CN104917406A - 一种适用于mmc的基于共模注入的最近电平逼近调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法，该方法将共模分量注入三相最近电平逼近调制波，共模注入引入的“削顶”降低了相电压幅值水平，从而在子模块电压不变的情况下有效降低了桥臂所需子模块数(为保证直流侧电压水平不变，引入共模注入后，桥臂中每时刻至少存在一个投入的子模块)；而由于三相共模分量相同，注入后三相系统线电压水平不变。因此，本发明在功率传输水平不变的情况下，有效降低MMC所需子模块数，从而在相同电流水平下有效降低MMC导通损耗，使MMC系统总损耗得到合理优化。

Description

一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)自2002年问世以来，以模块化程度高、输出波形质量好、阶跃电压低、器件开关频率低等特点，日益成为高压直流(High Voltage Direct Current，HVDC)输电系统中最具发展前景的换流器拓扑结构之一。

受益于开关频率低的特点，MMC系统的开关损耗较低；而为保证交流侧输出波形质量，MMC中需包含大量子模块，受制于此，其损耗相较于传统多电平拓扑较高。损耗的增加不仅使散热设计难度增大，对开关器件应力也提出来更高的要求。因此，合理控制MMC损耗是MMC设计中的重点之一。目前投入运行的MMC-HVDC项目中大多采用半桥子模块(HalfBridge Sub-Module，HBSM)结构，该结构功率器件数量少、系统成本低、运行效率高，但无论该子模块处于投入还是切除状态，其中均有一开关管处于导通状态。受制于此，MMC的导通损耗占据了总损耗的主导地位，有效降低导通损耗将对系统损耗控制产生关键性作用。

现有MMC的损耗控制有以下两种途径：1)提升器件性能；2)优化控制算法。前者要求从导通压降、开关时间等方面优化器件，并在硬件上进行升级，因此难度较大，成本较高。而后者并不需要升级硬件，因而成本较低，实现较易，是实现MMC损耗控制的理想途径。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法，可有效降低MMC子模块数量，从而在相同电流水平下有效降低系统导通损耗，使MMC系统损耗得到合理优化。

一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法，包括如下步骤：

(1)根据控制需求，计算出下一时刻MMC的三相调制电压u_a～u_c；

(2)通过比较确定MMC三相调制电压u_a～u_c中的调制电压最大值u_max和调制电压最小值u_min；

(3)根据所述的调制电压最大值u_max和调制电压最小值u_min，计算所需注入的共模分量u_com；

(4)根据所述的共模分量u_com，计算出下一时刻注入共模分量后MMC的三相调制电压u_a'～u_c'；

(5)根据所述的三相调制电压u_a'～u_c'，利用最近电平逼近法计算出下一时刻MMC各桥臂所需投入的子模块个数；

(6)对于MMC任一桥臂，检测当前该桥臂各子模块的电容电压以及桥臂电流，进而根据各子模块电容电压的大小以及桥臂电流的方向，确定下一时刻该桥臂所需投入及切除的子模块，并在下一时刻对这些子模块进行投切控制。

进一步地，所述的步骤(3)中通过以下公式计算共模注入分量u_com：

$u_{\mathrm{com}}=\frac{u_{\max }+u_{\min }}{2}$

进一步地，所述的步骤(4)中通过以下公式计算下一时刻注入共模分量后MMC的三相调制电压u_a'～u_c'：

$\left\{\begin{array}{c}{u_a}^{\′}=u_a-u_{\mathrm{com}}\\ {u_b}^{\′}=u_b-u_{\mathrm{com}}\\ {u_c}^{\′}=u_c-u_{\mathrm{com}}\end{array}\right.$

