CN105553310B - 一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法 - Google Patents

一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法，将调制度划分为高调制度和低调制度两个区间，在不同的区间，载波的幅值、角频率和交叠比例不同。根据上桥臂和下桥臂参考电压判断其所在调制度区间，得到载波的幅值、角频率和交叠比例，进一步得到上桥臂和下桥臂需要投入的子模块数，然后根据电容电压平衡控制方法，实现电容电压的平衡控制。无需对桥臂子模块进行排序，仅需得到投运或未投运子模块电容电压的最大值或最小值，减少了计算量。本发明的方法低调制度下线电压谐波特性优于载波同相层叠调制，在高调制度时与载波同相层叠调制相同，实现了模块化多电平换流器的线电压在整个调制区间谐波特性最优化，提升了系统性能。

Description

一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法
技术领域
本发明涉及模块化多电平换流器，特别是一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converters，MMC)具有高度模块化、易拓展、谐波性能好、效率高和具有公共直流侧等特点，目前已成为最具应用前景的多电平拓扑结构之一，在柔性直流输电工程领域得到了推广应用，同时在中高压电机驱动、电能质量控制等领域具有良好的应用前景。
MMC应用于柔性直流输电、电机驱动、静止无功发生器和有源电力滤波器等场合时，在一些工况下，MMC会工作于低调制度区域，例如，当MMC应用于输送风力发电和光伏发电的柔性直流输电工程时，由于风力和光伏发电具有不稳定性和间歇性，MMC在一些工况下会工作于低调制度下；当MMC应用于电机驱动时，在一些工况下其负载仅为额定功率的一部分；当MMC应用于静止无功发生器和统一潮流控制器等场合，也会存在低调制度的工况。
现有的模块化多电平换流器调制技术主要包括最近电平逼近调制、载波移相调制和载波同相层叠调制方法等，当MMC工作于低调制度工况下时，这三种调制方法均存在一个问题：输出电平数减少，谐波特性较差，难以保证MMC在低调制度工况下保持高效和稳定地运行。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法包括以下步骤：
1)根据模块化多电平换流器上桥臂和下桥臂参考电压，分别判断上桥臂和下桥臂参考电压所在的调制区间，得到三角载波之间的交叠比例、开关频率和幅值，通过优化的脉宽调制方法分别得到上桥臂和下桥臂需要投入的子模块数；
2)根据三相上桥臂和下桥臂需投入的子模块数、桥臂电流、子模块电容电压和开关状态，通过电容电压平衡控制方法，实现电容电压平衡控制。
所述步骤1)的具体实现过程包括以下步骤：
1)将x相上桥臂和下桥臂的参考电压和除以直流侧额定电压Udc，分别得到上桥臂和下桥臂参考电压的调制度Mux和Mlx，然后根据上桥臂和下桥臂参考电压所在的调制区间，得到三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p；x∈(a,b,c)，表示a,b,c三相；
2)将上桥臂和下桥臂的参考电压分别与上桥臂和下桥臂的N个三角载波进行比较，若参考电压大于一个三角载波，则输出一个高电平，否则输出0电平，并将N个输出的电平相加，得到当前控制周期上桥臂和下桥臂需投入的子模块数nux和nlx。
当上桥臂和下桥臂参考电压均处于高调制度时，三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p如下式所示：
否则，当任一桥臂参考电压处于低调制度时，三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p如下式所示：
其中N表示单个桥臂子模块个数，UC表示子模块电容的额定值，函数floor()表示向下取整运算，ω表示低调制度时三角载波的角频率，k的取值根据子模块电容电压额定值与子模块数N而定，k∈[1,2,…,10]。
高调制度即Mux>0.5并且Mlx>0.5；低调制度包括三种情况：Mux≤0.5并且Mlx≤0.5、Mux≤0.5并且Mlx>0.5、Mux>0.5并且Mlx≤0.5；下标中u、l分别表示上桥臂和下桥臂。
设上桥臂和下桥臂三角载波之间的移相角为π，上桥臂和下桥臂第n个三角载波和的计算公式分别为：
上式中n∈[1,…,N]；m＝0,1,2,…，表示第m个三角载波周期。
三相上桥臂和下桥臂的电容电压平衡控制方法相同，单个桥臂电容电压平衡控制方法的具体实现过程包括以下步骤：
1)检测桥臂各个子模块电压瞬时值，依次存入数组UC[N]，检测桥臂电流im，将各个子模块的开关状态存入数组K[N]，将各个子模块的编号存入数组B[N]；
第i个子模块的开关状态如下式所示：
其中i＝1,2,…,N；
Son表示已投运的子模块数：Son＝K[1]+K[2]+…+K[N]；Soff表示桥臂未投运的子模块数：Soff＝N-Son；将Son个已投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uon[N]和Ron[N]的前Son个元素，将Soff个未投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uoff[N]和Roff[N]的前Soff个元素；
2)判断桥臂需要投入的子模块数non与已投运子模块数Son的大小，若non＞Son，则当im>0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压的最小值及其对应的编号将编号为的子模块投入运行，并将该子模块开关状态置1，然后将已投运子模块数Son加1，未投运子模块数Soff减1；当im<0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压最大值及其对应的子模块的编号将编号为的子模块投入运行，将其开关状态置1，并将已投运子模块数Son加1，未投运子模块数Soff减1；
