CN105790620B - 谐波自适应的mmc子模块电压均衡控制方法 - Google Patents

谐波自适应的mmc子模块电压均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上，该策略可用于柔性直流输电，统一潮流控制器等工程包含的模块化多电平换流器的阀基控制，与传统投切策略相比，在基本不增加子模块电压波动的情况下可以大大减少子模块IGBT的投切次数，延长IGBT的寿命。本算法可以根据输送功率的变化，自适应的改变子模块投切策略，使得子模块电容电压波动幅度始终保持在一定范围内，而且可以在适当时减少子模块IGBT的投切频率，提高子模块IGBT寿命。

Description

谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法
技术领域
本发明涉及一种谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，属于电力系统技术领域。
背景技术
鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，模块化多电平技术(MMC)以其独特的结构和技术优势正成为高压多电平领域的研究热点。与传统多电平变换器相比，其继承了传统级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，适用于交流输出频率恒定、对电压和功率等级要求极高的有功功率变换场合，MMC具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征。
实际工程中，传统子模块均压环节通常选用将子模块电容电压排序后根据桥臂电流方向选择投入或者切除相应子模块的策略，其控制目标为：在任何时刻都能够保持各个子模块电压偏差最小。但其具有两个缺点：1、当输送有功功率变化时，采用传统算法会造成子模块电容电压波动随着输送功率的变化而变化，在输送有功较大时，子模块电容电压波动也会较大，不利于系统稳定运行和环流抑制；2、这种方法没有考虑子模块原先的通断状态，只是通过频繁投切每个子模块，最大限度的减小每个子模块的电压偏差，所以其会造成很高的IGBT投切损耗。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，其特征在于,构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上；(以A相为例进行介绍，B、C两相步骤与A相相同)，包括以下步骤：
步骤1)分别检测3个工频周期内环流二次谐波1个周期内幅值平均值大小h和附加调节子模块Ns数值：
(1)如果h<hmin且Ns>0且Ns数值在1s之内没有改变过，则执行Ns＝Ns-1；
(2)如果h>hmax且Ns<N且Ns数值在1s之内没有改变过,则执行Ns＝Ns+1；
(3)如果(1)(2)都不满足，则Ns数值不变；
步骤2)检测出上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数均不为0，则执行步骤3)到步骤6)，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数有一个为0，则执行特殊处理；
步骤3)分别获取上桥臂、下桥臂已经投入的子模块和未投入的各子模块电压瞬时值，对上桥臂、下桥臂已经投入的子模块电压和未投入的子模块电压分别进行排序，形成四个子模块序列；
步骤4)对这四个子模块序列进行处理，重新得到八组新的准备用于投入或者切除的子模块序列；
步骤5)根据本次步长时的调制波电压计算出本次步长上下桥臂分别应投入的子模块数，再根据上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数计算出本次步长相对上次步长需要多投入或多切除的子模块数量；
步骤6)根据桥臂电流方向以及自适应投切策略从八组新的子模块序列中决定需要投入或切除的具体子模块编号，进行投入或者切除；
步骤7)对于上桥臂、下桥臂上一步长已投入的子模块数是零或未投入的子模块数是零的时候进行特殊处理。
步骤1)中，电容电压最大波动值δU是指3个周期内A相上、下桥臂所有子模块电压最大值与电压最小值之差，Ns是指本步长附加调节子模块设定的数量。
步骤2)中，分别检测出上一个步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数是指检测出上桥臂已经投入的子模块数npy和未投入的子模块数npw，下桥臂已经投入的子模块数nny和未投入的子模块数nnw。
步骤3)中，形成四个排序过的子模块序列分别为上桥臂已投入的子模块序列Xpy和未投入的子模块序列Xpw，下桥臂已投入的子模块序列Xny和未投入的子模块序列Xnw。
步骤4)中，重新得到八组准备用于投入或者切除的子模块序列是指：
(1)将Xpy中电压最高的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpgin；
(2)将Xpy中电压最低的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpdin；
(3)将Xny中电压最高的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xngin；
(4)将Xny中电压最低的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xndin；
(5)将Xpw中电压最高的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpgout；
(6)将Xpw中电压最低的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpdout；
