CN105553312A - 一种模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法 - Google Patents

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Abstract

一种模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法。所述的方法针对桥臂参考电压波形为梯形波的情况。参考梯形波斜坡阶段采取预先排序决定功率模块投入和切除顺序的方式，减少了一个基波周期内排序的次数，减少控制难度。参考波值为直流侧电压大小时，选取一段时间，在上下桥臂之间建立通信，根据上下桥臂功率模块电容电压平均值的大小决定上下桥臂的功率模块实际导通个数。

Description

一种模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法
技术领域
本发明涉及一种电力系统的模块化多电平变流器的功率模块电容电压均压方法。
背景技术
基于MMC(modularmultilevelconverter，模块化多电平换流器)技术的换流器技术得到了广泛的关注。一般基于MMC技术的桥臂参考电压一般为正弦波形，基波频率为工频。参考电压波形为梯形波时，可以降低模块的开关频率，从另一角度看，交流基波的频率可以为中高频，从而减小了电容电感元件的体积。
对于模块化多电平换流器，交流基波频率为工频时，功率模块的开关频率为基波频率的几十倍到上百倍，当交流基波频率为中高频时，因为散热和硬件资源的限制，减小功率模块开关频率尤为重要。当交流侧系统不对称运行或者上下桥臂电路参数有差异时，会出现上下桥臂功率模块电容电压发散的情况。
发明内容
本发明的目的是克服现有交流系统不对称运行和上、下桥臂电路参数有差异时，上、下桥臂功率模块电容电压发散的问题，提出一种模块化多电平变流器功率模块电容电压的均压方法。本发明应用于参考电压波形为梯形波的模块化多电平换流器，可以减小一个基波周期内功率模块电容电压排序的次数，降低对控制硬件资源的要求。另外本发明还降低了功率模块的开关频率，实现了桥臂内和桥臂间的功率模块电容均压。
本发明控制方法如下：
1、在一个基波周期内桥臂参考电压波形在斜坡上升的开始时刻，对本桥臂的N+m1+M个功率模块按照其电容电压值排序，根据上升的开始时刻通过本桥臂的电流方向，决定N个功率模块投入的先后顺序，N为大于零的整数。
如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则选择电容电压最小的N个功率模块，按照其电容电压值从小到大的顺序依次投入；如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则选择电容电压最大的N个功率模块，按照其电容电压值从大到小的顺序依次投入。
2、在一个基波周期内桥臂参考电压波形平顶阶段的某个时刻开始，对桥臂间功率模块电容进行均压。首先计算本桥臂的功率模块电容电压平均值Uself和与本桥臂通过桥臂电感连接的另一桥臂的功率模块电容电压平均值Uother，对本桥臂功率模块按照其电容电压值排序，根据本桥臂的功率模块电容电压平均值Uself和另一桥臂的功率模块电容电压平均值Uother的关系，以及通过本桥臂的电流方向，决定投入功率模块的个数。
投入功率模块个数的选择方法如下：
(1)若Uself>k1×Uother,如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则电容电压最大的N+m1个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则电容电压最小的N-m2个功率模块投入工作；
(2)若Uself<k2×Uother,如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则电容电压最小的N+m1个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则电容电压最大的N-m2个功率模块投入工作；
(3)若k2×Uother≤Uself≤k1×Uother,如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则电容电压最小的N个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则电容电压最大的N个功率模块投入工作；
其中，k1≥1，k2≤1，k1为基波周期内桥臂参考电压波形平顶阶段多投入的m1个或少投入m2个功率模块的电压比较阈值上限的系数，k2为基波周期内桥臂参考电压波形平顶阶段多投入m1个或少投入的m2个功率模块的电压比较阈值下限的系数。
当桥臂间功率模块电容均压结束，对本桥臂功率模块按照其电容电压值进行排序，根据此时刻通过本桥臂的电流方向决定投入的N个功率模块：
如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则选择电容电压最小的N个功率模块投入，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则选择电容电压最大的N个功率模块投入。
3、在一个基波周期内桥臂参考电压波形在斜坡下降的开始时刻，对本桥臂已经投入的N个功率模块按照其电容电压值进行排序，根据下降开始时刻的通过本桥臂的电流方向决定N个功率模块退出工作的先后顺序。
如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则已经投入的N个功率模块按照电压从大到小的顺序依次退出，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则已经投入的N个功率模块按照电压从小到大的顺序依次退出。
4、当桥臂参考电压为零时，所有的功率模块都退出工作。
本发明对功率模块按照其电容电压值的排序方法为按照其电容电压大小从小到大排列或者从大到小排列。
一个桥臂内的功率模块个数为N+m1+M，其中M为冗余功率模块个数。N为正常运行时上下桥臂导通的功率模块个数之和。m1为桥臂间功率模块均压时需要多投入的模块个数。m2为桥臂间功率模块均压时需要少投入的模块个数。其中m1>0，m2≤N。
所述的步骤1)和步骤4)中的N个功率模块可以逐一依次投入或退出，或者多个分组一次投入或者退出，N个功率模块同时投入或退出是参考电压波形为矩形的特殊情况。
附图说明
图1为某一桥臂参考电压波形图；
图2为桥臂间参数不对称时某一桥臂功率模块总电压和电流波形图；
图3为上下桥臂功率模块电容初始电压不等时的均压效果；
图4为系统稳定运行时上下桥臂模块电容电压的均压效果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1是本发明的模块化多电平换流器的桥臂参考电压波形图。图2为桥臂间参数不对称时某一桥臂功率模块总电压和电流波形图。上、下桥臂的参考电压相位相差90度。一个桥臂中有6个功率模块，其中N＝4,m1＝1；m2＝1；M＝1。直流侧电压值为10kV。
t＝0时刻，对某一桥臂的6个功率模块电容电压进行排序，如果此时通过本桥臂的电流为充电方向，则6个功率模块中电容电压最小的4个模块按照电容电压从小到大的顺序依次投入；如果此时通过本桥臂的电流为放电方向，则6个功率模块中电容电压最大的4个模块按照电容电压从大到小的顺序依次投入。
t＝t1时刻，4个功率模块都投入运行。
