CN109104110A - 阶调式模块化多电平变换器及其控制方法 - Google Patents

阶调式模块化多电平变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种阶调式模块化多电平变换器及其控制方法，所述阶调式模块化多电平变换器包括有上桥臂、下桥臂和子模块控制单元，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有n个串联连接的子模块，n个所述子模块的理论电容电压满足V1：V2：……：Vn=1:2:……：2n；所述控制方法包括：确定每个桥臂中串联连接的所述子模块的个数n，确定符合阶调控制策略的理论总输出电压V的公式，穷举出V取不同值时各系数存在的所有的取值情况，确定各系数的实际取值，以及根据各系数的实际取值确定用于控制每个子模块的投切状态的控制信号，根据所述控制信号控制子模块的投切状态。采用本发明，能够实现采用少量的子模块获得更多输出电平的目的。

Description

阶调式模块化多电平变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体地说，是涉及一种阶调式模块化多电平变换器及其控制方法。
背景技术
模块化多电平变换器，简称为MMC，是电压源型换流器的一种比较新颖的拓扑类型，由多个级联的子模块（Sub-Module, SM）组成，这些子模块可以是半桥子模块或者全桥子模块。MMC以其便于模块化设计、制造升级灵活、维护方便等优点而成为先进的电力电子变换器，被广泛应用于柔性直流输电系统中。
传统的MMC中，所有子模块SM具有相同的输出电压，因而，利用上下桥臂中的子模块的输出组合成最终所需电平的方式有限。要得到更多输出电平，使得输出波形更加平滑，所需要的子模块数量会非常多。子模块数量越多，对MMC进行控制的过程越复杂，因此，在实际应用中，MMC的子模块数量不会过多，因此也限制了输出波形的平滑性。
发明内容
本发明的目的是提供一种阶调式模块化多电平变换器及其控制方法，实现采用少量的子模块获得更多输出电平的目的。
为实现上述发明目的，本发明提供的的阶调式模块化多电平变换器的控制方法采用下述技术方案予以实现：
一种模块化多电平变换器的控制方法，所述模块化多电平变换器包括有上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有n个串联连接的子模块，n个所述子模块的理论电容电压V1、V2、……Vn满足下述的关系：V1：V2：……：Vn =1:2:……：2n，n为大于1的自然数；V1、V2、……Vn分别为同一个桥臂中第一个子模块的理论电容电压、第二个子模块的理论电容电压、……、第n个子模块的理论电容电压，所述子模块的理论电容电压为所述子模块的输出电压的绝对值；
所述控制方法包括采用下述过程控制各所述子模块的投切状态：
确定每个桥臂中串联连接的所述子模块的个数n；
根据确定出的所述子模块的个数n确定符合阶调控制策略的理论总输出电压V的公式，V= a1 *V1+ a2 *V2+……+ an*Vn；V是一个桥臂的理论总输出电压，a1、a2、……an分别为该桥臂中第一个子模块的电容电压的系数、第二个子模块的电容电压的系数、……、第n个子模块的电容电压的系数，a1、a2、……an的取值为1、-1、0中的一个；
根据所述理论总输出电压V的公式，穷举出理论总输出电压V取不同值时各系数a1、a2、……an存在的所有的取值情况；
确定各系数的实际取值：对于所述理论总输出电压V的指定值，若各系数a1、a2、……an的取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值，若各系数a1、a2、……an的取值情况不唯一，根据设定标准确定各系数的实际取值；所述设定标准至少包括：使得实际电容电压小的子模块处于充电状态或切除状态，或使得实际电容电压大的子模块处于放电状态或切除状态；
根据各系数的实际取值确定用于控制每个子模块的投切状态的控制信号，根据所述控制信号控制子模块的投切状态。
为实现前述发明目的，本发明提供的阶调式模块化多电平变换器采用下述技术方案予以实现：
一种阶调式模块化多电平变换器，包括有上桥臂、下桥臂和子模块控制单元，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有n个串联连接的子模块，n个所述子模块的理论电容电压V1、V2、……Vn满足下述的关系：V1：V2：……：Vn=1:2:……：2n，n为大于1的自然数；V1、V2、……Vn分别为同一个桥臂中第一个子模块的理论电容电压、第二个子模块的理论电容电压、……、第n个子模块的理论电容电压，所述子模块的理论电容电压为所述子模块的输出电压的绝对值。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明提供的阶调式模块化多电平变换器，通过控制同一个桥臂中的各子模块的理论电容电压满足1:2:……：2n的比例关系，使得一个桥臂中的子模块的输出组合形成的总输出电压的电平数显著增加，从而能够在不增加子模块数量的基础上增加一个桥臂的理论总输出电压所包含的电平数，使得输出波形更加平滑，提高了子模块利用率，避免了单纯依靠增加子模块数量来增加输出电平数所带来的结构和控制均极为复杂的问题，降低了产品成本；而且，采用本发明提供的控制方法控制各子模块的投切状态，在维持子模块中的电容电压稳定的同时，能够最大程度上均衡每个电容上的电压，使得各实际电容电压保持要求的比例关系，进而使得输出电压满足理论输出电压需求，提高控制准确性。
结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是基于本发明阶调式模块化多电平变换器一个实施例的拓扑结构图；
图2是基于本发明阶调式模块化多电平变换器的控制方法一个实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合附图和实施例，对本发明作进一步详细说明。
请参见图1，该图所示为基于本发明阶调式模块化多电平变换器一个实施例的拓扑结构图。其中，阶调式模块化多电平变换器，是指串联连接的n个子模块的理论电容电压满足1:2:……：2n的关系的一种模块化多电平变换器，n为大于1的自然数。