(7)将Xnw中电压最高的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xngout；
(8)将Xnw中电压最低的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xndout。
步骤5)中，
上桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中nup表示本次步长中上桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数，N表示上下桥臂总的投入的子模块数，Uref表示调制波瞬时电压，Uc表示子模块电容电压；
下桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中ndown表示本次步长中下桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数；
则本次上下桥臂应该投入或者切除几个子模块用nup和ndown与上次步长中上下桥臂已经投入的子模块数量和未投入的子模块数量进行对比即可得出：(1)如果nup-npy＝m(m>0)，表明上桥臂需要投入m个子模块；(2)如果nup-npy＝m(m<0),表明上桥臂需要切除m个子模块；(3)如果nup-npy＝0,表明上桥臂不需要投入或者切除子模块，则本步长对阀发送的触发脉冲与上一步长相同；下桥臂与上桥臂同理；在(1)(2)两种情况下再执行后续步骤5)，在(3)情况下，则等待下一个步长到来时返回步骤1)。
步骤6)中，投切策略是指：
(1)当上桥臂需要投入子模块m个时，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xpgin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入(由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpgin就已形成，所以如果检测到Xpgin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(2)当上桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流小于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最低的子模块，同时从Xpdin中选取电压最高的m+Ns个子模块投入(由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpdin就已形成，所以如果检测到Xpdin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(3)当下桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nny，则令NS＝nny，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流大于等于0时，则从Xny中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xngin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入(由于在从Xny中切除子模块之前，Xngin就已形成，所以如果检测到Xngin中需要投入的子模块包含Xny中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(4)当下桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nny，则令NS＝nny，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流小于0时，则从Xny中切除Ns个电压最低的子模块，同时从Xndin中选取电压最高的m+Ns个子模块投入(由于在从Xny中切除子模块之前，Xndin就已形成，所以如果检测到Xndin中需要投入的子模块包含Xny中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(5)当上桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npw，则令NS＝npw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpw中找出Ns个电压最低的子模块，投入至Xpy中，同时从Xpdout中选取电压最高的m+Ns个子模块切除(由于在向Xpy中投入子模块之前，Xpdout就已形成，所以如果检测到Xpdout中需要切除的子模块包含Xpw中准备选出投入至Xpy的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)；
(6)当上桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npw，则令NS＝npw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流小于0时，则从Xpw中找出Ns个电压最高的子模块，投入至Xpy中，同时从Xpgout中选取电压最低的m+Ns个子模块切除(由于在向Xpy中投入子模块之前，Xpgout就已形成，所以如果检测到Xpgout中需要切除的子模块包含Xpw中准备选出投入至Xpy的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)；
