CN107579677A - 一种mmc子模块的开关频率计算方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MMC子模块的开关频率计算方法，包括：获取MMC的子模块数量、PWM调制的载波频率、参考波调制比和参考波频率；计算投入预设数量子模块时，开关频率增加的期望值；根据子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，其中，分界点将基波周期分成多个时间段；分别计算多个时间段内预设数量个子模块的投入时间；根据基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算子模块的开关频率。本申请提供的MMC子模块的开关频率计算方法，大大提高了计算MMC开关频率的准确性。

Description

一种MMC子模块的开关频率计算方法

技术领域

本申请涉及变流器控制技术领域，尤其涉及一种MMC子模块的开关频率计算方法。

背景技术

MMC(Modular Multilevel Converter，子模块化多电平换流器)是一种结构高度子模块化的直流-交流电能变换设备，参见图1A，为一种三相MMC的拓扑结构图。如图1A所示，MMC左侧为直流侧，右侧为交流侧。每一相MMC由上下两个桥臂和桥臂电感组成，每个桥臂中包含1～n个串联的子模块(SM₁～SM_n)，子模块的结构如图1B所示，包括一个半桥电路和与半桥电路并联的电容C。其中，半桥电路包括开关管T₁和T₂，当T₁导通、T₂关断时，子模块投入到主电路中，且输出电压为电容电压；当T₁关断、T₂导通时，子模块从主电路中切除，且输出电压为零；利用开关信号对各子模块开关管的导通或关断进行控制，可控制各子模块从主电路中投入或切除，进而在MMC交流输出侧得到所需的交流电压。

对各子模块的开关管进行调制的常用方法为PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)，参见图2，为现有技术中一种MMC的PWM调制波形图，如图2所示，T为基波(参考波)周期，载波1、载波2、载波3和载波4对应代表子模块SM₁、SM₂、SM₃和SM₄。调制原理为：判断某一时刻载波1(或载波2、载波3、载波4，调制原理相同)的幅值是否大于参考波5的幅值，如果大于，则开关信号输出高电平，子模块SM₁投入到主电路中，反之，则子模块SM₁从主电路中切除。

子模块的开关频率，即单位时间内子模块开关管的开关次数。开关频率是MMC输出谐波、器件损耗和换能效率等性能指标的重要影响因素，准确计算开关频率具有重要意义。由于PWM调制中，各子模块开关管的开关频率通常不同，造成各子模块电容C的损耗存在差异，导致各子模块的电容电压不平衡，因此，在PWM调制的基础上通常还会增加电压排序平衡算法进行电容电压平衡控制。电压排序平衡算法是指对各子模块电容电压进行采样，然后由大到小进行排序，利用子模块投入时交流电对子模块内电容进行充电或放电，优先投入电压较高或较低的子模块，从而增加优先投入子模块的投入时间，进而调整该子模块电容电压。

参见图3A，为未加入电压平衡排序算法的开关信号示意图，如图3A所示，子模块开关信号为高电平表示该子模块投入，从t_a时刻开始，根据MMC交流输出侧电压要求需要有一个子模块投入，3个子模块切除，利用PWM调制可得投入的子模块为SM4。参见图3B，为加入电压平衡算法的开关信号示意图，如图3B所示，t_a至t_b为电压排序平衡算法调整周期，该周期内计算得到SM3输出电压较低，因此从t_b时刻开始切除子模块SM4、优先投入子模块SM3，相较图3A，所有子模块的开关次数增加了2次，开关频率发生变化，但现有技术中在计算开关频率时，通常只根据载波频率进行计算，未考虑电压平衡排序算法会造成开关频率发生变化，计算的开关频率准确性较差。

发明内容

本申请提供了一种MMC子模块的开关频率计算方法，以解决开关频率准确性较差的问题。

本申请提供了一种子模块开关频率的计算方法，该方法包括：

获取MMC的子模块数量、PWM调制的载波频率、参考波调制比和参考波频率；

计算投入预设数量子模块时，开关频率增加的期望值；

根据所述子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，其中，所述分界点将所述基波周期分成多个时间段；

