CN108923619A - 基于不平衡度策略的mmc子模块电容电压平衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡系统，包括初始载波、移相角生成装置、开关驱动生成装置、平衡时间计算装置以及开关驱动信号选择装置。本发明还公开一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，首先利用载波轮换法生成不同子模块所对应的初始三角载波和初始相位，然后分别采用载波移相调制策略和辅助平衡法生成子模块功率管开关驱动信号；根据子模块的不平衡度生成选通脉冲；根据选通脉冲中的高低电平，决定向桥臂中的子模块功率管输出何种开关驱动信号。此种技术方案以子模块电容电压平衡为目标，实现方便快捷，电能质量更好，开关损耗较小，子模块电容电压平衡效果更加优越。

Description

基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡系统及方法

技术领域

本发明属于变换器控制领域，特别涉及一种用于模块化多电平变换器之类的多模块电源系统。

背景技术

模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)，用于在高压柔性直流输电、有源滤波器、无功补偿器、电机驱动等领域。MMC和传统单一拓扑结构的电源不同，是一个复杂的多模块电源系统，由大量子模块及其控制系统、主控制系统、断路器、电缆和电感等装置链接构成。其中，各个子模块在运行过程中电容电压逐渐趋于不平衡，如果不加以控制，部分子模块可能过压损毁，最终可能导致MMC系统崩溃。因此，在MMC运行过程中，一般使用子模块电容电压平衡技术来维持电容电压的平衡。目前的子模块电容电压平衡技术主要分为两类，一类是基于排序算法的电容电压平衡技术，这类技术易于实现且平衡效果好，但存在排序运算复杂、占用资源多、子模块开关驱动频率较高、损耗较大等缺点；一类是在调制波中叠加修正量的平衡算法，这类平衡算法灵活性更高，但存在修正量计算困难、在调制波中引入谐波会影响输出电能质量等缺点。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡系统及方法，根据检测电容电压实时变化，计算系统的不平衡度，并利用计算结果通过闭环控制、驱动选择、载波轮换和多频率优化等方法综合地、动态地调节子模块电容电压平衡算法的作用时间，优化其作用效果；本发明以子模块电容电压平衡为目标，实现方便快捷，电能质量更好，开关损耗较小，子模块电容电压平衡效果更加优越。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡系统，包括：

初始载波、移相角生成装置，根据固定频率的触发信号生成相应的三角载波和相位，并送入开关驱动生成装置；

开关驱动生成装置，分别采用载波移相调制策略和辅助平衡法，利用初始载波、移相角生成装置生成的三角载波和相位生成两组子模块功率管开关驱动信号，并送入开关驱动信号选择装置；

平衡时间计算装置，计算子模块的不平衡度，生成选通脉冲，并送入开关驱动信号选择装置；以及，

开关驱动信号选择装置，识别选通脉冲中的高低电平，决定向桥臂中的子模块功率管输出何种开关驱动信号。

一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，包括如下步骤：

步骤1，利用载波轮换法生成不同子模块所对应的初始三角载波和初始相位；

步骤2，分别采用载波移相调制策略和辅助平衡法，利用步骤1得到的三角载波和相位生成两组子模块功率管开关驱动信号；

步骤3，计算子模块的不平衡度，生成选通脉冲；

步骤4，根据选通脉冲中的高低电平，决定向桥臂中的子模块功率管输出何种开关驱动信号。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

(1)在本发明中，平衡控制技术不需要电容电压排序过程，节约了计算资源；

(2)在本发明中，平衡控制技术不改变子模块功率管开关驱动的频率，避免了开关频率的提高和开关损耗的增加；

(3)在本发明中，平衡控制技术无需在调制波中叠加修正量来改变子模块的投入时间，避免了调制波畸变对系统稳定性、输出电能质量造成的影响。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明所涉及子模块序号及三角载波轮换中三角载波和相位的生成方式；

图3是本发明所涉及辅助平衡法框图；

图4是本发明所涉及辅助平衡法原理图；

图5是本发明所涉及辅助平衡法对初始三角载波的移相原理图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

本发明提供的一种基于不平衡度测量的MMC子模块电容电压平衡系统，主要包括如下几个部分：

A.初始载波、移相角生成装置，根据固定频率的触发信号生成相应的三角载波；

B.平衡时间计算装置，根据不平衡度的计算结果，通过比例控制器、选通脉冲载波发生器、比较器等装置的运算，最后生成选通脉冲；

C.基于辅助平衡法的开关驱动生成装置，通过采样桥臂子模块电容电压、计算平均电容电压来计算移相角的增量，以此改变初始移相角值，迫使三角载波移相，达到改变开关驱动信号的目的。

D.开关驱动信号选择装置，通过识别选通脉冲中的高低电平，决定向桥臂中的子模块功率管输出何种开关驱动信号。

本发明将载波轮换技术引入平衡算法中，把载波轮换装置加入初始载波和移相角的生成装置中，使得用于生成功率管开关驱动的初始载波本身就具有移相角以固定频率变化的特点，从而在低开关频率下较好的抑制MMC子模块电容电压不平衡问题。