(7)当下桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nnw，则令NS＝nnw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流大于等于0时，则从Xnw中找出Ns个电压最低的子模块，投入至Xny中，同时从Xndout中选取电压最高的m+Ns个子模块切除(由于在向Xny中投入子模块之前，Xndout就已形成，所以如果检测到Xndout中需要切除的子模块包含Xnw中准备选出投入至Xny的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)；
(8)当下桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nnw，则令NS＝nnw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流小于0时，则从Xnw中找出Ns个电压最高的子模块，投入至Xny中，同时从Xngout中选取电压最低的m+Ns个子模块切除(由于在向Xny中投入子模块之前，Xngout就已形成，所以如果检测到Xngout中需要切除的子模块包含Xnw中准备选出投入至Xny的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)。
另外，特殊处理是指：
(1)当上桥臂或下桥臂上一步长投入的子模块数是零时：在桥臂电流大于等于0时，则直接从上桥臂或下桥臂未投入的子模块中选取电压最低的m个子模块投入；在桥臂电流小于0时，则直接从上桥臂或下桥臂未投入的子模块中选取电压最高的m个子模块投入；此时不考虑切除；
(2)当上桥臂或下桥臂上一步长未投入的子模块数是零(即上桥臂或下桥臂投入了N个子模块)时：在桥臂电流大于等于0时，则直接从上桥臂或下桥臂投入的子模块中选取电压最高的m个子模块切除；在桥臂电流小于0时，则直接从上桥臂或下桥臂投入的子模块中选取电压最低的m个子模块切除；此时不考虑投入。
有益效果：本发明提供的谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上，本算法可以根据输送功率的变化，自适应的改变子模块投切策略，使得子模块电容电压波动幅度始终保持在一定范围内，而且可以在适当时减少子模块IGBT的投切频率，提高子模块IGBT寿命。
附图说明
图1为本发明提供的模块化多电平换流器MMC的拓扑图；
图中P、N表示换流器直流正负极母线，id表示直流电流，Ud表示直流电压。
Upa1至Upa(N/2)表示a相上桥臂N/2个子模块的电容电压(未画出冗余模块)；
Upb1至Upb(N/2)表示b相上桥臂N/2个子模块的电容电压(未画出冗余模块)；
Upc1至Upc(N/2)表示c相上桥臂N/2个子模块的电容电压(未画出冗余模块)。
Una1至Una(N/2)表示a相下桥臂N/2个子模块的电容电压(未画出冗余模块)；
Unb1至Unb(N/2)表示b相下桥臂N/2个子模块的电容电压(未画出冗余模块)；
Unc1至Unc(N/2)表示c相下桥臂N/2个子模块的电容电压(未画出冗余模块)。
ipa、ipb和ipc表示a、b和c相上桥臂电流；ina、inb和inc表示a、b和c相下桥臂电流；isa、isb和isc表示交流a、b和c相电流；Rs和Ls分别表示交流侧电阻和电抗，Usa、Usb和Usc分别表示系统电压；图1右上角的框表示子模块的结构图，Ujk表示上或者下桥臂中某一个子模块电压，T1和T2分别表示两个IGBT管，D1和D2分别表示与IGBT并联的两个二极管，C表示子模块电容；
图2表示有功功率参考值从2.4*104W变化到3.36*104W过程中，不采用本算法环流二次谐波1个周期内平均值；
图3表示有功功率参考值从2.4*104W变化到3.36*104W过程中，采用本算法环流二次谐波1个周期内平均值；
图4表示有功功率参考值从2.4*104W变化到3.36*104W过程中，不采用本算法A相上桥臂子模块电容电压大小；
图5表示有功功率参考值从2.4*104W变化到3.36*104W过程中，采用本算法A相上桥臂子模块电容电压大小；
图6表示功率从2.4*104W变化到1.6*104W过程中，不采用本算法环流二次谐波1个周期内平均值；
图7表示功率从2.4*104W变化到1.6*104W过程中，采用本算法环流二次谐波1个周期内平均值；
图8表示功率从2.4*104W变化到1.6*104W过程中，不采用本算法A相上桥臂子模块电容电压大小；
图9表示功率从2.4*104W变化到1.6*104W过程中，采用本算法A相上桥臂子模块电容电压大小。
具体实施方式
图1是本发明提供的模块化多电平换流器的拓扑图。现以A相为例，对上下桥臂投入或者切除的策略进行说明：
步骤1：分别检测3个工频周期内环流二次谐波1个周期内幅值平均值大小h和附加调节子模块Ns数值：
(1)如果h<hmin且Ns>0且Ns数值在1s之内没有改变过，则执行Ns＝Ns-1；
(2)如果h>hmax且Ns<N且Ns数值在1s之内没有改变过,则执行Ns＝Ns+1；
(3)如果(1)(2)都不满足，则Ns数值不变；
步骤2：检测出上一步长时上、下桥臂已经投入的子模块数npy和nny，未投入的子模块数npw和nnw，如果上、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数均不为0，则执行步骤3到步骤6，如果上、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数有一个为0，则执行特殊处理。
步骤3：分别获取上、下桥臂已经投入的子模块和未投入的各子模块电压瞬时值，对上、下桥臂已经投入的子模块电压和未投入的子模块电压分别进行排序，形成四个子模块序列，分别为Xpy、Xpw、Xny和Xnw。
步骤4：对这四个子模块序列进行处理，重新得到八组新的准备用于投入或者切除的子模块序列，分别为：
(1)将Xpy中NS个电压最高的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpgin；
