CN104218833A - 一种灵活的模块化多电平换流器子模块电容均压调制方法 - Google Patents

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夏向阳
周臻
张贵涛
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Abstract

本发明涉及采用灵活的分级排序电容均压调制对模块化多电平换流器(MMC)进行有效控制，实现了在不同输电环境中，直流侧模块化多电平换流器子模块电容均压效果的提高和平均开关频率的降低。基于分级排序电容均压优化方法的使用，使子模块电容电压分配更平均，柔性直流输电系统可靠性更强；利用模式切换系统的灵活调制策略能在开关频率和均压效果之间折中，既降低了系统开关频率，稳态损耗得到有效控制，也使系统子模块电容电压分配更平均，系统可靠性得到进一步加强，具有一定的实际工程实用价值。

Description

一种灵活的模块化多电平换流器子模块电容均压调制方法
技术领域
本发明涉及采用灵活的分级排序电容均压控制对模块化多电平换流器(MMC)进行有效控制，实现了在不同输电环境中，直流侧模块化多电平换流器子模块电容均压效果的提高和平均开关频率的降低。
背景技术
随着能源问题和环境问题的日益严峻，可再生能源发电越来越得到人们的重视。柔性直流输电由于其可以工作在无源逆变方式、实现有功和无功的独立控制及功率的四象限运行、有效地降低系统低次谐波等技术特点，非常适用于风能、太阳能等清洁能源的传输，海上钻探平台和孤立小岛等无源负荷供电，城市配电网改造等领域。柔性直流输电的技术优势随着拓扑结构的改进和调制方法的不断创新也在一步步完善，模块化多电平换流器(MMC)是现阶段柔性直流输电中最受青睐的拓扑结构，伴随着研究的深入，一系列新型调制策略被提出，但由于它们的控制频率较高，增加了硬件负担，在现实中可能无法实现；且子模块频繁开通和关断，增大了换流器的开关损耗；还可能使各子模块的开关频率不一致，对系统可靠性造成不利的影响。因此在模块化多电平柔性直流输电实际工程应用中，如何对MMC进行有效控制是一个非常重要的环节。
现有的模块化多电平换流器控制策略主要有基于空间矢量思路的SVPWM调制技术、基于最近电平调制的子模块均压优化技术、基于载波相移的子模块均压优化技术等。其中，基于空间矢量思路的SVPWM调制技术的主要问题是SVPWM算法会随电平数的增加产生数量及其庞大的冗余矢量，而考虑高压大功率现场的实际要求，模块化多电平换流器各桥臂通常由几十个甚至上百个子模块级联而成，这一方面增加了矢量选择性的难度，另一方面也增加了算法的复杂性；基于最近电平调制的子模块均压优化技术，仅在电平变化点以及设定的额外控制点进行投切控制，以起到降低开关频率的目的，但额外控制点的引入，提高了控制频率，将使电容均压控制器的控制频率为非恒定频率，增加了控制系统的复杂度；基于载波相移的子模块均压优化技术，仅在PWM波电平变换点进行投切操作，该方法对均压控制器的控制频率要求较高，实现有一定难度。本发明涉及采用了一种灵活的分级排序电容均压控制对模块化多电平换流器(MMC)进行有效控制，实现了在不同输电环境中，直流侧模块化多电平换流器子模块电容均压效果的提高和平均开关频率的降低。具有重要的现实意义。
发明内容
本发明主要针对模块化多电平换流器调制，采用灵活的分级排序电容均压控制策略，通过基于分级排序电容均压优化方法和载波相移的子模块均压优化技术之间的灵活转换，使调制策略在均压效果和开关频率之间转换和取优，提高调制策略的有效性，在开关频率和均压效果之间折中，具有很大的工程意义。
本发明提出的灵活的分级排序电容均压调制，基于分级排序电容均压策略和载波相移的子模块均压优化策略，可以根据检测到的子模块电容电压信号在两种控制策略之间自适应调整。动态过程如下：
1)设定一个电压值UV为桥臂最高电压和最低电压之差；
2)子模块电压监测：对检测到子模块电容电压最高值和最低值相减；
3)模式切换：若电压差超过设定电压差UV时，模式切换控制器自动选择基于分级排序电容均压优化法，此时由于分级排序电容均压优化法的均压效果优于基于载波相移电容均压优化法，可使最大电容偏差回归到设定范围内；
基于分级排序电容均压优化方法：