进一步地，所述的步骤(6)中对于MMC任一桥臂，确定下一时刻该桥臂所需投入及切除的子模块，具体过程如下：

根据子模块电容电压的大小，对该桥臂上的所有子模块进行排序，形成子模块队列；

若当前桥臂电流流向为充电方向，则从子模块队列中提取电容电压最小的N个子模块，并确定这N个子模块在下一时刻投入，其余子模块在下一时刻切除；

若当前桥臂电流流向为放电方向，则从子模块队列中提取电容电压最大的N个子模块，并确定这N个子模块在下一时刻投入，其余子模块在下一时刻切除；其中：N为下一时刻该桥臂所需投入的子模块个数。

本发明将共模分量注入三相最近电平逼近调制波，共模注入引入的“削顶”降低了相电压幅值水平，从而在子模块电压不变的情况下有效降低了桥臂所需子模块数(为保证直流侧电压水平不变，引入共模注入后，桥臂中每时刻至少存在一个投入的子模块)；而由于三相共模分量相同，注入后三相系统线电压水平不变。因此，本发明在功率传输水平不变的情况下，有效降低MMC所需子模块数，从而在相同电流水平下有效降低MMC导通损耗，使MMC系统总损耗得到合理优化。

附图说明

图1为单端三相模块化多电平换流器的拓扑结构图。

图2为最近电平逼近调制方式的波形示意图。

图3为半桥子模块的结构示意图。

图4(a)和图4(b)分别为MMC半桥子模块结构两种开关状态下充放电状态示意图。

图5为本发明基于共模分量注入的最近电平逼近MMC调制方式的波形示意图。

图6为本发明基于共模分量注入的最近电平逼近MMC调制方法的流程示意图。

图7为101电平MMC仿真系统框图。

图8为传统NLM(N＝100)与本发明(N'＝94)系统导通损耗对比示意图。

图9为传统NLM(N＝100)调制下a相上桥臂电压(u_pa)与本发明(N'＝94)调制下a相上桥臂电压(u_pa′)对比示意图。

图10为传统NLM(N＝100)调制下有功、无功功率(d,q)与本发明(N'＝94)调制下有功、无功功率(d',q')传输情况对比示意图。

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。

如图1所示，单端三相模块化多电平换流器(MMC)的基本单元为子模块(Sub-Module,SM)，N个子模块级联与一个桥臂电感串联构成一个桥臂，上下两个桥臂串联构成一个相单元。三相MMC换流器含有三个相单元，6个桥臂，6N个子模块。直流侧母线电压为U_dc，交流侧三相相电压分别为u_a、u_b和u_c。O点为零电位参考点。

MMC换流器的调制方法由多电平换流器的PWM调制方法衍生而来，MMC同时又具有电平数较多的特点，实际工程中MMC换流器可达到几百电平，空间矢量PWM调制方法不适用在MMC换流器中，针对电平数较多的换流器可采用最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation,NLM)，NLM具有计算量小，开关频率低等优点。图2为NLM调制方法的示意图。

MMC中的电容电压平衡影响直流母线的电压恒定、交流侧电压的输出波形质量及三相中环流大小，将电容电压的排序比较加入MMC的调制中可以在不增加硬件的情况下平衡子模块中的电容电压。采用最近电平调制方法确定桥臂中投入电容数，检测桥臂电流方向，判断桥臂中投入电路电容的充放电情况。电容处在充电状态时，投入电压较低的电容；电容处于放电状态时，投入电压较高的电容。

本实施方式中，MMC采用如图3所示的MMC半桥子模块结构，该子模块结构包括两个IGBT S₁、S₂(带反并二极管D₁、D₂)和一个直流电容。

图4为本实施方式MMC子模块结构的不同开关状态下的电流流向图。本实施方式的子模块结构存在两种运行模式：投入模式和切除模式。表1是MMC半桥子模块结构的开关状态表，其中U_c为平衡状态下各子模块电容电压。

表1

模式

S1

S2

iSM

uSM

状态

说明

1	1	0	+	UC	投入	电流流过D1给电容充电
							2	0	1	+	0	切除	电流流过S2将电容旁路
3	1	0	-	UC	投入	电流流过S1给电容放电
							4	0	1	-	0	切除	电流流过D2将电容旁路