(2)将Xpy中NS个电压最低的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpdin；
(3)将Xny中NS个电压最高的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xngin；
(4)将Xny中NS个电压最低的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xndin；
(5)将Xpw中NS个电压最高的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpgout；
(6)将Xpw中NS个电压最低的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpdout；
(7)将Xnw中NS个电压最高的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xngout；
(8)将Xnw中NS个电压最低的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xndout。
步骤5：根据本次步长时的调制波电压计算出本次步长上下桥臂分别应投入的子模块数，再根据上一步长时上、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数计算出本次步长相对上次步长需要多投入或多切除的子模块数量。
上桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中nup表示本次步长中上桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数，N表示上下桥臂总的投入的子模块数，Uref表示调制波瞬时电压，Uc表示子模块电容电压。
下桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中ndown表示本次步长中下桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数。
则本次上下桥臂应该投入或者切除几个子模块只需用nup和ndown与上次步长中上下桥臂已经投入的子模块数量和未投入的子模块数量进行对比即可得出：(1)如果nup-npy＝m(m>0)，表明上桥臂需要投入m个子模块；(2)如果nup-npy＝m(m<0),表明上桥臂需要切除m个子模块；(3)如果nup-npy＝0,表明上桥臂不需要投入或者切除子模块，则本步长对阀发送的触发脉冲与上一步长相同。下桥臂与上桥臂同理。在(1)(2)两种情况下再执行后续步骤6，在(3)情况下，则等待下一个步长到来时返回步骤1。
步骤6：根据桥臂电流方向以及自适应投切策略从八组新的子模块序列中决定需要投入或切除的具体子模块编号，进行投入或者切除。具体的自适应投切策略为：
(1)当上桥臂需要投入子模块m个时，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xpgin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入(由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpgin就已形成，所以如果检测到Xpgin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(2)当上桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流小于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最低的子模块，同时从Xpdin中选取电压最高的m+Ns个子模块投入(由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpdin就已形成，所以如果检测到Xpdin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(3)当下桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nny，则令NS＝nny，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流大于等于0时，则从Xny中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xngin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入(由于在从Xny中切除子模块之前，Xngin就已形成，所以如果检测到Xngin中需要投入的子模块包含Xny中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(4)当下桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nny，则令NS＝nny，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流小于0时，则从Xny中切除Ns个电压最低的子模块，同时从Xndin中选取电压最高的m+Ns个子模块投入(由于在从Xny中切除子模块之前，Xndin就已形成，所以如果检测到Xndin中需要投入的子模块包含Xny中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；