如图1所示意，该实施例的模块化多电平变换器包括有上桥臂和下桥臂，上、下桥臂结构对称，仅以上桥臂为例，描述一个桥臂的结构。具体来说，上桥臂包括有n个串联连接的子模块，自上而下分别为第一个子模块SM1、第二个子模块SM2、第三个子模块SM3、……、第n个子模块SMn。在该实施例中，n为大于3的自然数。在其他一些实施例中，n也可以是其他自然数，但是要为大于1的自然数。每个子模块由四个IGBT和1个电容组成，形成全桥子模块。在其他一些实施例中，子模块也可以是半桥子模块。定义每个子模块的输出电压的绝对值为理论电容电压，n个子模块的理论电容电压分别为V1、V2、V3、……Vn，n个理论电容电压满足下述的关系：V1：V2：……：Vn=1:2:……：2n。具体到本实施例中，通过控制每个子模块中的电容的容值实现理论电容电压的比例关系。具体的，n个子模块的电容具有不同的容值，n个子模块的电容分别为C1、C2、C3、……、Cn，每个电容的容值满足C1：C2：……：Cn=2n：2（n-1）：……：2:1，进而，利用容值的比例关系满足子模块的理论电容电压所要求的比例关系。
该实施例中的模块化多电平变换器，通过控制同一个桥臂中的各子模块的理论电容电压满足1:2:……：2n的阶调比例关系，使得一个桥臂中的子模块的输出组合形成的总输出电压的电平数显著增加。举例来说，如果n=3，单个桥臂包括有三个子模块SM1、SM2、SM3，三个子模块的理论电容电压分别为V1、V2、V3，且满足：V1：V2：V3=1:2:4。假设子模块SM1的理论电容电压为e，则子模块SM2和SM3的理论电容电压分别为2e和4e。根据MMC理论可知，由三个子模块组合而构成的单个桥臂的理论总输出电压可以形成15个电平，分别为-7e、-6e、……、-1e、0、1e、……、6e、7e。传统的MMC，每个子模块的理论电容电压相等，均为e，三个子模块组合构成的单个桥臂的理论总输出电压最多形成7个电平。所以，采用该实施例的模块化多电平变换器，能够在不增加子模块数量的基础上增加一个桥臂的理论总输出电压所包含的电平数，使得输出波形更加平滑，提高了子模块利用率，避免了单纯依靠增加子模块数量来增加输出电平数所带来的结构和控制均极为复杂的问题，降低了产品成本。
而且，在MMC正常工作过程中，需要维持各子模块的电容电压稳定在规定的比例，以保证模块化多电平变换器的总输出电压尽量维持在理论输出电压。另一方面，在MMC正常工作时，桥臂电流不断变化，不断变化的桥臂电流对子模块中的电容持续充放电，造成电容电压的周期性波动。因此，需要采用一种控制方法控制各子模块的投切状态，以最大限度上均衡每个子模块电容上的电压。具体控制方法参见后续实施例的描述。
请参见图2，该图示出了基于本发明阶调式模块化多电平变换器的控制方法一个实施例的流程图。该控制方法所针对的阶调式模块化多电平变换器，具有与图1实施例的阶调式模块化多电平变换器类似的拓扑结构，具体而言，包括有上桥臂和下桥臂，上桥臂和所述下桥臂均包括有n个串联连接的子模块，n个子模块的理论电容电压V1、V2、V3、……Vn满足下述的关系：V1、V2、V3、……Vn=1:2:……：2n，n为大于1的自然数；V1、V2、V3、……Vn分别为同一个桥臂中第一个子模块的理论电容电压、第二个子模块的理论电容电压、……、第n个子模块的理论电容电压，子模块的理论电容电压为子模块的输出电压的绝对值。其他更具体的结构可参见图1实施例的相应描述。
对于这种结构的阶调式模块化多电平变换器，采用下述过程控制各子模块的投切状态：
步骤11：确定每个桥臂中串联连接的子模块的个数n。
对于结构确定的模块化多电平变换器，每个桥臂中串联连接的子模块的个数n也是确定的。
步骤12：根据子模块的个数n确定符合阶调控制策略的理论总输出电压V的公式。
此处所说的符合阶调控制策略，是指控制同一个桥臂内各子模块的电容电压符合1:2:……：2n的比例关系。在该步骤中，理论总输出电压V的公式如下：V= a1 *V1+ a2 *V2+……+ an*Vn；V是一个桥臂的理论总输出电压，a1、a2、……an分别为该桥臂中第一个子模块的电容电压的系数、第二个子模块的电容电压的系数、……、第n个子模块的电容电压的系数，每个子模块只能输出正电压、负电压和零电压，所以，a1、a2、……an的取值为1、-1、0中的一个。
步骤13：根据公式穷举出理论总输出电压V取不同值时各系数存在的所有的取值情况。
子模块的个数n确定后，一个桥臂的理论总输出电压V的取值也能够确定，V的所有取值数量也就是一个桥臂所能够产生的电平数量。V取不同值时，各系数取值可能会不同，V取同一个值时，各系数的取值可能唯一，也可能不唯一，也即对于V的同一个取值可能会存在着多种系数组合。因此，在该步骤中，根据步骤12确定的公式，穷举出理论总输出电压V取不同值时各系数存在的所有的取值情况。
步骤14：确定各系数的实际取值。
查看步骤13所穷举出的各系数的所有的取值情况，对于理论总输出电压V的指定值，若各系数a1、a2、……an的取值情况唯一，将该唯一的取值直接确定为各系数的实际取值。而若各系数a1、a2、……an的取值情况不唯一，需要根据设定标准确定各系数的实际取值。其中，设定标准至少包括：使得实际电容电压小的子模块处于充电状态或切除状态，或使得实际电容电压大的子模块处于放电状态或切除状态。
在各系数取值不唯一时，采用设定标准确定各系数的实际取值，可以有效避免部分电容因不能及时进行电能补充导致电压持续下降而难以维持要求的比例关系、进而导致总输出电压不稳定的问题的发生。
步骤15：根据各系数的实际取值确定用于控制每个子模块的投切状态的控制信号，根据控制信号控制子模块的投切状态。
具体来说，是根据确定的各系数的实际取值以及预设的系数取值与子模块的投切状态控制信号的对应关系确定出子模块的实际投切状态对应的控制信号，然后控制子模块的实际投切状态。其中，子模块的投切状态包括有三种，正投入、负投入和切除，预设的系数取值与子模块的投切状态控制信号的对应关系，可以是：系数为1，对应的子模块控制信号为控制子模块正投入；系数为-1，对应的子模块控制信号为控制子模块负投入；系数为0，对应的子模块控制信号为控制子模块切除。
在确定各系数的实际取值时，除了依据前述的设定标准，针对具有不同个数的子模块的模块化多电平变换器，还可以采用其他更优选的确定方法。
在一个优选实施例中，模块化多电平变换器的上桥臂和下桥臂均包括有三个串联连接的子模块，即n=3。以其中的上桥臂为例，结合图1示出的拓扑图，三个子模块分别为SM1、SM2、SM3，对应的三个子模块的理论电容电压分别为V1、V2、V3，且满足：V1：V2：V3=1:2:4。如果V1=e，则V2=2e，V3=4e。符合阶调控制策略的理论总输出电压V的公式为V= a1 *V1+a2 *V2+a3*V3。如前所描述，具有三个子模块的桥臂，理论总输出电压可以形成15个电平，分别为-7e、-6e、……、-1e、0、1e、……、6e、7e。其中，除0之外，另外的14个电平，包括桥臂电流为正向时的7个电平以及桥臂电流为反向时的7个电平。为便于说明，将15个电平的绝对值作为V的指定值，共有8个值，分别为0、1e、……、6e、7e。穷举出V取不同的指定值时各系数a1、a2、a3存在的所有的取值情况。然后，采用下述标准及过程确定各系数的实际取值：
首先，作如下定义：
