CN107294412A - 提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高半桥型模块化多电平变换器(half bridge modular multilevel converter,简称HBMMC)输出电平数的新型调制策略，HBMMC的每相上下桥臂都由半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块构成，对这两种子模块进行适当的投切，使得HBMMC交流输出的交流电平数增多。本发明提高交流输出电平数，显著改善了最近电平逼近法的效果，显著降低了HBMMC输出电压的谐波含量。而且，本发明不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。
Description
【技术领域】
本发明属于电力电子领域，涉及一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法。
【背景技术】
模块化多电平变换器具有高度模块化的电路，便于实现集成化设计，缩短项目周期，节约成本，具有广泛的应用前景。
为了实现交流侧多电平输出，必须采用特定的调制方法。模块化多电平变换器的调制方式对其性能有着关键性的影响。目前已有的调制技术主要分为两类：多载波PWM调制技术及最近电平调制技术。当模块数较低时通常采用开关频率较高的PWM调制技术，开关频率过高就意味着开关损耗过大，而最近电平调制策略不仅可以降低电力电子器件的开关频率和开关损耗，而且实现简单、动态响应较快。但当电平数较低时若使用最近电平调制技术则输出波形谐波含量高，波形较差。
目前已有的改进最近电平调制的文献如下：
[1]Lin L,Lin Y,He Z,et al.Improved Nearest-Level Modulation for aModular Multilevel Converter With a Lower SubmoduleNumber[J].IEEETransactions on Power Electronics,2016,31(8):5369-5377.
[2]Hu P,Jiang D.A Level-Increased Nearest Level Modulation Method forModular Multilevel Converters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30(4):1836-1842.
文献[1]和[2]均在不改变模块数的情况下使上下桥臂的调制波形相位不同来提高调制波的输出电平数的办法，但该方法会导致子模块电压的平均值偏低，且电容电压波动较大，桥臂电感电压波动较大，直流母线电压波动等问题。因此需要更加适当的改进措施在不影响电容电压波动的情况下对提高输出电平数。
【发明内容】
针对上述问题，本发明提出了一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，通过对拓扑和调制策略的改进，提高了输出波形质量。
本发明采用以下技术方案：
一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成，其中，N为偶数，所述的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块需要投切的数量根据以下方法计算：
当为奇数时，上下桥臂各投入1个半桥型半电压子模块，需要投入的半桥型全电压子模块的数量根据以下公式计算而得：
其中，Us表示一相的调制信号，Uc表示全电压子模块电容的额定电压，round()表示取整函数；
ndown表示下桥臂投入半桥型全电压子模块数量，nup表示上桥臂投入半桥型全电压子模块数量，N表示一个桥臂中半桥型全电压子模块的个数；
当为偶数时，首先判断ΔU是否超过预设范围，其中，ΔU为半桥型半电压子模块电容电压与其额定电压之差的绝对值；
如果ΔU没有超过预设范围，则不投入半桥型半电压子模块，而投入的全电压子模块数量根据以下公式计算：
如果ΔU超过预设范围，而且满足半桥型半电压子模块电压调整条件，则投入2个半桥型半电压子模块，投入的半桥型全电压子模块数量根据以下公式计算：
进一步，当为奇数时，选择投入的半桥型半电压子模块时，首先对半桥型半电压子模块的电容电压按照大小排序，当桥臂电流大于零时，投入电压较小的半桥型半电压子模块；当桥臂电流小于零时，投入模块电压较大的半桥型半电压子模块。
进一步，半桥型半电压子模块电压调整条件是：当桥臂电流大于零时，至少有1个半桥型半电压子模块电容电压低于其额定电压超过预设范围；当桥臂电流小于零时，至少有1个半桥型半电压子模块电容电压高于其额定电压超过预设范围。
进一步，计算每相上下桥臂的投切的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的个数时，首先将调制信号离散为阶梯波，阶梯波的阶梯高度为根据此阶梯波计算每相上下桥臂的投切的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的个数，其中，Udc为直流母线电压。
进一步，半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块都为半桥结构。
进一步，半桥型全电压子模块的电容额定电压为半桥型半电压子模块的电容额定电压为
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成。调制时，根据的奇偶性及其与桥型半电压子模块电容电压与其额定电压之差的绝对值的情况决定投入半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的数量。本发明方法使得HBMMC交流输出的阶梯波的阶梯高度变为原来的一半，从而使HBMMC的交流侧输出电平数由N+1提高至2N+1。本发明不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。
【附图说明】
图1是本发明提出的新拓扑换流器结构原理图；
图2是HBFVSM的拓扑结构；
图3是HBHVSM的拓扑结构；
图4是本发明提出的新的调制方法与传统最近电平调制策略的调制效果对比仿真图(以4个全电压子模块，2个半电压子模块为例)；
图5是使用传统最近电平调制策略HBMMC输出一相电压波形；
图6是使用本发明的新型调制策略HBMMC输出一相电压波形；
图7是使用文献[1]中的改进最近电平调制策略桥臂电感电压波动图；
图8是使用本发明调制方法的桥臂电感电压波动图；
图9是使用本发明调制方法的子模块电容电压波动图。
【具体实施方式】