(5)当上桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npw，则令NS＝npw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpw中找出Ns个电压最低的子模块，投入至Xpy中，同时从Xpdout中选取电压最高的m+Ns个子模块切除(由于在向Xpy中投入子模块之前，Xpdout就已形成，所以如果检测到Xpdout中需要切除的子模块包含Xpw中准备选出投入至Xpy的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)；
(6)当上桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npw，则令NS＝npw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流小于0时，则从Xpw中找出Ns个电压最高的子模块，投入至Xpy中，同时从Xpgout中选取电压最低的m+Ns个子模块切除(由于在向Xpy中投入子模块之前，Xpgout就已形成，所以如果检测到Xpgout中需要切除的子模块包含Xpw中准备选出投入至Xpy的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)；
(7)当下桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nnw，则令NS＝nnw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流大于等于0时，则从Xnw中找出Ns个电压最低的子模块，投入至Xny中，同时从Xndout中选取电压最高的m+Ns个子模块切除(由于在向Xny中投入子模块之前，Xndout就已形成，所以如果检测到Xndout中需要切除的子模块包含Xnw中准备选出投入至Xny的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)；
(8)当下桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nnw，则令NS＝nnw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流小于0时，则从Xnw中找出Ns个电压最高的子模块，投入至Xny中，同时从Xngout中选取电压最低的m+Ns个子模块切除(由于在向Xny中投入子模块之前，Xngout就已形成，所以如果检测到Xngout中需要切除的子模块包含Xnw中准备选出投入至Xny的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作)。
步骤7：对于上、下桥臂上一步长已投入的子模块数是零或未投入的子模块数是零的时候需要进行特殊处理：
(1)当上桥臂或下桥臂上一步长投入的子模块数是零时：在桥臂电流大于等于0时，则直接从上桥臂或下桥臂未投入的子模块中选取电压最低的m个子模块投入；在桥臂电流小于0时，则直接从上桥臂或下桥臂未投入的子模块中选取电压最高的m个子模块投入；此时不考虑切除；
(2)当上桥臂或下桥臂上一步长未投入的子模块数是零(即上桥臂或下桥臂投入了N个子模块)时：在桥臂电流大于等于0时，则直接从上桥臂或下桥臂投入的子模块中选取电压最高的m个子模块切除；在桥臂电流小于0时，则直接从上桥臂或下桥臂投入的子模块中选取电压最低的m个子模块切除；此时不考虑投入。
为验证本算法实施于柔性直流输电、统一潮流控制器等领域的优越性能，在实验室搭建模块化多电平换流器动态模型，并将传统的最近电平逼近调制策略、另一种较为流行的调制策略和本策略应用于该模型，观察三种算法a相上桥臂IGBT总的投切次数和子模块电容电压波动情况。
该模型为9电平MMC逆变器模型，其中上下桥臂各有10个子模块，正常时投入8个，2个为冗余模块，子模块额定电压200V，直流额定电压±800V，调制比为0.75，设定Zmin＝5％，Zmax＝10％。
当功率调节指令发生变化时，实际功率会随功率参考值而进行变化，则一般情况下，当功率参考值上升时，子模块电容电压波动会变大，而功率参考值下降时，子模块电容电压波动将会变小。
图2和图4为功率参考值上升时，模型采用传统控制策略后环流二次谐波1个周期内幅值平均值和A相上桥臂各子模块电容电压的波形。图3和图5为功率参考值上升时，模型采用本控制策略后环流二次谐波1个周期内幅值平均值和A相上桥臂各子模块电容电压的波形。
由图2-图5可以看出，在0.8s之前，功率参考值给定2.4*104W，附加调节子模块数量为1，环流二次谐波1个周期内幅值平均值和子模块电容电压较波动为稳定。当0.8s时，功率参考值由2.4*104W升至3.36*104W，环流二次谐波1个周期内幅值平均值开始急剧增加，如果不使用本算法，环流二次谐波1个周期内幅值平均值不仅增大还会存在较强波动，而子模块电容电压也开始产生较强波动，不利于系统稳定运行。如果使用本算法，则在满足条件后附加调节子模块数由1变至2，环流二次谐波1个周期内幅值平均值和子模块电容电压波动开始逐渐减小，且趋于稳定，有利于系统稳定运行。
表1列出有功功率参考值从2.4*104W变化到3.36*104W过程中，1s-1.5s时，不使用本算法A相上桥臂所有子模块IGBT投切次数和使用本算法A相上桥臂所有子模块IGBT投切次数。
表1
同时，根据表1可以看出，此时A相上桥臂各子模块IGBT投切数量有小幅增加，但由于增加的比例不大，故不会显著影响IGBT寿命。
由图6-图9可以看出，在0.8s之前，功率参考值给定2.4*104W，附加调节子模块数量为2，环流二次谐波1个周期内幅值平均值和子模块电容电压较波动为稳定。当0.8s时，功率参考值由2.4*104W升至1.6*104W，环流二次谐波1个周期内幅值平均值开始先略有增大后急剧减小，如果不使用本算法，尽管环流二次谐波1个周期内幅值平均值和子模块电容电压波动将会降至较小程度，但子模块IGBT投切次数将会显著增加，如表2所示。