t＝t2时刻,进行桥臂间模块电容均压，对本桥臂的6个功率模块电容电压进行排序，同时计算本桥臂功率模块电容电压平均值Uself和相对桥臂功率模块电容电压平均值Uother。
如果Uself>1.02×Uother,若本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行放电的方向，则选择功率模块电容电压最大的5个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行充电的方向，则功率模块电容电压最小的3个功率模块投入工作；
如果Uself<0.98×Uother,若本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行放电的方向，则选择功率模块电容电压最小的3个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行充电的方向，则功率模块电容电压最大的5个功率模块投入工作；
若0.98×Uother≤Uself≤1.02×Uother,如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行充电的方向，则功率模块电容电压最小的4个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行放电的方向，则功率模块电容电压最大的4个功率模块投入工作；
t＝t3时刻,桥臂间模块电容均压结束，对本桥臂功率模块电容电压进行排序，如果通过本桥臂电流方向是对功率模块电容进行充电方向，则选择电容电压最小的4个功率模块投入；如果通过本桥臂电流方向是对功率模块电容进行放电方向，则选择电容电压最大的4个功率模块投入。
t＝T/2时刻,对本桥臂已经投入的4个功率模块电容电压进行排序，根据下降开始时刻的通过本桥臂的电流方向决定4个功率模块退出工作的先后顺序。如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行充电的方向，则已经投入的4个功率模块按着电压从大到小的顺序依次退出；如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容进行放电的方向，则已经投入的4个功率模块按着电压从小到大的顺序依次退出。
t＝T/2+t1时刻,所有的功率模块都退出工作。
图3所示为上、下桥臂功率模块初始电压不相等时的均压效果图，图4为系统稳定运行时上、下桥臂模块电容电压的均压效果图。可见通过本发明的方法，上、下桥臂功率模块电容电压实现了均压。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法，其特征在于：所述的方法如下：
1)在一个基波周期内桥臂参考电压波形在斜坡上升的开始时刻，对本桥臂的N+m1+M个功率模块按照其电容电压值排序，根据上升开始时刻通过本桥臂的电流方向，决定N个功率模块投入的先后顺序；M为冗余功率模块个数，N为正常运行时上下桥臂导通的功率模块个数之和，N为大于零的整数，m1为桥臂间功率模块均压时需要多投入的模块个数，m1>0；
2)在一个基波周期内桥臂参考电压波形平顶阶段的某个时刻开始，对桥臂间功率模块电容进行均压；首先计算本桥臂的功率模块电容电压平均值Uself和与本桥臂通过桥臂电感连接的另一桥臂的功率模块电容电压平均值Uother，对本桥臂功率模块按照其电容电压值排序，根据本桥臂的功率模块电容电压平均值U self和另一桥臂的功率模块电容电压平均值Uother的关系，以及通过本桥臂的电流方向及电容电压值的大小顺序，决定投入功率模块的个数；
3)桥臂间功率模块电容均压结束，对本桥臂功率模块按照其电容电压值排序，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则选择电容电压最小的N个功率模块投入，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则选择电容电压最大的N个功率模块投入；
4)在一个基波周期内桥臂参考电压波形在斜坡下降开始时刻，对本桥臂已经投入的N个功率模块按照其电容电压值进行排序，根据下降开始时刻的通过本桥臂的电流方向决定N个功率模块退出工作的先后顺序；
5)桥臂参考电压为零时，所有的功率模块都退出工作。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法，其特征在于：所述的步骤1)中，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则选择电容电压最小的N个功率模块，按照其电容电压值从小到大的顺序依次投入；如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则选择电容电压最大的N个功率模块，按照其电容电压值从大到小的顺序依次投入。
3.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法，其特征在于：所述的步骤4)中，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则本桥臂已经投入的N个功率模块按着电容电压值从大到小的顺序依次退出；如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则本桥臂已经投入的N个功率模块按着电容电压值从小到大的顺序依次退出。
4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法，其特征在于：所述的步骤2)中，为对桥臂间功率模块电容均压投入模块的选择方法如下：
若Uself>k1×Uother，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则电容电压最大的N+m1个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则电容电压最小的N-m2个功率模块投入工作；
若Uself<k2×Uother，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则电容电压最小的N+m1个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则电容电压最大的N-m2个功率模块投入工作；m2为桥臂间功率模块均压时需要少投入的模块个数；
若k2×Uother≤Uself≤k1×Uother，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容充电的方向，则电容电压最小的N个功率模块投入工作，如果本桥臂电流的方向是对功率模块电容放电的方向，则电容电压最大的N个功率模块投入工作；
其中，k1≥1，k2≤1，k1为基波周期内桥臂参考电压波形平顶阶段多投入的m1个或少投入m2个功率模块的电压比较阈值上限的系数，k2为基波周期内桥臂参考电压波形平顶阶段多投入m1个或少投入的m2个功率模块的电压比较阈值下限的系数。
5.如权利要求1所述的模块化多电平换流器功率模块电容电压均压方法，其特征在于：所述的步骤1)和步骤4)中，N个功率模块可以一个一个依次投入或退出，或者多个分组一次投入或者退出，N个功率模块同时退出或者投入是桥臂参考电压波形为矩形的特殊情况。
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