CN107046374A - 一种模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法 - Google Patents

一种模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器的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。本发明所采用的方法是对一个桥臂内当前已投入的子模块电容电压和被切除的子模块电容电压分别进行排序，根据该桥臂电流的方向、当前时刻需要投入的子模块数量和上一时刻需要投入的子模块数量的差值以及电容电压排序结果，控制子模块被投入和切除的数量，达到子模块电容电压均衡的效果。相比于以往所常用的电容电压值传统排序方法，本发明所提出的方法减少了不必要的子模块投切，因此减小了投切频率，进而减小了开关损耗。本发明还可以根据实际工程的需要自主选择子模块的投切频率，灵活度也大大增加，当桥臂上子模块的数目增多时，这种方法的优势会越来越明显，因此很适合于大电平数目的模块化多电平变换器。

Description

一种模块化多电平变换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变换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
模块化多电平变换器(MMC)是一种新型的电压变换电路，它通过将多个子模块级联的方式，减少了每个子模块中开关器件所承受的电压应力，并且变换器具有输出谐波少、模块化程度高等特点，因而在电力系统中具有广泛的应用前景，特别在高压直流输电场合中具有优势。目前很多直流输电工程都采用MMC拓扑或者其衍生拓扑结构，直流侧电压等级越来越高，桥臂上的子模块数量也越来越多。
虽然MMC有众多优点，但它也有一定的缺陷。在MMC中每一个子模块都有一个储能电容，如果电容的能量不均衡，那么就会造成上下桥臂能量的不均衡，从而影响变换器的正常工作，因此需要控制各个子模块电容电压区域平衡。而桥臂上的子模块数量众多，导致储能电容的数目庞大，具有较高的控制难度，因此寻找一种合适的电容电压均衡控制方法已成为人们关注的热点。
现有的MMC子模块电容电压均衡控制方法一般采用一种传统排序方法，其步骤为：计算出当前时刻每一个桥臂上需要投入的子模块数目N，对每一个桥臂上的所有子模块电容电压进行排序。当桥臂电流大于0时选择电容电压最低的N个子模块进行投入；当桥臂电流小于0时选择电容电压最高的N个子模块进行投入。这种方法虽然能取得较好的均衡效果，但是子模块的投切频率较高，造成开关器件的损耗较大。
之后有人对传统排序方法进行了改进，提出一种多变量排序法。这种方法在传统排序方法的基础上，引入一个电压调整范围，即电压上限和电压下限。当桥臂电流大于0时，将当前处于旁路状态且电容电压小于电压下限的子模块和已经投入的子模块乘以一个小于1的系数，以增大其被投入的概率；如果桥臂电流小于0，将当前处于旁路状态且电容电压大于电压上限的子模块和已经投入的子模块乘以一个大于1的系数，以增大其被投入的概率。这种方法虽能在一定程度上减小子模块的投切频率，但是由于变量众多，参数选择困难，使控制相对复杂。若参数选择不当，就会严重影响控制效果，影响系统正常工作。
发明内容
本发明的目的是提出一种模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法，对每一个桥臂当前处于投入状态的子模块和处于旁路状态的子模块按照电容电压值分别进行排序，根据每一个桥臂电流的方向、当前时刻需要投入的子模块数量和上一时刻需要投入的子模块数量的差值以及电容电压排序结果，控制每一个桥臂上子模块投入和切除的数量，达到子模块电容电压均衡的效果。
本发明提出的模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法，包括以下步骤。
(1)设定模块化多电平变换器每一个桥臂上级联的子模块数目为N，通过一定的调制方式，计算出当前一个控制周期内一个桥臂上所要投入的子模块数目M1，并保存上一个控制周期内同一桥臂所要投入的子模块数目M2。
(2)根据上述步骤(1)计算出当前控制周期内桥臂所投入的子模块数目与上一个控制周期内同一桥臂所投入的子模块数目的差值K，其中K＝M1-M2，并通过分析得出K只可能为0、1或-1，并设定当前处于投入状态的P1个子模块为集合A1，处于切除状态的P2个子模块为集合A2。
(3)检测当前桥臂的电流方向Iarm，并确定一个投切因子L，限定L的范围为(0，N/2)。
(4)根据上述步骤(2)所得出的K、A1、A2以及步骤(3)所得出的Iarm和L进行判断，如果K＝1，则说明当前时刻桥臂上需要投入一个子模块，对A2中的子模块按照电容电压大小进行排序，若Iarm＞0，则当L大于等于P2时，投入集合A2的全部P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的P2-1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最低的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的L-1个子模块，如果Iarm＜0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的P2-1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最高的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的L-1个子模块。
(5)根据上述步骤(2)所得出的K、A1、A2以及步骤(3)所得出的Iarm和L进行判断，如果K＝-1，则说明当前时刻桥臂上需要切除一个子模块，对A2中的子模块按照电容电压大小进行排序，若Iarm＞0，则当L大于等于P2时，投入集合A2的全部P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的P2+1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最低的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的L+1个子模块，若Iarm＜0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的P2+1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最高的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A2中电容电压最低的L+1个子模块。
(6)根据上述步骤(2)所得出的K、A1、A2以及步骤(3)所得出的Iarm和L进行判断，如果K＝0，则说明当前时刻桥臂上投入的子模块数量不变，若Iarm＞0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的P2个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最低的L个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的L个子模块，如果Iarm＜0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的P2个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最高的L个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的L个子模块。
(7)根据上述步骤(4)(5)(6)控制每一个桥臂上子模块的投入与切除，实现模块化多电平变换器子模块电容电压的均衡控制。
本发明所提出的模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法，其优点和特点是，不仅降低了子模块投切频率，减小了开关损耗，还可以根据实际工程的需要，自主选择投切因子L而改变子模块的投切频率，大大增加了灵活度，非常适合于较大电平数目的MMC。