表1中给出了对应不同电流方向，投入和切除状态下子模块中导通的器件。可见在所有四种工作模式下，半桥子模块中均存在一导通器件。

MMC的运行特性为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_j=\frac{u_{\mathrm{nj}}-u_{\mathrm{pj}}}{2}\\ U_{\mathrm{dc}}=u_{\mathrm{pj}}+u_{\mathrm{nj}}\end{array}\right.(j=a,b,c)$

其中：u_j为j相输出电压，u_nj、u_pj分别为j相下桥臂、上桥臂电压，U_dc为直流侧母线电压。

若j相输出电压参考值为：

${u_j}^{\mathrm{ref}}=\frac{{\mathrm{mU}}_{\mathrm{dc}}}{2}\cos \mathrm{\ωt}$

其中：m为调制比，ω为角频率。

则j相下桥臂、上桥臂电压参考值为：

$\left\{\begin{array}{c}{u_{\mathrm{nj}}}^{\mathrm{ref}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}[1-m\cos \mathrm{\ωt}]\\ {u_{\mathrm{pj}}}^{\mathrm{ref}}=\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2}[1+m\cos \mathrm{\ωt}]\end{array}\right.$

若子模块电压平衡，则j相下桥臂、上桥臂对应投入模块数N_n、N_p为：

$\left\{\begin{array}{c}{N}_n=\mathrm{round}\left\{\frac{U_{\mathrm{dc}}}{{2U}_c}\right[1-m\cos \mathrm{\ωt}\left]\right\}\\ N_p=\mathrm{round}\left\{\frac{U_{\mathrm{dc}}}{{2U}_c}\right[1+m\cos \mathrm{\ωt}\left]\right\}\end{array}\right.$

图5是本发明提出的基于共模注入的最近电平逼近MMC调制方式的示意图，其中：u_j为传统NLM调制波，u_j'为注入共模分量后的NLM调制波，u_com为共模分量。可见注入共模分量后，NLM调制波幅值较注入前有所下降，根据前述分析，这将有效降低上、下桥臂电压最大值，若子模块电压保持不变，则将降低MMC所需子模块数。若定义注入共模分量前后NLM调制波幅值比为则在相同输出电压水平下，本发明相较于传统NLM单桥臂可节省子模块数为其中U_m为MMC在一定功率等级下所需输出的线电压幅值。

由于共模分量为零序分量，从而并不影响三相输出线电压水平。而在输出三相电流相同的情况下，MMC系统导通损耗与子模块数呈正相关。因此，本发明可在保持输出功率水平不变的情况下，有效降低MMC系统导通损耗，从而使MMC系统总损耗得到合理优化。

本发明基于上述调制方式的数字实现方法，其总体流程图如图6所示，包括如下步骤：

(1)对于三相MMC，计算得该时刻各相应输出电压u_a，u_b，u_c；

(2)比较计算得该时刻三相电压最大值max(u_a，u_b，u_c)及三相电压最小值min(u_a，u_b，u_c)；

(3)基于(2)所得结果计算共模注入分量

(4)基于(3)所得结果计算注入工模分量后各相应输出电压u_a’，u_b’，u_c’；

(5)利用最近电平逼近法计算出下一时刻该桥臂所需投入的子模块电容个数；

(6)检测各子模块电容的电容电压以及桥臂电流，并根据电容电压对各子模块电容进行排序，形成电容队列；

(7)根据当前桥臂电流方向选取应投入的子模块：

若当前桥臂电流流向为充电方向，则从电容队列中提取电容电压最低的n个子模块电容，并通过子模块开关控制使这n个子模块电容在下一时刻投入，其余子模块电容在下一时刻切除；