表2列出有功功率参考值从2.4*104W变化到1.6*104W过程中，1s-1.5s时，不使用本算法A相上桥臂所有子模块IGBT投切次数和使用本算法A相上桥臂所有子模块IGBT投切次数。
表2
如果使用本算法，则在满足条件后附加调节子模块数由2变至1，尽管环流二次谐波1个周期内幅值平均值和子模块电容电压波动开始逐渐有所增大(不会导致影响系统稳定运行)，但同时，根据表2可以看出，此时A相上桥臂各子模块IGBT投切次数有较大减小，延长了IGBT的寿命。
本算法考虑了MMC多种参数之间的关系，同时着重注重系统的稳定运行和IGBT寿命两因素。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，其特征在于,构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上；包括以下步骤：
步骤1)分别检测3个工频周期内环流二次谐波1个周期内幅值平均值大小h和附加调节子模块Ns数值：
(1)如果h<hmin且Ns>0且Ns数值在1s之内没有改变过，则执行Ns＝Ns-1；
(2)如果h>hmax且Ns<N且Ns数值在1s之内没有改变过,则执行Ns＝Ns+1；N表示上下桥臂总的投入的子模块数；
(3)如果(1)(2)都不满足，则Ns数值不变；
步骤2)检测出上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数均不为0，则执行步骤3)到步骤6)，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数有一个为0，则执行特殊处理；特殊处理是指：
(1)当上桥臂或下桥臂上一步长投入的子模块数是零时：在桥臂电流大于等于0时，则直接从上桥臂或下桥臂未投入的子模块中选取电压最低的m个子模块投入；在桥臂电流小于0时，则直接从上桥臂或下桥臂未投入的子模块中选取电压最高的m个子模块投入；此时不考虑切除；
(2)当上桥臂或下桥臂上一步长未投入的子模块数是零时：在桥臂电流大于等于0时，则直接从上桥臂或下桥臂投入的子模块中选取电压最高的m个子模块切除；在桥臂电流小于0时，则直接从上桥臂或下桥臂投入的子模块中选取电压最低的m个子模块切除；此时不考虑投入；
步骤3)分别获取上桥臂、下桥臂已经投入的子模块和未投入的各子模块电压瞬时值，对上桥臂、下桥臂已经投入的子模块电压和未投入的子模块电压分别进行排序，形成四个子模块序列；形成四个排序过的子模块序列分别为上桥臂已投入的子模块序列Xpy和未投入的子模块序列Xpw，下桥臂已投入的子模块序列Xny和未投入的子模块序列Xnw；
步骤4)对这四个子模块序列进行处理，重新得到八组新的准备用于投入或者切除的子模块序列；
(1)将Xpy中电压最高的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpgin；
(2)将Xpy中电压最低的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpdin；
(3)将Xny中电压最高的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xngin；
(4)将Xny中电压最低的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xndin；
(5)将Xpw中电压最高的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpgout；
(6)将Xpw中电压最低的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpdout；
(7)将Xnw中电压最高的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xngout
(8)将Xnw中电压最低的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xndout；
步骤5)根据本次步长时的调制波电压计算出本次步长上下桥臂分别应投入的子模块数，再根据上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数计算出本次步长相对上次步长需要多投入或多切除的子模块数量；
步骤6)根据桥臂电流方向以及自适应投切策略从八组新的子模块序列中决定需要投入或切除的具体子模块编号，进行投入或者切除；
步骤7)对于上桥臂、下桥臂上一步长已投入的子模块数是零或未投入的子模块数是零的时候进行步骤2)所述的特殊处理。
2.根据权利要求1所述的谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，其特征在于：步骤2)中，分别检测出上一个步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数是指检测出上桥臂已经投入的子模块数npy和未投入的子模块数npw，下桥臂已经投入的子模块数nny和未投入的子模块数nnw。
3.根据权利要求2所述的谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，其特征在于：步骤5)中，
上桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中nup表示本次步长中上桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数，N表示上下桥臂总的投入的子模块数，Uref表示调制波瞬时电压，Uc表示子模块电容电压；
下桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中ndown表示本次步长中下桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数；