附图说明
图1是本发明中模块化多电平变换器的拓扑结构图。
图2是模块化多电平变换器中子模块的拓扑结构图。
图3是本发明方法的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图详细说明本发明内容。图1为本发明所涉及的模块化多电平变换器(MMC)拓扑结构图。MMC主要是由6个桥臂组成的，各桥臂电流参考方向已在图1中标出。每个桥臂上有若干个级联的子模块，子模块的拓扑结构如图2所示，Iarm为桥臂电流。因为MMC中的电容是并联在每一个子模块两端的，因此必须通过控制输入电容和输出电容的能量来维持子模块电容电压的平衡。而对于同一个桥臂上的若干子模块，还必须采用电容电压均衡控制方法维持这些子模块电容电压的均衡。本发明所提出的一种模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法具体实施方式如下。
(1)设定模块化多电平变换器每一个桥臂上级联的子模块数量为N。通过最近电平逼近调制、载波层叠调制、载波移相调制等调制方式，可得到系统的调制波信号。对某一个桥臂进行分析。因为调制波信号为阶梯波，所以阶梯的级数即为目前该桥臂所需要投入的子模块数目。计算出当前时刻该桥臂需要投入的子模块数目M1(0＜M1＜N)，并根据上一时刻桥臂上需要投入的子模块数目M2(0＜M2＜N)，计算出两者的差值K。因为调制信号为阶梯信号，所以K的取值只可能为0、1、-1三个值。
(2)采集该桥臂所有的子模块电容电压Vi，i＝1，2，3...N，并检测桥臂电流Iarm。对于该桥臂当前已经投入的子模块，计算出其个数为P1(0≤P1≤N)，组成集合A1，对于该桥臂当前被切除的子模块，其个数P2＝N-P1，组成集合A2。
(3)为了实现每个桥臂上子模块电容电压的平衡，需要每一个桥臂上的子模块不断投切。确定一个投切因数L(0＜L＜N/2)，代表各个桥臂上每次需要投入的子模块数目。
(4)判断步骤(1)中K的值，并根据步骤(2)判断Iarm的正负。如果K＝1且Iarm＞0，那么说明当前时刻该桥臂需要多投入一个子模块。若L≥P2，那么先将集合A2中P2个还未被投入的子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最高的P2-1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多投入一个子模块；如果L＜P2，那么先对集合A2中的子模块按电容电压大小进行排序，将A2中电容电压最低的L个子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最高的L-1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多投入一个子模块。
(5)判断步骤(1)中K的值，并根据步骤(2)判断Iarm的正负。如果K＝1且Iarm＜0，那么说明当前时刻该桥臂需要多投入一个子模块。若L≥P2，，那么先将集合A2中P2个还未被投入的子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最低的P2-1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多投入一个子模块；如果L＜P2，那么先对集合A2中的子模块按电容电压大小进行排序，将A2中电容电压最高的L个子模块投入集合A1，然后对A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最高的L-1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多投入一个子模块。
(6)判断步骤(1)中K的值，并根据步骤(2)判断Iarm的正负。如果K＝-1且Iarm＞0，那么说明当前时刻桥臂该桥臂需要多切除一个子模块。若L≥P2，那么先将集合A2中P2个还未被投入的子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，A1中电容电压最高的P2+1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多切除一个子模块；如果L＜P2，那么先对集合A2中的子模块按电容电压大小进行排序，将A2中电容电压最低的L个子模块投入集合A1，然后对A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最高的L+1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多切除一个子模块。
(7)判断步骤(1)中K的值，并根据步骤(2)判断Iarm的正负。如果K＝-1且Iarm＜0，那么说明当前时刻桥臂该桥臂需要多切除一个子模块。若L≥P2，那么先将集合A2中P2个还未被投入的子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，A1中电容电压最低的P2+1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多切除一个子模块；如果L＜P2，那么先对集合A2中的子模块按电容电压大小进行排序，将A2中电容电压最高的L个子模块投入集合A1，然后对A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最低的L+1个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂多切除一个子模块。
(8)判断步骤(1)中K的值，并根据步骤(2)判断Iarm的正负。如果K＝0且Iarm＞0，那么说明当前时刻该桥臂需要投入的子模块数量不变。若L≥P2，那么先将集合A2中P2个还未被投入的子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，A1中电容电压最高的P2个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂被投入的子模块数目不变；如果L＜P2，那么先对集合A2中的子模块按电容电压大小进行排序，将A2中电容电压最低的L个子模块投入集合A1，然后对A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最高的L个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂被投入的子模块数目不变。
(9)判断步骤(1)中K的值，并根据步骤(2)判断Iarm的正负。如果K＝0且Iarm＜0，那么说明当前时刻该桥臂需要投入的子模块数量不变。若L≥P2，那么先将集合A2中P2个还未被投入的子模块投入集合A1，然后对集合A1中的子模块按电容电压大小进行排序，A1中电容电压最低的P2个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂被投入的子模块数目不变；如果L＜P2，那么先对集合A2中的子模块按电容电压大小进行排序，将A2中电容电压最高的L个子模块投入集合A1，然后对A1中的子模块按电容电压大小进行排序，将A1中电容电压最低的L个子模块切除，这样保证当前时刻该桥臂被投入的子模块数目不变。
(10)根据上述步骤(4)(5)(6)(7)(8)(9)控制每一个桥臂上子模块的投入与切除，即可实现模块化多电平变换器子模块电容电压的均衡控制。
本发明相对于原有的模块化多电平变换器的子模块电容电压均衡控制方法具有许多优点。相比于上文背景技术中所叙述的传统排序方法，本发明所提出的方法减少了子模块不必要的投切，因此减小了投切频率，进而降低了开关损耗；相比于上文背景技术中所叙述的多变量排序法，不仅减少了控制变量，降低了控制难度，也减小了投切频率，降低了开关损耗。本发明还可以根据实际工程的需要，通过自主选择投切因子而可以自主改变子模块的投切频率，大大增加了灵活度。当桥臂上子模块的数目增多时，这种方法的优势会越来越明显，因此很适合于大电平数目的模块化多电平变换器。

