CN104362879B - 一种改进的最近电平逼近调制算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的最近电平逼近调制算法，在级联多电平产生触发脉冲的过程中，控制系统根据参考电压峰值与子模块电压做除法的余数情况，实时计算峰值附件参考电压的面积，进而确定最后一级子模块的精确工作时间：如果余数不超过参考电压的二分之一，则将该余数以及上一区间对应的正弦面积求和，进而计算对应子模块的作用时间；如果余数大于参考电压的二分之一，则计算该余数对应的正弦面积，进而计算对应子模块的作用时间。采用本法可以避免传统最近电平逼近算法在峰值附近时产生的等效面积误差，提高最后一级子模块输出电压的等效面积精度，从而提高控制系统的性能。

Description

一种改进的最近电平逼近调制算法

技术领域

本发明涉及级联多电平变流器中压应用领域，主要是级联数在一二十个左右的应用。

背景技术

目前，应用于级联多电平(MMC)的调制算法主要有以下三种：载波移相正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制和最近电平逼近调制。

1)载波移相正弦脉宽调制

载波移相正弦脉宽调制算法的基本思想：通过采用n个频率和幅值均相同，相角一次移开2π/n相位角的三角载波，分别对应每个桥臂的n个子模块，再同控制器产生的同一条正弦调制波进行比较，从而产生n组触发信号，分别控制该桥臂上n个子模块的投入和切除。将每相桥臂各子模块的输出电压进行叠加，便得到MMC每相桥臂交流侧的输出电压波形。

载波移相正弦脉宽调制算法对调制波的跟踪性能好，实现方式简单，且在较低的开关频率下，能够得到较高等效开关频率，能够明显地改善换流器交流侧输出电压的波形质量，因此在低电平MMC中得到了广泛的应用。但随着MMC电平数的增加，载波的数目也增加，导致载波移相正弦脉宽调制算法变得越来越复杂。

2)空间矢量脉宽调制

每相桥臂由2n个子模块串联而成的MMC，每相桥臂最多可以输出(n+1)种电平，则MMC共有(n+1)³种电平输出，定义每种电平输出状态对应于1个电压矢量，则可将MMC电压矢量分为三类：偶冗余矢量、奇冗余矢量和广义零矢量。空间矢量脉宽调制算法的基本思想是：MMC的三类电压矢量以60°为基准，将空间分为6个扇区。首先，确定参考电压矢量(MMC所需输出的电压矢量)的扇区位置。然后，在参考电压矢量所在的扇区，合理的选择电压矢量对参考矢量进行合成。最后，根据伏秒平衡原理，对冗余矢量和广义零矢量的作用时间进行合理分配，从而确定每相桥臂各子模块的投切状态。

空间矢量脉宽调制算法在MMC电平数较低时，能够实现对MMC的PWM控制。但由于空间矢量脉宽中电压空间矢量数目与电平数成立方关系，当MMC电平数较多时，其控制算法将变得复杂。因此，空间矢量脉宽调制在MMC电平数目较多时难以得到应用。

3)最近电平逼近调制

最近电平逼近调制算法的基本思想是：当MMC电平数足够多时，可以使用阶梯波通过瞬时电平叠加对调制波直接进行逼近，而不再需要采用脉宽控制的方法。

最近电平逼近调制较之载波移相正弦脉宽调制和空间矢量脉宽调制，其期间开关频率低、开关损耗小，且由于不需控制脉冲宽度，实现方式更简单。当MMC应用于高压、大功率直流输电时，为满足系统要求，MMC通常在每相桥臂上串联的子模块个数很多，往往达几十至数百。且MMC在最近电平逼近调制下能够获得谐波含量很低的输出波形。因此在高压、大功率的MMC-HVDC场合，最近电平逼近调制算法具有明显的优势。