分别计算多个所述时间段内所述预设数量个子模块的投入时间；

根据所述基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算所述开关频率。

优选地，所述计算投入预设数量个所述子模块时，开关频率增加的期望值，包括：

根据所述子模块数量，确定电压平衡调整行为所增加的开关动作次数；

计算投入预设数量个所述子模块时，电压平衡调整行为所引起的开关动作增加次数的概率；

根据所述概率和所述开关动作增加次数计算开关频率增加的期望值。

优选地，根据所述子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，包括：

根据所述子模块数量，确定一个基波周期内参考波与各层载波的分界点数量；

根据所述子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算1/4基波周期内参考波与各层载波的分界点；

根据所述分界点数量和1/4基波周期内参考波与各层载波的分界点，计算基波周期T内参考波与各层载波的其他分界点。

优选地，所述投入时间的计算方法包括冲量等效法。

优选地，根据所述基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算所述开关频率，包括：

根据所述基波周期、期望值和投入时间，计算所述开关频率的增率；

根据所述增率、子模块数量和载波频率，计算所述开关频率。

本申请提供的MMC子模块的开关频率计算方法的有益效果包括：

本申请提供的MMC子模块的开关频率计算方法，根据电压平衡排序算法造成开关频率发生变化，计算投入预设数量个子模块时，开关频率增加的期望值，即得到在投入不同数量子模块时，开关频率的变化情况及相应概率；再通过计算PWM调制时，一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，将基波周期划分为多个时间段，并分别计算多个时间段内预设数量个子模块的投入时间；最后根据基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算得到开关频率。本申请提供的MMC子模块的开关频率计算方法，基于PWM调制原理，计算不同子模块在多个时间段的投入时间，同时将各子模块的投入时间与开关频率对应增加的期望值相结合，大大提高了计算开关频率的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1A为现有技术中一种三相MMC的拓扑结构示意图；

图1B为图1A中子模块的结构示意图；

图2为现有技术中一种MMC的PWM调制波形图；

图3A为现有技术中未加入电压平衡排序算法的开关信号示意图；

图3B为现有技术中加入电压平衡排序算法的开关信号示意图；

图4为本申请实施例提供的一种MMC子模块的开关频率计算方法的流程示意图；

图5为本申请实施例提供的一种MMC的PWM调制波形图。

具体实施方式

参见图4，为本申请实施例提供的一种MMC子模块的开关频率计算方法的流程示意图，如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S110：获取MMC的子模块数量、PWM调制的载波频率、参考波调制比和参考波频率。

具体的，根据MMC的型号获取MMC子模块数量n，根据PWM调制的具体要求，获取设置的载波频率f_c，参考波调制比m和参考波频率f。本实施例中，选取n＝4的MMC作为本申请提供的开关频率计算方法的说明。

步骤S120：计算投入预设数量子模块时，开关频率增加的期望值。

具体的，准确计算开关频率，需要把开关频率增加量及其概率计算出来。由于投入不同数量子模块可得到不同的交流电压，而不同的交流电压又是MMC交流输出的客观要求，投入不同数量的子模块，开关频率增加的情况显然不同，在计算开关频率时，应该根据子模块数量，确定开关频率的增加范围。由于当所有子模块全投入或全不投入时，电压平衡排序算法对于子模块投入的调整显然不会增加开关频率，因此，根据MMC子模块数量为n，当n为偶数时开关频率增加的最大值为n/2，当n为奇数时开关频率增加的最大值为(n-1)/2。本实施例中，根据步骤S110，n＝4，预设数量为0、1、2、3、4，即子模块的投入数量有0、1、2、3、4种情况，开关频率增加的可能为0、1、2。

由于不同子模块电容电压的差异，对于4个子模块的MMC，利用电压平衡排序算法对各子模块的电容电压排序有种可能，在只投入1个子模块的情况下，只要排序调整前后投入的是同一个子模块，开关频率就不会增加，因此共有种可能维持开关频率不增加，其余18种可能会使开关频率增加1。假设电容电压每种排序结果出现的概率相等，则在只投入1个子模块的情况下，电压平衡排序算法使开关频率增加1的概率为18/24，不增加开关频率的概率为6/24。

根据以上分析，对于子模块数为4的MMC，在投入不同子模块数下电压平衡排序算法对开关频率的影响及概率如下表1所示。

表1

由此可求得不同投入子模块数下开关频率增加的期望值：

本实施例中，

步骤S130：根据子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，其中，分界点将基波周期分成多个时间段。

具体的，根据子模块数量，确定一个基波周期内参考波与各层载波的分界点数量。参见图5，为本申请实施例提供的一种MMC的PWM调制波形图。如图5所示，根据子模块数量(即载波层数)为4，划分出参考波5与各层载波重叠的区域，对应多个时间段，得到分界点数量为4。其中，0～t₁为区域A，t₁～t₂为区域B，t₂～T/2为区域C，T/2～t₃为区域D，t₃～t₄为区域E，t₄～T/2为区域F。

计算参考波与各层载波区域的分界点。由于参考波5为正弦参考波，可只求参考波5在0～T/4内的分界点，其他分界点可根据对称关系求出。

PWM调制是以冲量等效原理为理论基础，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，在一个采样周期内输出脉冲电压的面积与所希望输出正弦波在相应区间内的面积相等。对于MMC，交流侧输出电平主要由子模块的投切决定，因此在一个正弦波周期内，各投入子模块数所占的时间也可根据冲量等效原理求出。

t₁～t₄为正弦参考波不同载波区域的分界点，假设各层载波峰峰值为1，参考波m为调制比，ω＝2πf为输出电压角频率，n为半桥臂子模块数量。图5所示的实例中n＝4，由此可计算出：

ωt₂＝π-ωt₁

ωt₃＝π+ωt₁

ωt₄＝2π-ωt₁，进一步计算得：

步骤S140：分别计算多个时间段内所述预设数量子模块的投入时间。

具体的，计算一个基波周期T内子模块各种投切情况所持续的时间。根据步骤S130中计算出的分界点所划分的区域，计算各区域内两种投切情况所持续的时间，最后再把所有投切数量相同的时间相加，得到每一种投切情况所持续的时间。为减少计算量可利用正弦参考波对称的规律。