另一方面，本发明首次提出并定义了不平衡度的概念，用不平衡度概念描述一个桥臂上所有电容电压不平衡的情况：

其中，U_dc为MMC的直流侧电压，N_sub为桥臂子模块数，u_{c_SMi}为第i个子模块电压，u_{c_avg}为一个桥臂上子模块电容电压的平均值。该物理量能较好地描述一个桥臂上子模块电容电压整体的不平衡程度，从而为判断一个桥臂中的子模块电容电压是否平衡提供量化判据。

平衡技术利用不平衡度这一物理量来实现平衡算法的闭环控制。当桥臂不平衡度较大时，辅助平衡法的作用时间增加，以增强其作用效果；当桥臂不平衡度减少时，辅助平衡法的作用时间减小，避免辅助平衡法造成的畸变。

另一方面，本发明提供一种基于不平衡度计算的选通脉冲计算装置，该装置在采样一个桥臂上所有子模块电容电压后，通过计算生成不平衡度τ，然后将不平衡度通过比例积分器得到选通脉冲占空比量。占空比量和选通脉冲三角载波比较后，最终得到只含高低电平的选通脉冲信号。

另一方面，在初始移相角的基础上，本发明加入了辅助平衡装置。该装置通过采样各子模块电容电压，运算得到移相角增量并叠加至初始移相角上；然后改变三角载波移相角，从而使三角载波和调制波比较得到的子模块功率管开关驱动波形也发生相应的相移，从而达到调节子模块电容电压的目的。

采样特定子模块电容电压后，和该桥臂上所有子模块电容电压的平均值作差，其差值通过比例积分器计算出移相角增量，并使得初始移相角发生偏移以调节子模块电容电压，因此辅助平衡法对子模块电容电压实行了闭环调节。

利用载波相移、子模块开关驱动信号相移导致子模块电容电压发生变化来调节子模块电容电压。当相位超前时，子模块电容电压下降；当相位滞后时，子模块电容电压上升。

另一方面，在于提供了一种子模块开关驱动信号选通装置。MMC控制系统总共生成两组子模块功率管开关驱动信号，一组开关驱动信号由基本的载波移相调制法生成，另一组开关驱动信号由辅助平衡法生成。子模块开关选通装置通过检测选通脉冲的高低电平来选择输出其中一组开关驱动信号。当选通脉冲为高电平时，该装置选择辅助平衡法产生的子模块功率管开关驱动信号；当选通脉冲为低电平时，该装置选择初始三角载波和调制波比较得到的子模块功率管开关驱动信号。

另一方面，本发明对MMC系统控制参数进行了优化。为减小不同子模块间功率管开关驱动波形的差异，大幅度提高离散的数字系统，诸如DSP、FPGA等对调制波更新的频率，从而减小因开关驱动波形差异导致的子模块电容电压不平衡现象；为避免因开关频率相对基波频率过低导致的电容充放电不平衡现象，设置三角载波和基波频率之比的下限值，进一步减小子模块间的电容电压不平衡现象。

如图1所示，本发明实现的过程是：

1)系统首先使用载波轮换法生成不同子模块所对应的初始三角载波。生成的初始三角载波分别送入载波移相调制策略和辅助平衡法中。

2)在载波移相调制策略中，系统直接使用初始三角载波和调制波比较，生成一组子模块功率管开关驱动信号；在辅助平衡法中，系统生成移相角增量Δθ_i以调整初始三角载波的相位，然后得到调整后的三角载波，再与调制波比较，生成另一组子模块功率管开关驱动信号。

3)最后，这两组选通脉冲同时进入开关驱动选择器：当选通脉冲的值为0 时，系统向子模块输出第一组开关驱动信号；当选通脉冲的值为1时，系统向子模块输出第二组由辅助平衡法生成的开关驱动信号。

此外，图中还给出了利用不平衡度τ生成选通脉冲的过程：

1)计算不平衡度τ；

2)结果通过比例积分器得到选通脉冲占空比；

3)占空比和以基波为频率、100％为幅值的三角载波比较，得到选通脉冲。

图2中，系统使用载波轮换法生成一个桥臂上各个子模块的初始三角载波和初始相位。桥臂上的子模块序号按桥臂电流方向从低到高排序。当不使用载波轮换法时，各个子模块的初始三角载波及相位固定；当使用载波轮换法时，各个子模块的三角载波及其相位随调节脉冲不断更新其波形和大小，从而使每个子模块都能够在MMC运行过程中轮换到不同的三角载波和相位。

图3中，辅助平衡法保持调制波不变，只调整子模块SM_i对应的三角载波移相角θ_i的大小，进而改变子模块SM_i投入时刻，最终改变u_c的大小。其过程为：

1)将采样到的子模块SM_i的电容电压u_{c_i}和计算出的电容电压平均值u_{c_ref}作差；

2)其差值经过比例控制器后得到移相角增量Δθ_i；Δθ_i被限制在-0.2π/N_sub到 +0.2π/N_sub，以防止移相角改变过大，影响输出电压和电流的谐波分布。

3)使用Δθ_i调整子模块SM_i的三角载波CW_i的移相角，使其从2π(i-1)/N_sub变为(2π(i-1)/N_sub+Δθ_i)，从而得到新的三角载波CW_i；