若non＜Son，则当im>0时，依次比较Son个已投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最大值及其对应的子模块的编号将编号为的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1；当im<0时，依次比较Son个已投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最小值及其对应的子模块编号将编号为的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1；
若non＝Son时，保持当前开关状态不变。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明应用于模块化多电平换流器时，在开关频率相同的条件下，在低调制度下谐波性能优于载波同相层叠调制，在高调制度时谐波特性与载波同相层叠谐波特性相同，实现了模块化多电平换流器在整个调制区间谐波特性最优化，提升了系统性能。电容电压平衡控制无需排序，仅需得到未投运或已投运子模块电容电压最大值或最小值，减少了计算量，实现了电容电压的平衡控制。
附图说明
图1是模块化多电平换流器的主电路结构图；
图2是半H桥型子模块的电路结构图；
图3是模块化多电平换流器的低调制度控制方法示意图；
图4是优化脉宽调制方法示意图；
图5是单个桥臂的电容电压平衡控制示意图。
具体实施方式
图1为模块化多电平换流器的主电路结构图，MMC由三相六桥臂组成，每一相包括上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括串联的N个半H桥型子模块和连接电抗L。图2为半H桥型子模块的电路结构图，包括一个开关臂和一个与开关臂并联的电容，开关臂包括两个串联的开关管；
图3为模块化多电平换流器的低调制度控制方法示意图，包括优化脉宽调制方法和电容电压平衡控制方法，包括以下步骤：
1)根据上桥臂和下桥臂参考电压，分别判断其所在的调制区间，得到三角载波之间的交叠比例、开关频率和幅值，通过优化脉宽调制方法分别得到上桥臂和下桥臂需要投入的子模块数；
2)根据上桥臂和下桥臂需投入的子模块数、桥臂电流、子模块电容电压和开关状态，通过电容电压平衡控制方法，实现电容电压平衡控制；
数组uux[i]表示检测得到的x相上桥臂第i个子模块的电容电压，数组ulx[i]表示检测得到的x相下桥臂第i个子模块的电容电压，iux表示x相上桥臂电流，ilx表示x相下桥臂电流，其中i表示子模块编号，i∈[1,2,…,N]；x∈[a,b,c]，表示a,b,c三相。
图4为优化脉宽调制方法的示意图，其具体实现过程包括以下步骤：
1)将x相上桥臂和下桥臂的参考电压和除以直流侧额定电压Udc，分别得到其调制度Mux和Mlx，然后根据其所在的调制度区间，得到三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p。
当三相上桥臂和下桥臂参考电压均处于高调制度时(Mux>0.5并且Mlx>0.5)时，三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p如下式所示：
否则，当三相任一桥臂参考电压处于低调制度(低调制度包括三种情况：Mux≤0.5并且Mlx≤0.5、Mux≤0.5并且Mlx>0.5、Mux>0.5并且Mlx≤0.5)时，三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p如下式所示：
其中N表示单个桥臂子模块个数，UC表示子模块电容的额定值，下标中u、l分别表示上桥臂和下桥臂，x∈(a,b,c)，表示a,b,c三相，函数floor()表示向下取整运算，k∈[1,2,…,10]，k的取值可根据子模块电容电压额定值与子模块数N而定。
2)将上桥臂和下桥臂的参考电压分别与上桥臂和下桥臂的N个三角载波进行比较，若参考电压大于一个三角载波，则输出一个高电平，否则输出0电平，并将N个输出的电平相加，得到当前控制周期上桥臂和下桥臂需投入的子模块数nux和nlx；
上桥臂和下桥臂三角载波之间的移相角为π，上桥臂和下桥臂第n个三角载波和的计算公式分别为：
上式中n∈[1,…,N]，m＝0,1,2,…，表示第m个三角载波周期。
图5为单个桥臂的电容电压平衡控制方法示意图。三相上桥臂和下桥臂的电容电压平衡控制方法相同，单个桥臂电容电压平衡控制方法的具体实现过程包括以下步骤：
1)检测桥臂各个子模块电压瞬时值，依次存入数组UC[N]，检测桥臂电流im，将各个子模块的开关状态存入数组K[N]，将各个子模块的编号存入数组B[N]；
第i个子模块的开关状态如下式所示：
其中i＝1,2,…,N；
Son表示已投运的子模块数：Son＝K[1]+K[2]+…+K[N]；Soff表示桥臂未投运的子模块数：Soff＝N-Son；将Son个已投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uon[N]和Ron[N]的前Son个元素，将Soff个未投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uoff[N]和Roff[N]的前Soff个元素；
2)判断桥臂需要投入的子模块数non与已投运子模块数Son的大小，若non＞Son，则当im>0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压的最小值及其对应的编号将编号为的子模块投入运行，并将该子模块开关状态置1，然后将已投运子模块数Son加1，未投运子模块数Soff减1；当im<0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压最大值及其对应的子模块的编号将编号为的子模块投入运行，将其开关状态置1，并将已投运子模块数Son加1，未投运子模块数Soff减1；