一种提高半桥型模块化多电平变换器(half bridge modular multilevelconverter,简称HBMMC)输出电平数的混合拓扑调制方法，HBMMC的每相上下桥臂都由N个(N为偶数)半桥型全电平子模块HBFVSM和2个半桥型半电平子模块(half bridge halfvoltage sub module,简称HBHVSM)构成，通过对HBFVSM和HBHVSM进行适当的投切，使得HBMMC交流输出的阶梯波的阶梯高度变为原来的一半，从而使HBMMC的交流侧输出电平数由N+1提高至2N+1。本发明不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。
本发明具体实现步骤如下：
(1)上下桥臂均由N个HBFVSM和2个HBHVSM构成；
(2)调制策略为：把调制信号离散为阶梯波，阶梯波的阶梯高度为根据此阶梯波，计算每相上下桥臂的投切的HBFVSM和HBHVSM的个数。最后由电压平衡策略产生HBFVSM和HBHVSM的触发信号，从而使HBMMC产生相应的输出。Udc为直流母线电压。
其中，HBFVSM和HBHVSM都为半桥结构。HBFVSM的电容的额定电压为HBHVSM的电容的额定电压为
计算每相上下桥臂的投切的HBFVSM和HBHVSM的个数的详细步骤为(为表述简明，以一相为例)：
(1)当为奇数时，上下桥臂各投入一个HBHVSM(在选择具体HBHVSM时，首先对HBHVSM的电容电压按照大小排序，当桥臂电流大于零时，投入电压较小的HBHVSM；当桥臂电流小于零时，投入电压较大的HBHVSM)，投入的HBFVSM个数为：
其中，ndown表示下桥臂投入HBFVSM数量，nup表示上桥臂投入HBFVSM数量，Us表示一相的调制信号，Uc表示HBFVSM的电容的额定电压，N表示一个桥臂中HBFVSM的个数，round()表示取整函数。
(2)当为偶数时，首先判断HBHVSM的ΔU是否超过预设范围，如果超过，而且满足HBHVSM电压调整条件，则将两个HBHVSM全部投入，以调节其电容电压，上下桥臂投入的HBFVSM的数量为：
HBHVSM电压调整条件是：当桥臂电流大于零时，至少有1个HBHVSM电容电压低于其额定电压超过预设范围。当臂电流小于零时，至少有1个HBHVSM电容电压高于其额定电压超过预设范围。
如果HBHVSM的ΔU没有超过预设范围，则不投入HBHVSM，而上下桥臂需要投入的HBFVSM个数为：
以上调制策略，适用于包括但不限于单相和三相系统。
HBHVSM可以通过增加新模块的方式来实现，在拓扑不易更改的情况下，也可以通过软件设定，把原有的HBFVSM设置为HBHVSM，从而实现该方法。
本发明不会导致子模块电容电压偏移、桥臂电感电压尖峰、HBMMC直流侧电压波动等问题。
为表述简明,以下以一相，N＝18为例。应该指出，本发明在三相或N取其他值时，都适用。
图1为本发明的HBMMC换流器拓扑。每个桥臂由N个HBFVSM和2个HBHVSM构成。
图2和图3分别为HBFVSM和HBHVSM的结构图，HBHVSM的电容额定电压为HBFVSM电容额定电压的一半。
图4是本发明提出的新的调制策略与传统最近电平调制策略的调制原理对比图(以4个HBFVSM，2个HBHVSM为例)。
从图5和图6的对比可以看出，本发明使HBMMC的输出电平数增多，改善调制效果，减少输出谐波。
图7和图8分别为使用文献[1]的方法和本发明的新型调制策略的桥臂电感电压波形图。可以看到，本发明使桥臂电感上的电压波动和电压尖峰明显减小。
从图9可以看出本发明可以使HBFVSM和HBHVSM的电容电压都稳定在其额定值附近。证明了本发明的可行性。
Claims (6)
1.一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：半桥型模块化多电平变换器的每相上下桥臂均由N个半桥型全电压子模块和2个半桥型半电压子模块构成，其中，N为偶数，所述的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块需要投切的数量根据以下方法计算：
当为奇数时，上下桥臂各投入1个半桥型半电压子模块，需要投入的半桥型全电压子模块的数量根据以下公式计算而得：
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其中，Us表示一相的调制信号，Uc表示全电压子模块电容的额定电压，round()表示取整函数；
ndown表示下桥臂投入半桥型全电压子模块数量，nup表示上桥臂投入半桥型全电压子模块数量，N表示一个桥臂中半桥型全电压子模块的个数；
当为偶数时，首先判断ΔU是否超过预设范围，其中，ΔU为半桥型半电压子模块电容电压与其额定电压之差的绝对值；
如果ΔU没有超过预设范围，则不投入半桥型半电压子模块，而投入的全电压子模块数量根据以下公式计算：
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如果ΔU超过预设范围，而且满足半桥型半电压子模块电压调整条件，则投入2个半桥型半电压子模块，投入的半桥型全电压子模块数量根据以下公式计算：
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2.根据权利要求1所述的一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：当为奇数时，选择投入的半桥型半电压子模块时，首先对半桥型半电压子模块的电容电压按照大小排序，当桥臂电流大于零时，投入电压较小的半桥型半电压子模块；当桥臂电流小于零时，投入模块电压较大的半桥型半电压子模块。
3.根据权利要求1所述的一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：半桥型半电压子模块电压调整条件是：当桥臂电流大于零时，至少有1个半桥型半电压子模块电容电压低于其额定电压超过预设范围；当桥臂电流小于零时，至少有1个半桥型半电压子模块电容电压高于其额定电压超过预设范围。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：计算每相上下桥臂的投切的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的个数时，首先将调制信号离散为阶梯波，阶梯波的阶梯高度为根据此阶梯波计算每相上下桥臂的投切的半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块的个数，其中，Udc为直流母线电压。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：半桥型全电压子模块和半桥型半电压子模块都为半桥结构。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的一种提高半桥型模块化多电平变换器输出电平数的调制方法，其特征在于：半桥型全电压子模块的电容额定电压为半桥型半电压子模块的电容额定电压为
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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