CN104617801A - 一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。本发明的方法使每个子模块以跟踪根据所在桥臂的子模块电容电压平均值为目标，产生控制脉冲延时控制量，根据直流电压调节方向和桥臂电流方向，控制子模块控制脉冲的上升沿延时时间和下降沿延时时间，改变一个周期内子模块电容的平均直流电流，实现子模块电容电压的均衡控制。本发明的方法不需要复杂的排序计算，可以大大减小计算量。所提出的子模块电容电压均衡控制方法可以在分布在每个子模块的控制单元中实现，实现的复杂程度不随桥臂子模块级联数目增大而提高，非常适用于极大电平数目的模块化多电平换流器。

Description

一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)易于实现较大的电平数目，并且可以提供一个公共的直流侧，可以较为容易的实现背靠背的连接，使其十分适合于直流输电的应用。MMC技术的出现和发展使得在直流输电领域实现更高电压、更大容量和更高性能电压源换流器成为可能，极大的推动了电压源型直流输电技术的发展。自MMC技术出现之后，电压源型直流输电工程绝大部分都是采用的MMC拓扑结构或在其基础上的变化。目前电压源型直流输电的直流电压等级已经达到数百千伏，每个桥臂上所需级联的子模块也达到数百个。

MMC中各子模块的直流电容都是悬浮的，必须通过控制流入和流出电容的能量来保持电容电压的恒定。由于各子模块的参数和损耗特性有所差异，脉冲开关时刻也可能存在一定误差，而各子模块的电容又都是悬浮的，在没有额外控制措施的情况下，各子模块的直流电容电压将可能不均衡，甚至有发散的趋势，使MMC不能工作，所以必须设计相应的直流电压均衡控制策略。

在已有方法中一般是通过排序法实现MMC子模块电容电压均衡控制，对同一桥臂各子模块的直流电容电压进行排序，根据桥臂电流方向选择开关状态组合方式，使电容电压较高的子模块处于放电状态，或者使电容电压较低的子模块处于充电状态。对于这种方法，当桥臂中级联的子模块数目达到数百个后，排序计算量非常大，给控制器带来极大的负担，甚至将难以实现。这也成为限制MMC实现更高电压等级的主要制约因素之一。

发明内容

本发明的目的是提出一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，对于每个子模块，以跟踪根据所在桥臂的子模块电容电压平均值为目标，产生控制脉冲延时控制 量，根据子模块电容电压偏差方向和桥臂电流方向，控制子模块控制脉冲的上升沿延时时间和下降沿延时时间，改变一个周期内子模块电容的平均直流电流，实现子模块电容电压的均衡控制。

本发明提出的模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，包括以下步骤：

(1)设定模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目为N，采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压U_c(i)，i＝1,2,3...N，计算得到桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}，  $U_{c\_\mathrm{avg}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{c\left(i\right)}}{N};$

(2)设定一个子模块电容电压均衡控制系数k，根据上述同一桥臂N个子模块的电容电压U_c(i)，以及上述桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}，计算得到同一桥臂中各子模块的延时控制量t_c(i)，t_c(i)＝k(U_c(i)-U_{c_avg})；

(3)根据上述同一桥臂中各子模块的延时控制量t_c(i)，计算得到同一桥臂中各子模块的控制脉冲延时时间t_d(i)，t_d(i)＝|t_c(i)|；

(4)将步骤(2)的延时控制量t_c(i)与零相比较，得到表示各子模块电容电压的偏差方向的逻辑信号FU_(i)，当t_c(i)≥0时，FU_(i)＝1，当t_c(i)＜0时，FU_(i)＝0；

(5)采集模块化多电平换流器的桥臂电流i_brg，将该桥臂电流i_brg与零相比较，得到桥臂电流方向的逻辑信号FI_(i)，当i_brg≥0时，FI_(i)＝1，当i_brg时，FI_(i)＝0；

(6)根据上述步骤(5)的桥臂电流方向逻辑信号FI_(i)，以及上述步骤(4)的电容电压的偏差方向的逻辑信号FU_(i)，通过同或门计算得到子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，FM_(i)＝FI_(i)XNOR FU_(i)，其中XNOR表示同或门计算；

(7)根据上述步骤(6)的子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，以及上述步骤(3)的脉冲延时时间t_d(i)，计算控制脉冲上升沿延时时间t_r(i)，当FM_(i)＝1时，t_r(i)＝t_d(i)，当FM_(i)＝0时，t_r(i)＝0；

