CN108933535A - 一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,包括以下步骤:(1)接受换流器控制层根据NLC方法得到的一个桥臂应投入的子模块个数指令Non,计算子模块投入数量的变化Ndiff;(2)测量每个子模块的电容电压,并找出最小的电容电压vcmin和最大的电容电压vcmax。测量每个子模块中IGBT和反并联二极管的温度,并找出T1min,T2min,D1min,D2min。(3)判断Ndiff的正负和臂电流的方向,此发明基于电容电压平衡算法把温度加入平衡算法中,既平衡了模块化多电平的电容电压,又平衡了它的温度,而且此算法基于上一周期的开通子模块个数,排序时不需要对所有的子模块进行排序,算法简单。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域,尤其涉及一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法。
背景技术
近来,模块化多电平转换器(MMC)被认为是适用于高功率电压源转换器的技术。由于其可扩展性,高效率,输出电压的总谐波失真低,开关频率低以及低中功率器件使用能力等优点,已在商业上实现高压直流,静态同步补偿器和大型电机驱动应用。
由于MMC含有大量子模块,需要控制其电容电压平衡,以保证MMC稳定运行。而电容电压平衡会导致不同子模块中功率半导体的负载不平衡,而且控制电容电压平衡时通常不考虑元器件的功率损耗和功率器件之间结温的平衡。而在MMC应用中,来自同一个子模块的器件的功率损耗分布通常是不相等的,因此会导致MMC热不平衡的问题。另外,同一个MMC中子模块之间的热平衡只有在所有子模块参数都相同的情况下才是确定的。而在实践中,子模块通常是不相同的,由于子模块电容器的制造公差,功率器件的导通和开关损耗等也不尽相同。另外,运行期间电容器的劣化和一个断开的子模块的更换可能进一步导致子模块的电容的显著偏差。因此提出模块化多电平换流器热平衡控制方法是有必要的。
发明内容
发明目的:
一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其目的是解决以往所存在的问题。针对上述背景中描述的模块化多电平换流器各种热不平衡产生的原因,本发明基于优化的电容电压平衡控制方法将子模块中元器件的温度考虑其中,从而提出了一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法。此方法是根据本周期需开通的子模块数与上个周期需开通的子模块数的差和臂电流的方向,从而开通或关断子模块,在选择开通或关断的子模块时按定义的包含电容器电压和元器件温度的函数来排序选择。本周期需开通的子模块数是用NLC方法确定的。
技术方案:
一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)接受换流器控制层根据NLC方法得到的一个桥臂应投入的子模块个数指令Non,计算子模块投入数量的变化Ndiff;
(2)测量每个子模块的电容电压,并找出最小的电容电压vcmin和最大的电容电压vcmax。测量每个子模块中IGBT和反并联二极管的温度,并找出T1min,T2min,D1min,D2min。
(3)判断Ndiff的正负和臂电流的方向,当Ndiff为正臂电流也为正时,说明需要再开通Ndiff个子模块,且需要对这些子模块的电容进行充电,因此D1导通,测量未开通的子模块的电容电压和D1的温度,计算未开通的子模块的c1值并进行排序,插入具有最低c1的Ndiff个子模块;当Ndiff为正臂电流为负时,说明需要开通Ndiff个子模块且开通的子模块需要放电,因此T1导通,测量未开通的子模块的电容电压和T1的温度,计算c3的值并进行排序,插入具有最小c3的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流为正时,说明需要关断Ndiff个子模块,且关断的子模块是充电的,因此T2导通,测量已开通的子模块的电容电压和T2的温度,计算c2的值并进行排序,旁路具有最小c2的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流为正时,说明需要关断Ndiff个子模块且T2导通,旁路具有最小c2的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流也为负时,说明需要关断Ndiff个子模块且D2导通,测量已开通的子模块的电容电压和D2的温度,计算c4的值并进行排序,旁路具有最小c4的Ndiff个子模块。
(4)触发需要打开的子模块,将各子模块电压和温度控制在一个范围内。
对未开通或已开通的子模块进行排序时,其标准不再是电容器电压,而是本发明所定义的包含子模块温度的函数。
步骤(1)中提到的确定开通子模块个数的NLC方法具体操作如下
设Udc为直流电压,uUref为上桥臂参考(指令)电压,uLref为下桥臂参考(指令)电压,uref为输出交流电压参考。
每个桥臂有N个模块,则上、下桥臂应开通模块数分别为
Round表示取整函数。
步骤(3)中作为排序标准的c1,c2,c3,c4值的函数如下:
c1=(vc-vc,min)+α(Tj,D1-Tj,D1,min)
c2=(vc,max-vc)+α2(Tj,T2-Tj,T2,min)
c3=(vc,max-vc)+α3(Tj,T1-Tj,T1,min)
