CN108134527A - 一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法 - Google Patents

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邹海荣
丁昱文
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Abstract

本发明公开了一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，包括如下步骤：将桥臂的n个子模块平均分组，每组中含有2个子模块；确定各组的编号为k，k＝1，2，3……n/2，确定需要导通的子模块个数为non，non＝n/2×Q+R；将需要导通的子模块平均分配到各组；按照各组内子模块的电压和Uk的大小进行排序，设定允许的组间电压最大差值为△Umax；△Umax的存在使各组子模块电压偏差较小时，保持子模块的触发脉冲可保持不变。同时结合引入保持因子，使此次投切的子模块在下一次仍能尽可能的保持现在的状态。三种方式相结合，在子模块电容电压均衡的同时，减小子模块的开关频率，从而降低开关损耗，达到更好的效果。

Description

一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法
技术领域
本发明涉及换流器领域，特别涉及到一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)广泛应用于直流输电工程中，每个换流器桥臂有多个子模块，每个子模块有一个电容，这些电容互不干扰。换流器工作时，无法对子模块不断充放电过程进行精确控制，加上运行损耗等问题，会造成各子模块电容间出现电压不平衡现象，造成换流器的运行异常。只有保持子模块电容电压的均衡稳定换流器才能正常运行。但是现有的均压方法会导致较高的开关频率，增大损耗。目前均压方法主要有以下四种：
方法一：引入模块间最大电压偏差量允许值：设定一个前提条件，使桥臂上各子模块之间的电压偏差不大时，无需对排序结果进行调整，这样就减小了同一开关器件不必要的反复投切，从而降低器件的开关频率。然而，采用这种方法当模块间最大电压偏差量允许值较大时，虽然开关频率低，但参与排序的子模块数目并没有显著减少；当模块间最大电压偏差量允许值较小时，开关频率又很高，从而造成较高的开关损耗。
方法二：在电容电压额定值附近设定一组电压上、下限，将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上，对越限的子模块要重新排序。然而，采用这种方法电容电压额定值的上、下限值的大小与开关频率密切联系，上、下限值的不准确取值，会加大电容电压的波动性。
方法三：根据桥臂电流的方向，在子模块电容电压实际值基础上增加或减去一个偏移量，这样子模块电压有小的变化时，子模块可以继续保持原来的通断状态。然而，采用这种方法偏移量大大小也和开关频率联系很大，偏移量的不准确设定，在降低开关频率的同时，也会明显增强电容电压的波动性，对系统稳定性有一定的影响。
方法四：通过引入保持因子使子模块具有一定的保持原来投切状态的能力，以降低开关器件的开关频率。然而，采用这种方法引入保持因子，子模块虽然具有一定的保持原来投切状态的能力，但保持因子的大小与电容电压的波动性紧密联系，在保证系统稳定性的情况下，想要降低系统开关损耗，仅仅引入保持因子是不够的。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，以解决上述问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，包括如下步骤：
(1)设桥臂有n个子模块；
(2)将桥臂的n个子模块平均分组，每组中含有2个子模块；
(3)确定各组的编号为k，k＝1，2，3……n/2，确定需要导通的子模块个数为non，non＝n/2×Q+R，其中Q为桥臂需要导通的子模块数与组数n/2相除所得的商，R为余数；将需要导通的子模块平均分配到各组；
(4)按照各组内子模块的电压和Uk的大小进行排序，设定允许的组间电压最大差值为△Umax；
(5)判断Uk与△Umax的大小；
(6)当Uk≤△Umax时，各组内子模块SM的投切状态不变，引入保持因子X、Y；反之，对各组电压和进行重新排序；
(7)设桥臂电流为ibrg，当重新排序时，先判断桥臂电流ibrg的方向；
(8)当桥臂电流ibrg为正时，余数R分给Uk排序较小的组，引入保持因子X；当桥臂电流ibrg为负时，余数R分给Uk排序较大的组，引入保持因子Y。
进一步的，所述电平换流器MMC由多个子模块SM串联组成，每个MMC有6个桥臂，MMC的上、下桥臂各由n个相同的子模块和一个电抗L串联组成，每相共有2n个子模块，直流侧电压为Udc。
进一步的，所述子模块SM包括上、下两个状态互补的全控型电力电子器件IGBT和直流存储电容C；二极管D1和二极管D2分别与两个全控型电力电子器件IGBT并联。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明把桥臂子模块进行分组，使每组中含有2个子模块，之后再对各组子模块电压和Uk的大小进行排序，并与设定允许的组间电压最大差值△Umax及引入了保持因子相结合，可以减小任一种方法单独应用时存在的不足。将桥臂的n个子模块进行平均分组，分组前是对n个子模块排序，分组后对n/2组排序，这样参与均压的子模块减少了，运算量也减少一半，进而提高了电容电压排序速度。△Umax的存在使各组子模块电压偏差较小时，保持子模块的触发脉冲可保持不变。同时结合引入保持因子，使此次投切的子模块在下一次仍能尽可能的保持现在的状态。三种方式相结合，在子模块电容电压均衡的同时，减小子模块的开关频率，从而降低开关损耗，达到更好的效果。
附图说明