(8)根据上述步骤(6)的子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，以及上述步骤(3)的控制脉冲延时时间t_d(i)，计算得到控制脉冲下降沿延时时间t_r(i)，当FM_(i)＝1时，t_f(i)＝0，当FM_(i)＝0时，t_f(i)＝t_d(i)；

(9)根据上述步骤(8)的控制脉冲下降沿延时时间t_r(i)，以及上述步骤(7)的控制 脉冲上升沿延时时间t_r(i)，将子模块控制脉冲信号的上升沿控制延时t_r(i)，下降沿控制延时t_r(i)，实现模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制。

本发明提出的模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，其特点和优点是，本方法只需要根据子模块电容电压、子模块所在桥臂的子模块电容电压平均值、桥臂电流方向确定控制脉冲延时模式和延时时间，不需要复杂的排序计算，可以大大减小计算量。所提出的子模块电容电压均衡控制方法，可以在分布于每个子模块的控制单元中实现，实现的复杂程度不随桥臂子模块级联数目增大而提高，因此非常适用于极大电平数目的MMC。

附图说明

图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。

图2是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的子模块结构示意图。

图3是子模块的控制脉冲信号、桥臂电流和子模块电容电流的波形示意图。

图4是通过脉冲延时控制子模块电容电压上升的方式示意图。

图5是通过脉冲延时控制子模块电容电压下降的方式示意图。

图6是通过本发明方法的原理框图。

具体实施方式

本发明提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，其中涉及的模块化多电平换流器的结构示意图如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)设定模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目为N，采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压U_c(i)，i＝1,2,3...N，计算得到桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}，  $U_{c\_\mathrm{avg}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{c\left(i\right)}}{N};$

(2)设定一个子模块电容电压均衡控制系数k，根据上述同一桥臂N个子模块的电容电压U_c(i)，以及上述桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}，计算得到同一桥臂中各子模块的延时控制量t_c(i)，t_c(i)＝k(U_c(i)-U_{c_avg})；

(3)根据上述同一桥臂中各子模块的延时控制量t_c(i)，计算得到同一桥臂中各子模块 的控制脉冲延时时间t_d(i)，t_d(i)＝|t_c(i)|；

(4)将步骤(2)的延时控制量t_c(i)与零相比较，得到表示各子模块电容电压的偏差方向的逻辑信号FU_(i)，当t_c(i)≥0时，FU_(i)＝1，当t_c(i)＜0时，FU_(i)＝0；

(5)采集模块化多电平换流器的桥臂电流i_brg，将该桥臂电流i_brg与零相比较，得到桥臂电流方向的逻辑信号FI_(i)，当i_brg≥0时，FI_(i)＝1，当i_brg时，FI_(i)＝0；

(6)根据上述步骤(5)的桥臂电流方向逻辑信号FI_(i)，以及上述步骤(4)的电容电压的偏差方向的逻辑信号FU_(i)，通过同或门计算得到子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，FM_(i)＝FI_(i)XNOR FU_(i)，其中XNOR表示同或门计算；

(7)根据上述步骤(6)的子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，以及上述步骤(3)的脉冲延时时间t_d(i)，计算控制脉冲上升沿延时时间t_r(i)，当FM_(i)＝1时，t_r(i)＝t_d(i)，当FM_(i)＝0时，t_r(i)＝0；

(8)根据上述步骤(6)的子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，以及上述步骤(3)的控制脉冲延时时间t_d(i)，计算得到控制脉冲下降沿延时时间t_r(i)，当FM_(i)＝1时，t_f(i)＝0，当FM_(i)＝0时，t_f(i)＝t_d(i)；

(9)根据上述步骤(8)的控制脉冲下降沿延时时间t_r(i)，以及上述步骤(7)的控制脉冲上升沿延时时间t_r(i)，将子模块控制脉冲信号的上升沿控制延时t_r(i)，下降沿控制延时t_r(i)，实现模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制。

以下结合附图详细说明本发明内容。

图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。模块化多电平换流器由6个桥臂构成，每个桥臂包含有N个级联的子模块。图2是桥臂中的子模块结构示意图，由于子模块电容是悬浮的必须通过控制流入和流出电容的能量来保持子模块电容电压的恒定。对于同一个桥臂中的N个子模块，还必须采用电容电压控制均衡控制方法维持这N个子模块电容电压的均衡。

对于图2中所示的子模块，可以定义这个子模块的开关状态函数为：

子模块所在桥臂的电流可以表示为：

其中I_a为换流器的交流侧输出电流有效值，为功率因数角，I_ad为桥臂电流的直流分量。

子模块电容电流i_c(i)可以表示为如下：

i_c(i)(t)＝S_i(t)×i_brg(t)                  (3) 