Claims (1)

1.一种模块化多电平变换器子模块电容电压均衡控制方法，其特征在于该方法包括了以下步骤：
(1)设定模块化多电平变换器每一个桥臂上级联的子模块数目为N，通过一定的调制方式，计算出当前一个控制周期内一个桥臂上所要投入的子模块数目M1，并保存上一个控制周期内同一桥臂所要投入的子模块数目M2；
(2)根据上述步骤(1)计算出当前控制周期内桥臂所投入的子模块数目与上一个控制周期内同一桥臂所投入的子模块数目的差值K，其中K＝M1-M2，并通过分析得出K只可能为0、1或-1，并设定当前处于投入状态的P1个子模块为集合A1，处于切除状态的P2个子模块为集合A2；
(3)检测当前桥臂的电流方向Iarm，并确定一个投切因子L，限定L的范围为(0，N/2)；
(4)根据上述步骤(2)所得出的K、A1、A2以及步骤(3)所得出的Iarm和L进行判断，如果K＝1，则说明当前时刻桥臂上需要投入一个子模块，对A2中的子模块按照电容电压大小进行排序，若Iarm＞0，则当L大于等于P2时，投入集合A2的全部P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的P2-1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最低的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的L-1个子模块，如果Iarm＜0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的P2-1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最高的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的L-1个子模块；
(5)根据上述步骤(2)所得出的K、A1、A2以及步骤(3)所得出的Iarm和L进行判断，如果K＝-1，则说明当前时刻桥臂上需要切除一个子模块，对A2中的子模块按照电容电压大小进行排序，若Iarm＞0，则当L大于等于P2时，投入集合A2的全部P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的P2+1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最低的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的L+1个子模块，若Iarm＜0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的P2+1个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最高的L个子模块，对集合A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A2中电容电压最低的L+1个子模块；
(6)根据上述步骤(2)所得出的K、A1、A2以及步骤(3)所得出的Iarm和L进行判断，如果K＝0，则说明当前时刻桥臂上投入的子模块数量不变，若Iarm＞0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的P2个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最低的L个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最高的L个子模块，如果Iarm＜0，则当L大于等于P2时，投入集合A2中所有P2个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的P2个子模块，当L小于P2时，投入集合A2中电容电压最高的L个子模块，对A1中的子模块按照电容电压大小进行排序，切除集合A1中电容电压最低的L个子模块；
(7)根据上述步骤(4)(5)(6)控制每一个桥臂上子模块的投入与切除，实现模块化多电平变换器子模块电容电压的均衡控制。
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