在0～t₁区域A内参考波大于载波3，投入3个子模块，参考波5小于载波3，投入2个子模块，根据冲量等效原理两种情况所占时间为：

投入3个子模块：

投入2个子模块：T_2A＝t₁-T_3A

同理，在t₁～t₂区域B内，

投入4个子模块：

投入3个子模块：T_3B＝t₂-t₁-T_4B

在t₂～T/2区域C内，

投入3个子模块：

投入2个子模块：

在T/2～t₃区域D内，参考波大于载波2，投入2个子模块，参考波小于载波2，投入1个子模块，同时根据冲量等效原理和正弦波的对称性可知：

投入2个子模块：T_2D＝T_2A

投入1个子模块：T_1D＝T_3A

同理可得t₃～t₄区域E内，

投入1个子模块：T_1E＝T_3B

投入0个子模块：T_0E＝T_4B

在t₄～T/2区域F内，

投入2个子模块：T_2F＝T_2C

投入1个子模块：T_1F＝T_3C

在一个参考波周期内，各投入子模块数所占的时间分别为：

T₀＝T_0E＝T_4B

T₁＝T_1D+T_1E+T_1F＝T_3A+T_3B+T_3C

T₂＝T_2A+T_2C+T_2D+T_2F＝2(T_2A+T_2C)

T₃＝T_3A+T_3B+T_3C

T₄＝T_4B

步骤S150：根据基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算开关频率。

具体的，计算加入电压排序平衡算法后的开关频率，可首先根据上述步骤中获得的基波周期T、期望值E_i和投入时间T₀～T₄,，计算出子模块的开关频率的增率为：

本实施例中，

考虑到在控制过程中为保证电容电压能快速调整，每个载波周期都用电压平衡排序算法进行调整，加入电压平衡排序算法后，各子模块的开关频率趋于相等，因此在计算开关频率时，以各子模块频率为f_cn作为基础。再此基础上再考虑电压平衡排序算法对开关频率增加的影响，因此加入电压平衡排序算法后子模块开关频率为：

本实施例中，

从上述实施例可以看出，本申请提供的MMC子模块的开关频率计算方法，根据电压平衡排序算法造成开关频率发生变化，计算投入预设数量子模块时，开关频率增加的期望值E_i，即得到在投入不同数量子模块时，开关频率的变化情况及相应概率；再通过计算PWM调制时，一个基波周期T内参考波与各层载波的分界点，将基波周期划分为多个时间段，并分别计算多个时间段内预设数量子模块的投入时间；最后根据基波周期T、期望值E_i、投入时间和载波频率f_c，计算得到开关频率。本申请提供的MMC子模块的开关频率计算方法，基于PWM调制原理，计算不同子模块在多个时间段的投入时间，使MMC能够输出所需的交流电压，同时将各子模块的投入时间与开关频率对应增加的期望值相结合，大大提高了计算开关频率的准确性。

本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明实施例中的技术可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明实施例中的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述的本发明实施方式并不构成对本发明保护范围的限定。

Claims (5)

1.一种MMC子模块的开关频率计算方法，其特征在于，包括：

获取MMC的子模块数量、PWM调制的载波频率、参考波调制比和参考波频率；

计算投入预设数量子模块时，开关频率增加的期望值；

根据所述子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，其中，所述分界点将所述基波周期分成多个时间段；

分别计算多个所述时间段内所述预设数量个子模块的投入时间；

根据所述基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算所述开关频率。

2.如权利要求1所述的MMC子模块的开关频率计算方法，其特征在于，所述计算投入预设数量个所述子模块时，开关频率增加的期望值，包括：

根据所述子模块数量，确定电压平衡调整行为所增加的开关动作次数；

计算投入预设数量个所述子模块时，电压平衡调整行为所引起的开关动作增加次数的概率；

根据所述概率和所述开关动作增加次数计算开关频率增加的期望值。

3.如权利要求1所述的MMC子模块的开关频率计算方法，其特征在于，根据所述子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算一个基波周期内参考波与各层载波的分界点，包括：

根据所述子模块数量，确定一个基波周期内参考波与各层载波的分界点数量；

根据所述子模块数量、参考波频率和参考波调制比，计算1/4基波周期内参考波与各层载波的分界点；

根据所述分界点数量和1/4基波周期内参考波与各层载波的分界点，计算基波周期T内参考波与各层载波的其他分界点。

4.如权利要求1所述的MMC子模块的开关频率计算方法，其特征在于，所述投入时间的计算方法包括冲量等效法。

5.如权利要求1所述的MMC子模块的开关频率计算方法，其特征在于，根据所述基波周期、期望值、投入时间和载波频率，计算所述开关频率，包括：

根据所述基波周期、期望值和投入时间，计算所述开关频率的增率；

根据所述增率、子模块数量和载波频率，计算所述开关频率。