图3是桥臂中第i个子模块的控制脉冲信号S_i、子模块所在的桥臂电流i_brg和子模块电容电流i_c(i)的波形示意图。从图3中的子模块电容电流i_c(i)的波形可以看出，子模块电容电流可以分为以下几种情况：

1)S_i＝0：此时电容电流i_c(i)＝0，电容电压维持不变。

2)S_i＝1，i_brg>0：此时电容电流i_c(i)>0，相当于电容充电，电容电压上升。在图3中用阴影将这种情况标示为充电区域。

3)S_i＝1，i_brg<0：此时电容电流i_c(i)<0，相当于电容放电，电容电压下降。在图3中用阴影将这种情况标示为放电区域。

在理想的稳态运行情况下，图3中所示的充电区域和放电区域的面积相等，一个工频周期内电容的充放电作用相互抵消，电容电压应保持不变。在实际运行中，由于各子模块的参数和损耗特性有所差异，脉冲开关时刻也可能存在一定误差，各子模块的直流电容电压将可能不均衡，甚至有发散的趋势。本发明提出的方法就是通过微小的调整子模块控制脉冲的上升沿延时或者下降沿延时，调节图3中所示的充电区域面积和放电区域面积的大小，来维持同一个桥臂内个子模块电容电压的均衡。当子模块电容电压较高时，使放电区域面积增加，电容电压下降；当子模块电容电压较低时，使充电区域面积增加，电容电压上升。

图4是控制子模块电容电压上升的方式。判断桥臂电流方向，分为以下两种情况：

1)当桥臂电流i_brg≥0时，对脉冲的下降沿进行延时控制，增加充电区域面积；

2)当桥臂电流i_brg＜0时，对脉冲的上升沿进行延时控制，减小放电区域面积。

图5是控制子模块电容电压下降的方式。判断桥臂电流方向，分为以下两种情况：

1)当桥臂电流i_brg≥0时，对脉冲的上升沿进行延时控制，减小充电区域面积；

2)当桥臂电流i_brg＜0时，对脉冲的下降沿进行延时控制，增加放电区域面积。

本发明提出的对模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法就是根据以上分析进行设计的，图6是本发明方法的框图。首先采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压U_c(i)(i＝1,2,3...N)，计算得到桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}，

$U_{c\_\mathrm{avg}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{c\left(i\right)}}{N}---\left(4\right)$

子模块电容电压均衡控制的目标是使这个桥臂的各子模块电容电压均向电容电压平均值U_{c_avg}调整。对于桥臂中第i个子模块(i＝1,2,3...N)，首先根据此子模块电容电压值和电容电压平均值之间的差值计算出延时控制量如下：

t_c(i)＝k(U_c(i)-U_{c_avg})              (5) 

其中k为子模块电容电压均衡控制系数，决定了电压均衡控制作用的强弱。k越大，延时控制量越大，均衡控制作用越强。k越小，延时控制量越小，均衡控制作用越弱。但是过强的均衡控制作用也会带来过大的脉冲延时时间，给正常换流器控制带来不利的影响。因此k的取值应当适当，以最大的脉冲延时时间不超过20微秒为宜。

由于子模块电容电压U_c(i)可能大于电容电压平均值U_{c_avg}，也可能小于电容电压平均值U_{c_avg}，因此延时控制量t_c(i)可能是正的，也可能是负的。但是脉冲延时时间必须是正的。因此需要先通过将延时控制量t_c(i)进行绝对值计算得到脉冲延时时间t_d(i)，

t_d(i)＝|t_c(i)|                  (6) 

然后再根据t_c(i)的正负确定具体的脉冲延时控制模式。脉冲控制模式可以分为如下几种情况：

1)当t_c(i)≥0时，意味着子模块电容电压大于电容电压平均值，应该将此子模块的电容电压向下调节。也就是应该按照图5的模式增大放电区域面积，减小充电区域面积。具体方式就是：当i_brg≥0时，将该子模块的控制脉冲上升沿延时t_d(i)，而下降沿不进行延时；当i_brg＜0时，将该子模块的控制脉冲下降沿延时t_d(i)，而上升沿不进行延时。

2)当t_c(i)＜0时，意味着子模块电容电压小于电容电压平均值，应该将此子模块的电容电压向上调节。也就是应该按照图4的模式增大充电区域面积，减小放电区域面积。具体方式就是：当i_brg≥0时，将该子模块的控制脉冲下降沿延时t_d(i)，而上升沿不进行延时；当i_brg＜0时，将该子模块的控制脉冲上升沿延时t_d(i)，而下降沿不进行延时。