对于一个桥臂，当桥臂电流为正向时，定义：系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容充电；系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容放电。
当桥臂电流为反向时，定义：系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容放电；系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容充电。
然后，获取桥臂中三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小。
由于三个子模块的理论电容电压满足1:2:4的比例关系，因此，难以直接比较大小关系。所以，在获取的实际电容电压值之后，先执行归一化处理，归算到同一数量级。譬如，将第三个子模块SM3的电容电压作为基准，将第一个子模块SM1的电容电压扩大4倍，将第二个子模块SM1的电容电压扩大2倍，归一化后，理论上三个电容电压值相等。当然，也可将SM1或SM2的电容电压作为基准，进行归一化处理。
当桥臂电流为正向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置1，判断理论总输出电压V的公式是否成立。举例来说，V的指定值为3e，理论总输出电压V的公式变为3e= a1 *e+ a2 *2e+a3*4e。若实际电容电压值最小的子模块为SM3，则先将SM3的系数a3置1，公式变为：3e= a1 *e+a2 *2e+4e。在a1 =-1，a2=0的情况下，公式能够成立；在a1 =1，a2=-1的情况下，公式也能够成立。因而，判定此情况下公式是能成立的。再譬如，如果V的指定值为2e，理论总输出电压V的公式变为2e= a1 *e+ a2 *2e+a3*4e。若实际电容电压值最小的子模块为SM1，先将SM1的系数a1置1，公式变为：2e= e+ a2 *2e+a3*4e。此情况下，无论a2和a3在-1、0、1中如何取值，均无法使得公式成立，判定此时公式是必不成立的。
如果理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，此时，各系数取值情况将唯一确定，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
如果将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置1后，理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一。若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
当桥臂电流为反向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置1，判断理论总输出电压V的公式是否成立。判断方法参见上面的描述。
如果理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，此时，各系数取值情况将唯一确定，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
如果将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置1后，理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一。若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
采用上述方法确定具有三个子模块的一个桥臂中子模块的电容电压的系数，优先考虑将实际电容电压小的子模块处于充电状态或切除状态，或者将实际电容电压大的子模块处于放电状态或切除状态，在不满足这个优先原则时，再考虑其他原则来确定各系数的取值，最大程度上均衡各子模块内电容电压的均衡，使得各实际电容电压保持要求的比例关系，进而使得输出电压满足理论输出电压需求，提高控制准确性。
在另外一个优选实施例中，模块化多电平变换器的上桥臂和下桥臂均包括有四个串联连接的子模块，即n=4。以其中的上桥臂为例，结合图1示出的拓扑图，四个子模块分别为SM1、SM2、SM3、SM4，对应的四个子模块的理论电容电压分别为V1、V2、V3、V4，且满足：V1：V2：V3：V4=1:2:4:8。如果V1=e，则V2=2e，V3=4e，V4=8e。符合阶调控制策略的理论总输出电压V的公式为V= a1 *V1+ a2 *V2+a3*V3+ a4*V4。具有四个子模块的一个桥臂，理论总输出电压可以形成31个电平，分别为-15e、-14e、……、-1e、0、1e、……、14e、15e。其中，除0之外，另外的30个电平，包括桥臂电流为正向时的15个电平以及桥臂电流为反向时的15个电平。为便于说明，将31个电平的绝对值作为V的指定值，共有16个值，分别为0、1e、……、14e、15e。穷举出V取不同的指定值时各系数a1、a2、a3、a4存在的所有的取值情况。然后，采用下述标准及过程确定各系数的实际取值：
首先，也要作如下定义：
对于一个桥臂，当桥臂电流为正向时，定义：系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容充电；系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容放电。
当桥臂电流为反向时，定义：系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容放电；系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容充电。
然后，判断理论总输出电压V的指定值是否不小于串联连接的四个子模块中理论电容电压最大的子模块的电压值；若是，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1。在四个子模块中，理论电容电压最大的子模块SM4的电压值为8e，因此，如果确定理论总输出电压V的指定值不小于8e，则直接将SM4的电容电压的系数a4置1，确定下该系数的值。那么，仅需要确定剩余三个子模块SM1、SM2、SM3的系数a1、a2、a3即可。具体来说，执行下述的第一过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数，第一过程包括：
获取桥臂中其余三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小。归一化的原理及方法参见前面的描述。