但是最近电平逼近调制算法也存在缺陷，主要有两个方面的问题：1)最近电平逼近调制算法的电压分辨率为子模块直流电压U_c的二分之一，因此，当参考电压的峰值与子模块直流电压值相除的余数不大于U_c/2，将会导致逆变器输出电压等效面积小于参考电压的面积；2)余数大于U_c/2时，则会导致输出电压等效面积大于参考电压的面积。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的针对传统最近电平逼近调制策略，根据调制电压的峰值和子模块的电压值，实时计算峰值附近子模块投入的时间，使之克服现有技术的以上缺点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种改进的最近电平逼近调制算法，在级联多电平产生触发脉冲的过程中，控制系统将调制电压峰值与子模块直流电压值做除法向下取整并取余数，根据该余数和子模块直流电压二分之一的关系确定最大投入模块数量；在需要投入的模块数为最大模块数减一时，按照传统的最近电平逼近调制算法进行调制；最后一级子模块的工作时间实时计算的具体方法如下：如果调制电压峰值与子模块直流电压值相除后的余数不超过子模块直流电压的二分之一，则将该余数以及上一区间对应的正弦面积求和，进而计算对应子模块的作用时间；如果调制电压峰值与子模块直流电压值相除后的余数大于子模块直流电压的二分之一，则计算该余数对应的正弦面积，进而计算对应子模块的作用时间；以此控制最后一级子模块的工作时间。

采用本法可以避免传统最近电平逼近算法在峰值附近时产生的等效面积误差，提高峰值附近子模块输出电压的等效面积精度，从而提高控制系统的性能。

本发明提供的调制方法既能充分发挥最近电平逼近算法所具有的实现简单优点，又能避免在峰值附近以及最小电压分辨率带来的等效面积误差，提高控制系统的性能。

附图说明

图1是传统级联多电平最近电平逼近调制

图2是本发明提出的最近电平调制改进算法的第一种情况，也即级联多电平变流器控制系统输出的调制电压峰值U_sp与变流器子模块直流电压U_c相除后的余数不超过0.5U_c，此时需要将余数对应正弦面积以及上一区间对应的正弦面积求和，然后确定出最后一级子模块的作用时间

图3是本发明提出的最近电平调制改进算法的第二种情况，也即级联多电平变流器控制系统输出的调制电压峰值U_sp与变流器子模块直流电压U_c相除后的余数大于0.5U_c，此时需要计算出余数对应正弦面积，然后确定出最后一级子模块的作用时间

图4是本发明提出的改进算法实施流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

采用改进的最近电平逼近调制算法，设级联多电平变流器子模块直流电压为U_c，变流器控制系统输出的调制电压峰值为U_sp，瞬时值为u_s，变流器总的模块数为N，采用本发明的调试算法流程如图4所示，具体实施方式如下：

1)确定调制电压的峰值U_sp，将U_sp与U_c进行取整除并向下取整运算

n_max＝U_sp/U_c (1)

2)利用式判断需要投入的最大模块数n_amax

$\left\{\begin{array}{c}{n}_{a\max }=n_{\max },\left(u_{sp}-n_{\max }{U}_c\right)<=0.5U_c\\ n_{a\max }=n_{\max }+1,\left(u_{sp}-n_{\max }{U}_c\right)>0.5U_c\end{array}\right.---\left(2\right)$

3)计算最后一级投入子模块对应的正弦函数面积。

$S_{nlast}=\cos \&lsqb;\arcsin \left(\frac{n_{a\max }-1}{u_{sp}}{U}_c\right)\&rsqb;-\&lsqb;\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-\arcsin \left(\frac{n_{a\max }-1}{u_{sp}}{U}_c\right)\&rsqb;\frac{n_{a\max }-1}{u_{sp}}{U}_c---\left(3\right)$

4)计算最后一级投入子模块作用的时间

T_Nlast＝(U_sp/U_c)S_nlast (4)

则在[0,π/2]区间内，最后一级投入子模块作用的时刻为

$t_{Nlast}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}-T_{Nlast}---\left(5\right)$

在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员在不偏离本发明的范围和精神的情况下，对其进行的关于形式和细节的种种显而易见的修改或变化均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种改进的最近电平逼近调制算法，在级联多电平产生触发脉冲的过程中，控制系统将调制电压峰值与子模块直流电压值做除法向下取整并取余数，根据该余数和子模块直流电压二分之一的关系确定最大模块数；在需要投入的模块数为最大模块数减一时，按照传统的最近电平逼近调制算法进行调制；最后一级子模块的工作时间实时计算的具体方法如下：如果调制电压峰值与子模块直流电压值相除后的余数不超过子模块直流电压的二分之一，则将该余数以及上一区间对应的正弦面积求和，进而计算对应子模块的作用时间；如果调制电压峰值与子模块直流电压值相除后的余数大于子模块直流电压的二分之一，则计算该余数对应的正弦面积，进而计算对应子模块的作用时间；以此控制最后一级子模块的工作时间。