在电平变化点不再仅改变处于投入/切除状态子模块的开关状态，而是对处于投入和切除状态的子模块分别进行排序，继而根据电平数的变化以及桥臂电流方向，确定投入以及切除状态子模块所需改变开关状态的个数，使能量在各子模块之间的分配更加平均，均压效果更为理想。
其有益效果是：
本发明重点研究基于分级排序电容均压调制的灵活调制策略，提供柔性直流输电系统的新型调制方案：
(1)基于分级排序电容均压优化方法的使用，使子模块电容电压分配更平均，使柔性直流输电系统可靠性更强；
(2)利用模式切换系统的灵活调制能在开关频率和均压效果之间折中，既降低了系统开关频率，稳态损耗得到有效控制，也使了系统子模块电容电压分配更平均，系统可靠性得到进一步加强，具有很大的工程意义。
附图说明
图1是本发明专利所适用的三相模块化多电平柔性直流输电系统拓扑图；
图2是本发明专利所适用的模块化多电平换流器子模块结构示意图；
图3是本发明所采用分级排序电容均压调制流程图；
图4是本发明灵活的模块化多电平换流器电容均压调制控制框图；
具体实施方式
以下将结合图和具体实施过程对本发明专利作进一步详细说明：
参见图1，MMC拓扑采用多个模块串联的结构，三相N+1电平模块化多电平换流器的拓扑结构如图1所示，由6个桥臂组成，未考虑冗余设计时各桥臂均由N个半桥子模块级联构成，
各子模块不需要同时导通，通过各模块电压的叠加实现近似正弦波的输出。由图1、图2可见，通过控制子模块的2个开关管就可控制其输出电压状态。子模块有3个开关状态，即投入、切除和闭锁。可以通过有选择性的控制各子模块的开关状态，得到桥臂希望的输出电压电平。因此，相单元的桥臂可等效成一个可控的电压源，即MMC的阀控可以以桥臂为单元进行控制；
参见图2，子模块结构为两只带反并联二极管的绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的半H桥，子模块有3个开关状态，即投入、切除和闭锁，当子模块运行于“闭锁”状态时，上下IGBT均未触发，此时电流经D1流向电容向电容充电，或者电流通过D2对电容电压无影响。该状态多发生在非正常工作状态(如直流侧短路或者交流侧短路)。当子模块运行于“投入”状态时，上IGBT触发导通而下IGBT未触发，此时电流经D1向电容充电或经上IGBT对电容进行放电。当子模块运行于“切除”状态时，上IGBT未触发而下IGBT触发导通，此时电流经下IGBT或D2，该状态对电容电压均没有任何影响；
参见图3，通过子模块传感器以典型毫秒级的采样率来对各子模块电容电压进行周期性地测量，根据测得的电压数值，利用软件对各子模块电容进行分类——投入和切除状态，对处于投入和切除状态的子模块分别进行排序，继而根据电平数的变化以及桥臂电流方向，确定投入以及切除状态子模块所需改变开关状态的个数：Non为该时刻处于投入状态的子模块数，Non_old为上一时刻处于投入状态的子模块数，ΔNon表示相邻时刻处于投入子模块数之差，通常情况下ΔNon为1。ΔNon>0表示需要有额外ΔNon个子模块投入，此时分别根据开关状态不同对子模块分别排序。当桥臂电流方向为正时，在处于投入状态的子模块中选择切除电容电压最高的子模块，同时选择投入ΔNon+1个处于切除状态且电容电压最低的子模块，这样既避免了以投入模块由于持续开通可能造成的电容电压越限，又根据初始状态对子模块电压进行排序，计算复杂度较所有子模块电压参与排序的方法大大下降。同理当桥臂电流方向为负时，在处于投入状态的子模块中选择切除电容电压最低的子模块，同时选择投入ΔNon+1个处于切除状态且电容电压最高的子模块。对于ΔNon<0的情况，见图3；
参见图4，对各个子模块进行电压监测，利用软件对最大电容电压差与设定的电压差值UV进行比较，表示如果电压差超过设定电压差UV时，模式切换控制器自动选择基于分级排序电容均压优化法。

Claims (1)

1.一种灵活的模块化多电平换流器子模块电容均压调制方法，其特征在于：针对模块化多电平换流器的调制策略，采用灵活的分级排序电容均压控制，通过在基于分级排序电容均压优化方法和基于载波相移的子模块均压优化技术之间的灵活转换，设定一个电压值V U 为桥臂最高电压和最低电压之差，若检测到子模块电容电压最高值和最低值的电压差超过设定电压差V U 时,模式切换控制器自动选择基于分级排序电容均压优化方法。
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