当桥臂电流为正向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置1，判断理论总输出电压V的公式是否成立。公式是否成立的判断方法参见前面的描述。
如果理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，此时各系数取值情况将唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
而如果理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一。若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
当桥臂电流为反向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置1，判断理论总输出电压V的公式是否成立。
如果理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，此时各系数取值情况将唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
如果理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一。若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
而若确定理论总输出电压V的指定值小于串联连接的四个子模块中理论电容电压最大的子模块的电压值，也即小于8e，则执行如下的处理：
首先，获取四个子模块的实际电容电压值，将四个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小。归一化方法参考前面实施例的描述。
当桥臂电流为正向时，判断理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是否为最小的实际电容电压值。若是，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1，否则，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置0。从而确定了理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数，那么，将仅剩余三个子模块的系数需要确定。
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是最小的实际电容电压值，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1后，再判断各系数取值情况是否唯一，若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，执行下述第二过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数；第二过程包括：
获取桥臂中其余三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小。
按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置-1，判断理论总输出电压V的公式是否成立。
如果理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置-1，此时各系数取值情况将唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
如果理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一。若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置-1，若该系数不能置-1，则置0，此时各系数取值情况也将唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
而若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值不是最小的实际电容电压值，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置0后，再执行第一过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数。第一过程更具体的实现，参见上面实施例的描述。
当桥臂电流为反向时，判断理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是否为最大的实际电容电压值；若是，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1，否则，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置0。从而确定了理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数，那么，将仅剩余三个子模块的系数需要确定。
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是最大的实际电容电压值，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1，然后判断各系数取值情况是否唯一，若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值，如果各系数取值情况不唯一，执行下述第三过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数；第三过程包括：
获取桥臂中其余三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小；
按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置-1，判断理论总输出电压V的公式是否成立。
如果理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置-1，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