4)新的三角载波CW_i和调制波比较得到对应子模块功率管的开关驱动。

图4给出了辅助平衡法的调节原理，即改变三角载波移相角θ_i的大小就能改变u_c的大小。图中，当Δθ_i小于0，θ_i减少时，子模块SM_i的导通时间段T_on从 T₁时刻到T₂时刻变为T₁-时刻到T₂-时刻，因此子模块电容电压u_c大于移相角没有改变时的初始值。相反，当Δθ_i大于0，θ_i增大时，相应的导通时间段T_on从时间段T₁时刻到T₂时刻变为T₁₊时刻到T₂₊时刻，因此子模块电容电压u_c小于移相角没有改变时的初始值。所以，调节θ_i能够使u_c产生明显的变化，而改变θ_i的正负则能够控制u_c的增减，从而实现不同子模块间的电容电压平衡。

图5给出了初始CW_i相位调整的过程。当调节脉冲到来时，首先在初始移相角θ_{i_initial}上叠加移相角增量Δθ_i，计算出实际移相角θ_i；然后对初始三角载波进行移相，得到新的CW_i。因此，新的CW_i和调制波比较得到的子模块功率管开关驱动信号也发生了移相。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡系统，其特征在于包括：

初始载波、移相角生成装置，根据固定频率的触发信号生成相应的三角载波和相位，并送入开关驱动生成装置；

开关驱动生成装置，分别采用载波移相调制策略和辅助平衡法，利用初始载波、移相角生成装置生成的三角载波和相位生成两组子模块功率管开关驱动信号，并送入开关驱动信号选择装置；

平衡时间计算装置，计算子模块的不平衡度，生成选通脉冲，并送入开关驱动信号选择装置；以及，

开关驱动信号选择装置，识别选通脉冲中的高低电平，决定向桥臂中的子模块功率管输出何种开关驱动信号。

2.如权利要求1所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡系统，其特征在于：所述平衡时间计算装置包括顺序连接的不平衡度计算模块、比例控制器、选通脉冲载波发生器和比较器。

3.一种基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，利用载波轮换法生成不同子模块所对应的初始三角载波和初始相位；

步骤2，分别采用载波移相调制策略和辅助平衡法，利用步骤1得到的三角载波和相位生成两组子模块功率管开关驱动信号；

步骤3，计算子模块的不平衡度，生成选通脉冲；

步骤4，根据选通脉冲中的高低电平，决定向桥臂中的子模块功率管输出何种开关驱动信号。

4.如权利要求3所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于：所述步骤1中，利用载波轮换法生成一个桥臂上各个子模块所对应的初始三角载波和初始相位的具体内容是：桥臂上的子模块序号按桥臂电流方向从低到高排序；当不使用载波轮换法时，各个子模块的初始三角载波及相位固定；当使用载波轮换法时，各个子模块的三角载波及其相位随调节脉冲不断更新其波形和大小，从而使每个子模块都能够在MMC运行过程中轮换到不同的三角载波和相位。

5.如权利要求3所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于：所述步骤2中，采用载波移相调制策略生成子模块功率管开关驱动信号的方法是：直接使用初始三角载波和调制波比较，生成一组子模块功率管开关驱动信号；采用辅助平衡法生成子模块功率管开关驱动信号的方法是：生成移相角增量Δθ_i以调整初始三角载波的相位，然后得到调整后的三角载波，再与调制波比较，生成另一组子模块功率管开关驱动信号。

6.如权利要求5所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于：所述采用辅助平衡法生成子模块功率管开关驱动信号的具体过程是：

步骤a，将采样到的子模块SM_i的电容电压u_{c_i}和计算出的电容电压平均值u_{c_ref}作差；

步骤b，其差值经过比例控制器后得到移相角增量Δθ_i，Δθ_i被限制在-0.2π/N_sub到+0.2π/N_sub；

步骤c，使用Δθ_i调整子模块SM_i的三角载波CW_i的移相角，使其从2π(i-1)/N_sub变为[2π(i-1)/N_sub]+Δθ_i，从而得到新的三角载波CW_i；

步骤d，新的三角载波CW_i和调制波比较得到对应子模块功率管的开关驱动信号。

7.如权利要求3所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于：所述步骤3的具体内容是：

步骤31，计算不平衡度τ；

步骤32，通过比例积分器得到选通脉冲占空比；

步骤33，占空比和以基波为频率、100％为幅值的三角载波比较，得到选通脉冲。

8.如权利要求7所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于：所述步骤31中，不平衡度τ的计算公式是：

其中，U_dc为MMC的直流侧电压，N_sub为桥臂子模块数，u_{c_SMi}为第i个子模块电压，u_{c_avg}为一个桥臂上子模块电容电压的平均值。

9.如权利要求3所述的基于不平衡度策略的MMC子模块电容电压平衡方法，其特征在于：所述步骤4中，当选通脉冲为高电平时，选择辅助平衡法生成的子模块功率管开关驱动信号；当选通脉冲为低电平时，选择载波移相调制策略生成的子模块功率管开关驱动信号。