c3=(vc,max-vc)+α3(Tj,D2-Tj,D2,min)
其中,vc是子模块电容器电压,Vc,min是所有子模块电容电压的最小值,Tj,D1是子模块中第一个二极管的温度,Tj,D1,min是所有子模块中第一个二极管温度的最低值,vc,max是所有子模块电容电压的最大值,Tj,T2是子模块中第二个IGBT的温度,Tj,T2,min是所有子模块中第二个IGBT温度的最低值,Tj,T1是子模块中第一个IGBT的温度,Tj,T1,min是所有子模块中第一个IGBT所有子模块温度的最低值,Tj,D2是子模块中第二个二极管的温度,Tj,D2,min是所有子模块第二个二极管温度的最低值。加权因子α用于调整有效热平衡的强度,当α=0时,就是电容电压平衡控制策略,随着α的增大,电容电压平衡策略真的权重就比较大。
优点效果:
本发明提供一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,该方法基于优化的电容电压平衡算法的基础上将模块化多电平换流器的温度纳入考虑范围。将实际需开通的子模块的数量Non与之前开通的子模块数量Non_old进行比较,根据开通数量差Ndiff的符号和桥臂电流iarm的方向决定需要投入或切除的Ndiff个子模块,当Ndiff为正臂电流也为正时,插入未开通的子模块中具有最低c1值的子模块;当Ndiff为正臂电流为负时,插入未开通的子模块中具有最低c3值的子模块;当Ndiff为负臂电流为正时,旁路已开通的子模块中具有最低c2值的子模块;当Ndiff为负臂电流为负时,旁路已开通的子模块中具有最低c4值的子模块。该方法能平衡由于子模块参数不匹配引起的子模块内热不平衡的现象,从而延长子模块的寿命。
此发明基于电容电压平衡算法把温度加入平衡算法中,既平衡了模块化多电平的电容电压,又平衡了它的温度,而且此算法基于上一周期的开通子模块个数,排序时不需要对所有的子模块进行排序,算法简单。
附图说明
图1是模块化电平换流器MMC的典型拓扑结构;
图2是半桥子模块的结构图;
图3是本发明提供的适用于模块化多电平换流器热平衡控制的流程图;
图4(a)为未采用热平衡控制方法的三个子模块元器件的温度,(b)为采用热控制方法的三个子墨亏啊的元器件的温度。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式对本发明作详细描述:
图1是模块化多电平换流器MMC的典型拓扑图。图1中,模块化多电平电压源换流器(MMC)的拓扑结构,每相有上下两个桥臂,每个桥臂由n个半桥子模块以及桥臂电抗器L构成。其中Udc为直流侧电压。
图2是半桥子模块的结构图。图2中,半桥子模块是由两个绝缘栅双极型晶体管T1、T2,两个反并联二极管D1、D2以及一个电容构成,单个半桥子模块可输出的电压是电容电压USM或者是0,因此能够输出1,0两种电平。
图3是本发明提供的适用于模块化多电平换流器热平衡控制的流程图:
(1)首先接受换流器控制层根据NLC方法得到的一个桥臂应投入的子模块个数指令Non,计算子模块投入数量的变化Ndiff,Ndiff=Non-Non_old;
(2)测量每个子模块的电容电压,并找出最小的电容电压vcmin和最大的电容电压vcmax。测量每个子模块中IGBT和反并联二极管的温度,并找出T1min,T2min,D1min,D2min。
(3)判断Ndiff的正负和臂电流的方向,当Ndiff为正臂电流也为正时,说明需要再开通Ndiff个子模块,且需要对这些子模块的电容进行充电,因此D1导通,测量未开通的子模块的电容电压和D1的温度,计算未开通的子模块的c1值并进行排序,插入具有最低c1的Ndiff个子模块;当Ndiff为正臂电流为负时,说明需要开通Ndiff个子模块且开通的子模块需要放电,因此T1导通,测量未开通的子模块的电容电压和T1的温度,计算c3的值并进行排序,插入具有最小c3的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流为正时,说明需要关断Ndiff个子模块,且关断的子模块是充电的,因此T2导通,测量已开通的子模块的电容电压和T2的温度,计算c2的值并进行排序,旁路具有最小c2的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流为正时,说明需要关断Ndiff个子模块且T2导通,旁路具有最小c2的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流也为负时,说明需要关断Ndiff个子模块且D2导通,测量已开通的子模块的电容电压和D2的温度,计算c4的值并进行排序,旁路具有最小c4的Ndiff个子模块。
(4)触发需要打开的子模块,将各子模块电压和温度控制在一个范围内。
步骤(1)中提到的确定开通子模块个数的NLC方法具体操作如下
设Udc为直流电压,uUref为上桥臂参考(指令)电压,uLref为下桥臂参考(指令)电压,uref为输出交流电压参考。
每个桥臂有N个模块,则上、下桥臂应开通模块数分别为
Round表示取整函数。
步骤(3)中作为排序标准的c1,c2,c3,c4值的函数如下:
c1=(vc-vc,min)+α(Tj,D1-Tj,D1,min)
c2=(vc,max-vc)+α2(Tj,T2-Tj,T2,min)
c3=(vc,max-vc)+α3(Tj,T1-Tj,T1,min)
c3=(vc,max-vc)+α3(Tj,D2-Tj,D2,min)