如果理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一。若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置-1，若该系数不能置-1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值不是最小的实际电容电压值，则将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置0；然后，执行第一过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数。第一过程更具体的实现，参见上面实施例的描述。
采用上述方法确定具有四个子模块的一个桥臂中子模块的电容电压的系数，也优先考虑将实际电容电压小的子模块处于充电状态或切除状态，或者将实际电容电压大的子模块处于放电状态或切除状态，在不满足这个优先原则时，再考虑其他原则来确定各系数的取值，最大程度上均衡各子模块内电容电压的均衡，使得各实际电容电压保持要求的比例关系，进而使得输出电压满足理论输出电压需求，提高控制准确性。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种阶调式模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，所述模块化多电平变换器包括有上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有n个串联连接的子模块，n个所述子模块的理论电容电压V1、V2、……Vn满足下述的关系：V1：V2：……：Vn=1:2:……：2n，n为大于1的自然数；V1、V2、……Vn分别为同一个桥臂中第一个子模块的理论电容电压、第二个子模块的理论电容电压、……、第n个子模块的理论电容电压，所述子模块的理论电容电压为所述子模块的输出电压的绝对值；
所述控制方法包括采用下述过程控制各所述子模块的投切状态：
确定每个桥臂中串联连接的所述子模块的个数n；
根据确定出的所述子模块的个数n确定符合阶调控制策略的理论总输出电压V的公式，V= a1 *V1+ a2 *V2+……+ an*Vn；V是一个桥臂的理论总输出电压，a1、a2、……an分别为该桥臂中第一个子模块的电容电压的系数、第二个子模块的电容电压的系数、……、第n个子模块的电容电压的系数，a1、a2、……an的取值为1、-1、0中的一个；
根据所述理论总输出电压V的公式，穷举出理论总输出电压V取不同值时各系数a1、a2、……an存在的所有的取值情况；
确定各系数的实际取值：对于所述理论总输出电压V的指定值，若各系数a1、a2、……an的取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值，若各系数a1、a2、……an的取值情况不唯一，根据设定标准确定各系数的实际取值；所述设定标准至少包括：使得实际电容电压小的子模块处于充电状态或切除状态，或使得实际电容电压大的子模块处于放电状态或切除状态；
根据各系数的实际取值确定用于控制每个子模块的投切状态的控制信号，根据所述控制信号控制子模块的投切状态。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有三个串联连接的所述子模块，所述确定各系数的实际取值，具体包括：
对于一个桥臂，当桥臂电流为正向时定义：所述系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容充电；所述系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；所述系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容放电；
当桥臂电流为反向时定义：所述系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容放电；所述系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；所述系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容充电；
获取桥臂中三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小；
当桥臂电流为正向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置1，判断所述理论总输出电压V的公式是否成立；
如果所述理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
如果所述理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一；若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
当桥臂电流为反向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置1，判断所述理论总输出电压V的公式是否成立；
如果所述理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
如果所述理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一；若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有四个串联连接的所述子模块，所述确定各系数的实际取值，具体包括：
对于一个桥臂，当桥臂电流为正向时定义：所述系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容充电；所述系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；所述系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容放电；
当桥臂电流为反向时定义：所述系数为1，表示对应的子模块正投入，子模块中的电容放电；所述系数为0，表示对应的子模块切除，子模块中的电容停止充电或放电；所述系数为-1，表示对应的子模块负投入，子模块中的电容充电；
判断所述理论总输出电压V的指定值是否不小于串联连接的四个子模块中理论电容电压最大的子模块的电压值；若是，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1；
然后，执行下述第一过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数；
所述第一过程包括：
获取桥臂中其余三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小；
