序，仅负投入全桥子模块中电容电压最高的|M_{on_now}|个子模块，并更新桥臂三个记录库；

若M_{on_now}不大于零，且i_am不为正，则将所有全桥子模块按电容电压值从高到底重新排序，仅负投入全桥子模块中电容电压最低的|M_{on_now}|个子模块，并更新桥臂三个记录库。

重投操作结束后，结束当前时刻本桥臂的子模块投切操作。

步骤4：利用最近电平调制方法计算出桥臂在当前控制时刻所需投入的电平数M_{on_now}，将其与前一控制时刻所需投入的电平数M_{on_last}作差，获得桥臂电平差M_diff；

若桥臂电平差M_diff为零，则当前时刻子模块不进行投切操作，子模块维持原脉冲不变；

若M_diff大于零，则当前时刻子模块投切方法如下：

若M_{on_last}大于0，且i_am大于0，则对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并正投入该库中电容电压最低的M_diff个子模块，更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}大于0，且i_am不大于0，则对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并正投入该库中电容电压最高的M_diff个子模块，更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}不大于0，且M_{on_now}大于0，i_am大于0，则首先切除所有负投入的全桥子模块，更新桥臂三个记录库；然后对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并正投入该库中电容电压最低的M_{on_now}个子模块，再次更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}不大于0，且M_{on_now}大于0，i_am不大于0，则首先切除所有负投入的全桥子模块，更新桥臂三个记录库；然后对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并正投入该库中电容电压最高的M_{on_now}个子模块，再次更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}不大于0，且M_{on_now}不大于0，i_am大于0，则首先对负投入记录库中的全桥子模块按电容电压从高到低进行排序，并切除该库中电容电压最低的M_diff个全桥子模块，更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}不大于0，且M_{on_now}不大于0，i_am不大于0，则首先对负投入记录库中的全桥子模块按电容电压从高到低进行排序，并切除该库中电容电压最高的M_diff个全桥子模块，更新桥臂三个记录库。

当前时刻，本桥臂的子模块投切操作结束。

若M_diff小于零，则当前时刻子模块投切方法如下：

若M_{on_last}大于0，且M_{on_now}大于0，i_am大于0，则首先对正投入记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并切除该库中电容电压最高的|M_diff|个子模块，更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}大于0，且M_{on_now}大于0，i_am不大于0，则首先对正投入记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并切除该库中电容电压最低的|M_diff|个子模块，更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}大于0，且M_{on_now}不大于0，i_am大于0，则首先切除所有正投入的子模块，更新桥臂三个记录库；然后对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并负投入该库中电容电压最高的|M_{on_now}|个全桥子模块，再次更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}大于0，且M_{on_now}不大于0，i_am不大于0，则首先切除所有正投入的子模块，更新桥臂三个记录库；然后对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并负投入该库中电容电压最低的|M_{on_now}|个全桥子模块，再次更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}不大于0，且i_am大于0，则对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并负投入该库中电容电压最高的|M_diff|个全桥子模块，更新桥臂三个记录库；

若M_{on_last}不大于0，且i_am不大于0，则对切除记录库中的子模块按电容电压从高到低进行排序，并负投入该库中电容电压最低的|M_diff|个全桥子模块，更新桥臂三个记录库。

当前时刻，本桥臂的子模块投切操作结束。

为了进一步验证本实施方式的有效性和可行性，在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了如图2所示的混合直流输电系统仿真平台。系统的额定直流电压为200kV，额定功率为200MW。整流站采用12脉动换流器，送端交流系统线电压有效值为345kV，阻抗为119Ω∠84°(SCR＝5)，变压器变比为345kV/90kV，容量和漏抗为120MVA/0.15pu。受端交流系统线电压有效值为345kV，阻抗为96Ω∠75°，变压器变比为345kV/110kV，容量和漏抗为240MVA/0.1pu，因而电压调制比m＝0.9。取全桥子模块和半桥子模块的电容及电压为8000μF/5kV，各桥臂分别含有全桥子模块和半桥子模块16、24个。

取子模块最大电压偏差允许值ΔU_max为0.5kV，即电容额定电压的10％。图4(a)～(d)分别给出了验证系统在稳态运行时段，采用本方法后桥臂子模块的电容电压、桥臂子模块的电容电压最大偏差值、一个半桥子模块的触发信号和一个全桥子模块的触发信号，图4(e)给出了未采用本方法，每个时段均采用重投方法时半桥子模块的触发信号。通过比较两者子模块的触发信号波形可见，采用本专利提出的方法后，既能够有效维持电容电压在稳定的范围内，又可以大大降低子模块开关频率，同时也减少了排序算法所需要的时间与资源，加快控制速度。

Claims

1.一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，包括如下步骤：

若ΔU≥ΔU_ref，则对桥臂进行子模块重投操作，并对各记录库进行更新，具体实现方法如下：

若当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}≤0，且桥臂电流i_am≤0；则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最低的|M_{on_now}|个全桥子模块，同时切除其他子模块；

若ΔU＜ΔU_ref，则执行步骤(4)；

(4)使当前时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_now}减去上一时刻桥臂所需投入的电平数M_{on_last}，得到桥臂电平差M_diff；进而对桥臂进行子模块投切操作，并对各记录库进行更新，具体实现方法如下：

在桥臂电平差M_diff＞0情况下：

在桥臂电平差M_diff＜0情况下：

2.根据权利要求1所述的均衡控制方法，其特征在于：对于桥臂内的任一半桥子模块，其输出电平为U_c或0且对应正向投入状态或切除状态；对于桥臂内的任一全桥子模块，其输出电平为U_c、-U_c或0且对应正向投入状态、负向投入状态或切除状态；故正投入记录库和切除记录库中包含有半桥子模块、全桥子模块或者半桥子模块和全桥子模块两种类型的子模块，而负投入记录库中只包含有全桥子模块。

3.根据权利要求1所述的均衡控制方法，其特征在于：所述的步骤(2)中确定桥臂子模块电容电压的最大值U_{sm_max}和最小值U_{sm_min}的具体实现方法为：首先，任取桥臂中两个子模块进行电容电压比较，令较大的电容电压为U_{sm_max}，较小的电容电压为U_{sm_min}；然后，使桥臂中其他子模块的电容电压与U_{sm_max}和U_{sm_min}逐一进行比较，从而更新U_{sm_max}和U_{sm_min}；直至完成所有比较后，最后使U_{sm_max}和U_{sm_min}分别作为桥臂子模块电容电压的最大值和最小值。