若non＜Son，则当im>0时，依次比较Son个已投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最大值及其对应的子模块的编号将编号为的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1；当im<0时，依次比较Son个投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最小值及其对应的子模块编号将编号为的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1；
若non＝Son时，保持当前开关状态不变。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据模块化多电平换流器上桥臂和下桥臂参考电压，分别判断上桥臂和下桥臂参考电压所在的调制区间，得到三角载波之间的交叠比例、开关频率和幅值，通过优化的脉宽调制方法分别得到上桥臂和下桥臂需要投入的子模块数；
2)根据三相上桥臂和下桥臂需投入的子模块数、桥臂电流、子模块电容电压和开关状态，通过电容电压平衡控制方法，实现电容电压平衡控制；
所述步骤1)的具体实现过程包括以下步骤：
a)将x相上桥臂和下桥臂的参考电压和除以直流侧额定电压Udc，分别得到上桥臂和下桥臂参考电压的调制度Mux和Mlx，然后根据上桥臂和下桥臂参考电压所在的调制区间，得到三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p；x∈(a,b,c)，表示a,b,c三相；下标中u、l分别表示上桥臂和下桥臂；
b)将上桥臂和下桥臂的参考电压分别与上桥臂和下桥臂的N个三角载波进行比较，若参考电压大于一个三角载波，则输出一个高电平，否则输出0电平，并将N个输出的电平相加，得到当前控制周期上桥臂和下桥臂需投入的子模块数nux和nlx；其中N表示单个桥臂子模块数。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器低调制度控制方法，其特征在于，当上桥臂和下桥臂参考电压均处于高调制度时，三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p如下式所示：
否则，当任一桥臂参考电压处于低调制度时，三角载波的幅值A、角频率ωc和载波之间的交叠比例p如下式所示：
UC表示子模块电容的额定值，函数floor()表示向下取整运算，ω表示低调制度时三角载波的角频率，k的取值根据子模块电容电压额定值与子模块数N而定，k∈[1,2,…,10]。
3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的低调制度控制方法，其特征在于，所述高调制度即Mux>0.5并且Mlx>0.5；低调制度包括三种情况：Mux≤0.5并且Mlx≤0.5、Mux≤0.5并且Mlx>0.5、Mux>0.5并且Mlx≤0.5。
4.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的低调制度控制方法，其特征在于，设上桥臂和下桥臂三角载波之间的移相角为π，上桥臂和下桥臂第n个三角载波和 的计算公式分别为：
上式中n∈[1,…,N]；m＝0,1,2,…，表示第m个三角载波周期。
5.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器低调制度控制方法，其特征在于，三相上桥臂和下桥臂的电容电压平衡控制方法相同，单个桥臂电容电压平衡控制方法的具体实现过程包括以下步骤：
1)检测桥臂各个子模块电压瞬时值，依次存入数组UC[N]，检测桥臂电流im，将各个子模块的开关状态存入数组K[N]，将各个子模块的编号存入数组B[N]；
第i个子模块的开关状态如下式所示：
其中i＝1,2,…,N；
Son表示已投运的子模块数：Son＝K[1]+K[2]+…+K[N]；Soff表示桥臂未投运的子模块数：Soff＝N-Son；将Son个已投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uon[N]和Ron[N]的 前Son个元素，将Soff个未投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uoff[N]和Roff[N]的前Soff个元素；
2)判断桥臂需要投入的子模块数non与已投运子模块数Son的大小，若non＞Son，则当im>0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压的最小值 及其对应的编号将编号为的子模块投入运行，并将该子模块开关状态置1，然后将已投运子模块数Son加1，未投运子模块数Soff减1；当im<0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压最大值及其对应的子模块的编号 将编号为的子模块投入运行，将其开关状态置1，并将已投运子模块数Son加1，未投运子模块数Soff减1；
若non＜Son，则当im>0时，依次比较Son个已投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最大值及其对应的子模块的编号将编号为的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1；当im<0时，依次比较Son个已投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最小值及其对应的子模块编号将编号为的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1；
若non＝Son时，保持当前开关状态不变。
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