其中,vc是子模块电容器电压,Vc,min是所有子模块电容电压的最小值,Tj,D1是子模块中第一个二极管的温度,Tj,D1,min是所有子模块中第一个二极管温度的最低值,vc,max是所有子模块电容电压的最大值,Tj,T2是子模块中第二个IGBT的温度,Tj,T2,min是所有子模块中第二个IGBT温度的最低值,Tj,T1是子模块中第一个IGBT的温度,Tj,T1,min是所有子模块中第一个IGBT所有子模块温度的最低值,Tj,D2是子模块中第二个二极管的温度,Tj,D2,min是所有子模块第二个二极管温度的最低值。加权因子α用于调整有效热平衡的强度,当α=0时,就是电容电压平衡控制策略,随着α的增大,电容电压平衡策略真的权重就比较大。
在Matlab/Simulink中搭建每个桥臂含150个子模块的模块化多电平换流器,其参数如表一所示:
仿真结果如图4(a)(b)所示,(a)为未使用热平衡控制算法时子模块61,94,122的T1、T2、D1、D2的温度,(b)为使用热平衡控制算法时子模块61,94,122的T1、T2、D1、D2的温度,通过对照可以看到,未使用热平衡控制算法时子模块之间的温度不一直是趋于一致的。使用热平衡控制算法后,子模块之间的温度基本趋于一直。而且,子模块中单个功率半导体中的温度快速变化和高温变化的次数也明显减少。
综上所述,充分验证了本发明提出的热平衡控制方法平衡了子模块之间的温度分布,解决了模块化多电平换流器热不平衡的现象。
Claims (5)
1.一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其特征在于:该方法包括以下步骤:
(1)接受换流器控制层根据NLC方法得到的一个桥臂应投入的子模块个数指令Non,计算子模块投入数量的变化Ndiff;
(2)测量每个子模块的电容电压,并找出最小的电容电压vcmin和最大的电容电压vcmax;测量每个子模块中IGBT和反并联二极管的温度,并找出T1min,T2min,D1min,D2min;
(3)判断Ndiff的正负和臂电流的方向;
(4)触发需要打开的子模块,将各子模块电压和温度控制在一个范围内。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其特征在于:步骤(3)中,当Ndiff为正臂电流也为正时,说明需要再开通Ndiff个子模块,且需要对这些子模块的电容进行充电,因此D1导通,测量未开通的子模块的电容电压和D1的温度,计算未开通的子模块的c1值并进行排序,插入具有最低c1的Ndiff个子模块;当Ndiff为正臂电流为负时,说明需要开通Ndiff个子模块且开通的子模块需要放电,因此T1导通,测量未开通的子模块的电容电压和T1的温度,计算c3的值并进行排序,插入具有最小c3的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流为正时,说明需要关断Ndiff个子模块,且关断的子模块是充电的,因此T2导通,测量已开通的子模块的电容电压和T2的温度,计算c2的值并进行排序,旁路具有最小c2的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流为正时,说明需要关断Ndiff个子模块且T2导通,旁路具有最小c2的Ndiff个子模块;当Ndiff为负而臂电流也为负时,说明需要关断Ndiff个子模块且D2导通,测量已开通的子模块的电容电压和D2的温度,计算c4的值并进行排序,旁路具有最小c4的Ndiff个子模块。
3.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其特征在于:对未开通或已开通的子模块进行排序时,其标准不再是电容器电压,而是本方法所定义的包含子模块温度的函数。
4.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其特征在于:
步骤(1)中提到的确定开通子模块个数的NLC方法具体操作如下
设Udc为直流电压,uUref为上桥臂参考电压,uLref为下桥臂参考电压,uref为输出交流电压参考;
每个桥臂有N个模块,则上、下桥臂应开通模块数分别为
Round表示取整函数。
5.根据权利要求2所述的一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法,其特征在于:步骤(3)中作为排序标准的c1,c2,c3,c4值的函数如下:
c1=(vc-vc,min)+α(Tj,D1-Tj,D1,min)
c2=(vc,max-vc)+α(Tj,T2-Tj,T2,min)
c3=(vc,max-vc)+α3(Tj,T1-Tj,T1,min)
c3=(vc,max-vc)+α3(Tj,D2-Tj,D2,min)
其中,vc是子模块电容器电压,Vc,min是所有子模块电容电压的最小值,Tj,D1是子模块中第一个二极管的温度,Tj,D1,min是所有子模块中第一个二极管温度的最低值,vc,max是所有子模块电容电压的最大值,Tj,T2是子模块中第二个IGBT的温度,Tj,T2,min是所有子模块中第二个IGBT温度的最低值,Tj,T1是子模块中第一个IGBT的温度,Tj,T1,min是所有子模块中第一个IGBT所有子模块温度的最低值,Tj,D2是子模块中第二个二极管的温度,Tj,D2,min是所有子模块第二个二极管温度的最低值;加权因子α用于调整有效热平衡的强度,当α=0时,就是电容电压平衡控制策略,随着α的增大,电容电压平衡策略真的权重就比较大。