则本次上下桥臂应该投入或者切除几个子模块用nup和ndown与上次步长中上下桥臂已经投入的子模块数量和未投入的子模块数量进行对比即可得出：(1)如果nup-npy＝m，m>0，表明上桥臂需要投入m个子模块；(2)如果nup-npy＝m，m<0,表明上桥臂需要切除m个子模块；(3)如果nup-npy＝0,表明上桥臂不需要投入或者切除子模块，则本步长对阀发送的触发脉冲与上一步长相同；下桥臂与上桥臂同理；在(1)(2)两种情况下再执行后续步骤6)，在(3)情况下，则等待下一个步长到来时返回步骤1)。
4.根据权利要求2所述的谐波自适应的MMC子模块电压均衡控制方法，其特征在于：步骤6)中，投切策略是指：
(1)当上桥臂需要投入子模块m个时，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xpgin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入；由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpgin就已形成，所以如果检测到Xpgin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作；
(2)当上桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流小于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最低的子模块，同时从Xpdin中选取电压最高的m+Ns个子模块投入；由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpdin就已形成，所以如果检测到Xpdin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作；
(3)当下桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nny，则令NS＝nny，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流大于等于0时，则从Xny中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xngin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入；由于在从Xny中切除子模块之前，Xngin就已形成，所以如果检测到Xngin中需要投入的子模块包含Xny中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作；
(4)当下桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nny，则令NS＝nny，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流小于0时，则从Xny中切除Ns个电压最低的子模块，同时从Xndin中选取电压最高的m+Ns个子模块投入；由于在从Xny中切除子模块之前，Xndin就已形成，所以如果检测到Xndin中需要投入的子模块包含Xny中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作；
(5)当上桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npw，则令NS＝npw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpw中找出Ns个电压最低的子模块，投入至Xpy中，同时从Xpdout中选取电压最高的m+Ns个子模块切除；由于在向Xpy中投入子模块之前，Xpdout就已形成，所以如果检测到Xpdout中需要切除的子模块包含Xpw中准备选出投入至Xpy的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作；
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(7)当下桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nnw，则令NS＝nnw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流大于等于0时，则从Xnw中找出Ns个电压最低的子模块，投入至Xny中，同时从Xndout中选取电压最高的m+Ns个子模块切除；由于在向Xny中投入子模块之前，Xndout就已形成，所以如果检测到Xndout中需要切除的子模块包含Xnw中准备选出投入至Xny的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作；
(8)当下桥臂需要切除子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>nnw，则令NS＝nnw，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当下桥臂电流小于0时，则从Xnw中找出Ns个电压最高的子模块，投入至Xny中，同时从Xngout中选取电压最低的m+Ns个子模块切除；由于在向Xny中投入子模块之前，Xngout就已形成，所以如果检测到Xngout中需要切除的子模块包含Xnw中准备选出投入至Xny的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行投入和切除操作。
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