当桥臂电流为正向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置1，判断所述理论总输出电压V的公式是否成立；
如果所述理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
如果所述理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一；若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
当桥臂电流为反向时，按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置1，判断所述理论总输出电压V的公式是否成立；
如果所述理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
如果所述理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一；若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置1，若该系数不能置1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值。
4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，若所述理论总输出电压V的指定值小于串联连接的四个子模块中理论电容电压最大的子模块的电压值，获取四个子模块的实际电容电压值，将四个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小；
当桥臂电流为正向时，判断理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是否为最小的实际电容电压值；
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是最小的实际电容电压值，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1，然后判断各系数取值情况是否唯一，若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值，如果各系数取值情况不唯一，执行下述第二过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数；
所述第二过程包括：
获取桥臂中其余三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小；
按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最大的子模块的电容电压的系数置-1，判断所述理论总输出电压V的公式是否成立；
如果所述理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置-1，各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
如果所述理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一；若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次大的子模块的电容电压的系数置-1，若该系数不能置-1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值不是最小的实际电容电压值，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置0；然后，执行所述第一过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数；
当桥臂电流为反向时，判断理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是否为最大的实际电容电压值；
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值是最大的实际电容电压值，将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置1，然后判断各系数取值情况是否唯一，若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值，如果各系数取值情况不唯一，执行下述第三过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数；
所述第三过程包括：
获取桥臂中其余三个子模块的实际电容电压值，将三个实际电容电压值归一化至同一数量级，比较大小；
按照下述的设定标准确定各系数的实际取值：
将实际电容电压值最小的子模块的电容电压的系数置-1，判断所述理论总输出电压V的公式是否成立；
如果所述理论总输出电压V的公式必不成立，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置-1，各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
如果所述理论总输出电压V的公式成立，判断各系数取值情况是否唯一；若唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；如果各系数取值情况不唯一，则将实际电容电压值次小的子模块的电容电压的系数置-1，若该系数不能置-1，则置0，此时各系数取值情况唯一，将该唯一的取值确定为各系数的实际取值；
若理论电容电压最大的子模块的实际电容电压值不是最小的实际电容电压值，则将理论电容电压最大的子模块的电容电压的系数置0；然后，执行所述第一过程，确定其余三个子模块的电容电压的系数。
5.一种阶调式模块化多电平变换器，其特征在于，包括有上桥臂、下桥臂和子模块控制单元，所述上桥臂和所述下桥臂均包括有n个串联连接的子模块，n个所述子模块的理论电容电压V1、V2、……Vn满足下述的关系：V1：V2：……：Vn=1:2:……：2n，n为大于1的自然数；V1、V2、……Vn分别为同一个桥臂中第一个子模块的理论电容电压、第二个子模块的理论电容电压、……、第n个子模块的理论电容电压，所述子模块的理论电容电压为所述子模块的输出电压的绝对值。
6.根据权利要求5所述的阶调式模块化多电平变换器，其特征在于，所述子模块控制单元采用上述权利要求1至4中任一项所述的控制方法控制各所述子模块的投切状态。
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