若当前桥臂电流流向为放电方向，则从电容队列中提取电容电压最高的n个子模块电容，并通过子模块开关控制策略使这n个子模块电容在下一时刻投入，其余子模块电容在下一时刻切除；n为下一时刻桥臂所需投入的子模块电容个数。

在Matlab/Simulink上搭建101电平三相MMC仿真平台，其主要结构如图7所示，仿真的主要参数如表2中所示：

表2

传输有功功率	200MW
		交流侧三相线电压有效值	115kV
直流母线电压	200kV
		子模块电容值	0.013F
桥臂电感值	4mH
		单相投入子模块数	100
单桥臂子模块数N/N'	100/94
		功率传输方向	直流侧>>交流侧
调制方式	NLM

图8为传统NLM(N＝100)与本发明(N'＝94)系统导通损耗对比图，在保证三相输出电压、三相输出电流相同的情况下，导通损耗降低5.79％，和子模块数变化量(6％)基本一致。

图9为传统NLM(N＝100)与本发明(N'＝94)a相上桥臂输出电压波形图，其中：u_pa，u_pa'分别为NLM和共模注入NLM调制下a相上桥臂输出电压波形。可见共模注入使得桥臂电压幅值减小，从而在子模块电压不变的情况下有效减少了所需子模块数。

图10为传统NLM(N＝100)调制下有功、无功功率(d,q)与本发明(N'＝94)调制下有功、无功功率(d',q')传输情况对比图。在t₀时刻，有功功率和无功功率传输指令分别由0.4pu和0.6pu变为1.0pu和0.2pu。

Claims (4)

1.一种适用于MMC的基于共模注入的最近电平逼近调制方法，包括如下步骤：

(1)根据控制需求，计算出下一时刻MMC的三相调制电压u_a～u_c；

(2)通过比较确定MMC三相调制电压u_a～u_c中的调制电压最大值u_max和调制电压最小值u_min；

(3)根据所述的调制电压最大值u_max和调制电压最小值u_min，计算所需注入的共模分量u_com；

(4)根据所述的共模分量u_com，计算出下一时刻注入共模分量后MMC的三相调制电压u_a'～u_c'；

(5)根据所述的三相调制电压u_a'～u_c'，利用最近电平逼近法计算出下一时刻MMC各桥臂所需投入的子模块个数；

(6)对于MMC任一桥臂，检测当前该桥臂各子模块的电容电压以及桥臂电流，进而根据各子模块电容电压的大小以及桥臂电流的方向，确定下一时刻该桥臂所需投入及切除的子模块，并在下一时刻对这些子模块进行投切控制。

2.根据权利要求1所述的最近电平逼近调制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中通过以下公式计算共模注入分量u_com：

$u_{\mathrm{com}}=\frac{u_{\max }+u_{\min }}{2}.$

3.根据权利要求1所述的最近电平逼近调制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中通过以下公式计算下一时刻注入共模分量后MMC的三相调制电压u_a'～u_c'：

$\left\{\begin{array}{c}{u_a}^{\′}=u_a-u_{\mathrm{com}}\\ {u_b}^{\′}=u_b-u_{\mathrm{com}}\\ {u_c}^{\′}=u_c-u_{\mathrm{com}}\end{array}\right..$

4.根据权利要求1所述的最近电平逼近调制方法，其特征在于：所述的步骤(6)中对于MMC任一桥臂，确定下一时刻该桥臂所需投入及切除的子模块，具体过程如下：

根据子模块电容电压的大小，对该桥臂上的所有子模块进行排序，形成子模块队列；

若当前桥臂电流流向为充电方向，则从子模块队列中提取电容电压最小的N个子模块，并确定这N个子模块在下一时刻投入，其余子模块在下一时刻切除；

若当前桥臂电流流向为放电方向，则从子模块队列中提取电容电压最大的N个子模块，并确定这N个子模块在下一时刻投入，其余子模块在下一时刻切除；其中：N为下一时刻该桥臂所需投入的子模块个数。