图1为本发明所述的优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法的流程图。
图2为本发明所述电平换流器的拓扑结构示意图。
图3为本发明所述的电平换流器的单个子模块的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1～图3，本发明所述的一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，包括如下步骤：
(1)设桥臂有n(n多为偶数)个子模块。
(2)将桥臂的n个子模块平均分组，每组中含有2个子模块。
(3)确定各组的编号为k，这样一共分为k组，各组的编号依次为k(k＝1，2，3……n/2)，确定需要导通的子模块个数为non，non＝n/2×Q+R，其中Q为桥臂需要导通的子模块数与组数n/2相除所得的商，R为余数。其中Q代表每组导通子模块的基，R根据各组电容电压及桥臂电流的方向，视情况再分给需要的组。将需要导通的子模块平均分配到各组。
(4)分组完成后，再按照各组内子模块的电压和Uk的大小进行排序，设定允许的组间电压最大差值为△Umax。
(5)判断Uk与△Umax的大小。
(6)当Uk≤△Umax时，各组内子模块SM的投切状态不变，引入保持因子X、Y；反之，对各组电压和进行重新排序。排序过程中设定允许的组间电压最大差值△Umax，目的是各组电压和之间的偏差不大时，无需对排序结果进行调整，继续保持此时组内子模块的投切状态，从而降低器件的开关频率。
(7)设桥臂电流为ibrg，当重新排序时，先判断桥臂电流ibrg的方向，即排序的依据是桥臂电流ibrg的方向。
(8)当桥臂电流ibrg为正(ibrg>0)时，余数R分给Uk排序较小的组，引入保持因子X；当桥臂电流ibrg为负(ibrg＜0)时，余数R分给Uk排序较大的组，引入保持因子Y。最终各组中分配到的导通子模块个数相差不到1，达到避免各组间的电压不平衡的效果。
在各组间引入保持因子，使子模块具有一定的保持原来投切状态的能力，在子模块均压的同时可以更有效地降低子模块的开关频率，以减小开关损耗。本发明把桥臂子模块进行分组排序，并与设定允许的组间电压最大差值△Umax及引入了保持因子相结合。
电平换流器MMC由多个子模块SM串联组成，每个MMC有6个桥臂，MMC的上、下桥臂各由n个相同的子模块和一个电抗L串联组成，每相共有2n个子模块，直流侧电压为Udc。
子模块SM包括上、下两个状态互补的全控型电力电子器件IGBT和直流存储电容C。二极管D1和二极管D2分别与两个全控型电力电子器件IGBT并联。二极管D1和二极管D2是反并联二极管，USM是稳态运行时子模块的输出电压，UC为子模块的电容电压。桥臂电抗L主要作用是抑制桥臂间的内部环流，降低换流器故障时的电流上升率。
对各组内子模块引入保持因子，目的是使此次组内投切的子模块在下一次仍能尽可能保持现在的状态。由于传统排序均压法是先对电容电压进行排序，之后根据桥臂电流的方向确定导通的子模块个数non。当桥臂电流方向为正(ibrg>0)，电容充电，对排序结果按从小到大的排列顺序选取前non个导通的子模块；当桥臂电流方向为负(ibrg＜0)，电容放电，对排序结果按从大到小的排列顺序选取前non个导通的子模块。所以引入保持因子是当桥臂电流为正(子模块充电)时，将分组中处于充电状态的子模块的UC乘以一个小于1的保持因子X；当桥臂电流为负(子模块放电)时，将分组中处于放电状态的子模块的UC乘以一个大于1的保持因子Y。这样再按照正常排序来进行子模块投切的选择，可以使投入的子模块在下一次的触发控制中尽可能保持原来的状态，从而有效降低开关频率。
本发明在Matlab/Simulink中搭建了三相七电平的MMC模型，并与传统的子模块均压法在开关频率和电容电压波形方面进行了比较，可以发现桥臂子模块进行分组排序、设定允许的组间电压最大差值△Umax及引入了保持因子相结合的优化算法下开关频率确实明显降低，故损耗也会减小，虽然优化后的子模块电容电压的一致性有所降低，但是影响很小，在规定的偏差范围内，验证了此优化方法在实现子模块均压的同时对降低开关频率确实有效。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)设桥臂有n个子模块；
(2)将桥臂的n个子模块平均分组，每组中含有2个子模块；
(3)确定各组的编号为k，k＝1，2，3……n/2，确定需要导通的子模块个数为non，non＝n/2×Q+R，其中Q为桥臂需要导通的子模块数与组数n/2相除所得的商，R为余数；将需要导通的子模块平均分配到各组；
(4)按照各组内子模块的电压和Uk的大小进行排序，设定允许的组间电压最大差值为△Umax；
(5)判断Uk与△Umax的大小；
(6)当Uk≤△Umax时，各组内子模块SM的投切状态不变，引入保持因子X、Y；反之，对各组电压和进行重新排序；
(7)设桥臂电流为ibrg，当重新排序时，先判断桥臂电流ibrg的方向；
(8)当桥臂电流ibrg为正时，余数R分给Uk排序较小的组，引入保持因子X；当桥臂电流ibrg为负时，余数R分给Uk排序较大的组，引入保持因子Y。
2.根据权利要求1所述的优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，其特征在于：所述电平换流器MMC由多个子模块SM串联组成，每个MMC有6个桥臂，MMC的上、下桥臂各由n个相同的子模块和一个电抗L串联组成，每相共有2n个子模块，直流侧电压为Udc。
3.根据权利要求2所述的优化开关频率的模块化多电平换流器子模块均压方法，其特征在于：所述子模块SM包括上、下两个状态互补的全控型电力电子器件IGBT和直流存储电容C；二极管D1和二极管D2分别与两个全控型电力电子器件IGBT并联。
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