根据上述的脉冲延时控制模式分析，可以得到如下逻辑关系：当t_c(i)和i_brg同时大于等于零或者同时小于零时，则是对控制脉冲的上升沿延时t_d(i)，而下降沿不进行延时；否则是将该子模块的控制脉冲下降沿延时t_d(i)，而上升沿不进行延时。

所以图6的方法框图中是将延时控制量t_c(i)通过比较器与零相比较得到表示子模块电容电压偏差方向的逻辑信号FU_(i)，将桥臂电流i_brg通过比较器与零相比较得到子模块所在桥 臂的桥臂电流方向逻辑信号FI_(i)。然后将电流方向逻辑信号FI_(i)和电压方向逻辑信号FU_(i)通过同或门计算得到延时模式逻辑信号FM_(i)。FM_(i)＝1时就对应t_c(i)和i_brg同时大于等于零或者同时小于零时的情况；FM_(i)＝0时就对应t_c(i)和i_brg一个大于等于零而另一个小于零时的情况。这样根据延时模式逻辑信号FM_(i)就可以选择脉冲上升沿延时时间t_r(i)和脉冲下降沿延时时间t_r(i)。当FM_(i)＝1时t_r(i)＝t_d(i)，t_f(i)＝0；当FM_(i)＝1时t_f(i)＝t_d(i)，t_r(i)＝0。

最后将子模块控制脉冲信号S_i的上升沿控制延时t_r(i)，下降沿控制延时t_r(i)，就可以调节子模块电容的充放电区域的相对大小，对子模块电容电压起到调节作用。由于调节的目标是同一桥臂所有子模块的电容电压平均值，因此就可以实现模块化多电平换流器子模块电容电压的均衡控制。

本发明方法只需要根据子模块电容电压、子模块所在桥臂的子模块电容电压平均值、桥臂电流方向确定控制脉冲延时模式和延时时间，不需要复杂的排序计算，可以大大减小计算量。所提出的子模块电容电压均衡控制方法可以在分布在每个子模块的控制单元中实现，实现的复杂程度不随桥臂子模块级联数目增大而提高，非常适用于极大电平数目下的MMC。

Claims (1)

1.一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设定模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目为N，采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压U_c(i)，i＝1,2,3...N，计算得到桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}， $U_{c\_\mathrm{avg}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{c\left(i\right)}}{N};$

(2)设定一个子模块电容电压均衡控制系数k，根据上述同一桥臂N个子模块的电容电压U_c(i)，以及上述桥臂子模块电容电压平均值U_{c_avg}，计算得到同一桥臂中各子模块的延时控制量t_c(i)，t_c(i)＝k(U_c(i)-U_{c_avg})；

(3)根据上述同一桥臂中各子模块的延时控制量t_c(i)，计算得到同一桥臂中各子模块的控制脉冲延时时间t_d(i)，t_d(i)＝|t_c(i)|；

(4)将步骤(2)的延时控制量t_c(i)与零相比较，得到表示各子模块电容电压的偏差方向的逻辑信号FU_(i)，当t_c(i)≥0时，FU_(i)＝1，当t_c(i)＜0时，FU_(i)＝0；

(5)采集模块化多电平换流器的桥臂电流i_brg，将该桥臂电流i_brg与零相比较，得到桥臂电流方向的逻辑信号FI_(i)，当i_brg≥0时，FI_(i)＝1，当i_brg时，FI_(i)＝0；

(6)根据上述步骤(5)的桥臂电流方向逻辑信号FI_(i)，以及上述步骤(4)的电容电压的偏差方向的逻辑信号FU_(i)，通过同或门计算得到子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，FM_(i)＝FI_(i)XNOR FU_(i)，其中XNOR表示同或门计算；

(7)根据上述步骤(6)的子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，以及上述步骤(3)的脉冲延时时间t_d(i)，计算控制脉冲上升沿延时时间t_r(i)，当FM_(i)＝1时，t_r(i)＝t_d(i)，当FM_(i)＝0时，t_r(i)＝0；

(8)根据上述步骤(6)的子模块控制脉冲的延时模式逻辑信号FM_(i)，以及上述步骤(3)的控制脉冲延时时间t_d(i)，计算得到控制脉冲下降沿延时时间t_r(i)，当FM_(i)＝1时，t_f(i)＝0，当FM_(i)＝0时，t_f(i)＝t_d(i)；

(9)根据上述步骤(8)的控制脉冲下降沿延时时间t_r(i)，以及上述步骤(7)的控制脉冲上升沿延时时间t_r(i)，将子模块控制脉冲信号的上升沿控制延时t_r(i)，下降沿控制延时t_r(i)，实现模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制。