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110365234A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-22 | 中电普瑞电力工程有限公司 | 一种模块化多电平换流阀子模块投切方法及装置 |
CN111917316A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-11-10 | 东南大学 | 基于模块化多电平换流器集中控制下子模块温度调节与平衡方法 |
CN112152495A (zh) * | 2019-06-28 | 2020-12-29 | 新疆金风科技股份有限公司 | 模块化多电平换流器的控制方法及其控制器 |
CN115328236A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 上海交通大学 | 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统 |
WO2022257491A1 (zh) * | 2021-06-07 | 2022-12-15 | 东南大学 | 一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 |
-
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- 2018-06-14 CN CN201810615462.2A patent/CN108933535A/zh active Pending
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
FREDERIK HAHN 等: "Active thermal balancing for modular multilevel converters in HVDC applications", 《2016 18TH EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS》 * |
FREDERIK HAHN 等: "Thermal Analysis and Balancing for Modular Multilevel Converters in HVDC", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 * |
HEVERTON A. PEREIRA 等: "Capacitor voltage balance performance comparison of MMC-STATCOM using NLC and PS-PWM strategies during negative sequence current injection", 《2016 18TH EUROPEAN CONFERENCE ON POWER ELECTRONICS AND APPLICATIONS》 * |
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110365234A (zh) * | 2019-06-20 | 2019-10-22 | 中电普瑞电力工程有限公司 | 一种模块化多电平换流阀子模块投切方法及装置 |
CN110365234B (zh) * | 2019-06-20 | 2024-05-07 | 中电普瑞电力工程有限公司 | 一种模块化多电平换流阀子模块投切方法及装置 |
CN112152495A (zh) * | 2019-06-28 | 2020-12-29 | 新疆金风科技股份有限公司 | 模块化多电平换流器的控制方法及其控制器 |
CN112152495B (zh) * | 2019-06-28 | 2023-03-31 | 新疆金风科技股份有限公司 | 模块化多电平换流器的控制方法及其控制器 |
CN111917316A (zh) * | 2020-06-04 | 2020-11-10 | 东南大学 | 基于模块化多电平换流器集中控制下子模块温度调节与平衡方法 |
WO2022257491A1 (zh) * | 2021-06-07 | 2022-12-15 | 东南大学 | 一种容错控制下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 |
US11711008B2 (en) | 2021-06-07 | 2023-07-25 | Southeast University | Loss optimization control method for modular multilevel converters under fault-tolerant control |
CN115328236A (zh) * | 2022-08-10 | 2022-11-11 | 上海交通大学 | 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统 |
CN115328236B (zh) * | 2022-08-10 | 2023-04-25 | 上海交通大学 | 级联型储能变流器子模块电容器热平衡控制方法及系统 |
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