CN109713923A - 一种优化的mmc子模块电容电压动态均衡控制方法 - Google Patents

Abstract

一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法，包括以下步骤：首先确定出子模块电容电压最大允许波动的范围，对当前该MMC桥臂上的子模块电容电压进行均衡控制，若该桥臂上某个子模块电容电压超过了规定的最大允许波动范围，则采用基于改进排序的子模块电容电压直接均衡方法；若该桥臂上所有子模块电容电压都处于规定范围之内，则采用无需排序的子模块电容电压均衡控制方法；本发明能够大大减少因排序问题而导致控制系统计算量过大的问题。

Description

一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法。

背景技术

近些年来，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC，中文名称为模块化多电平变换器)因其诸多优点在高压直流输电、高压大功率电机驱动等领域获得了大力发展，但在MMC研究与应用过程中一直存在MMC子模块电容电压动态均衡问题需要解决，使得国内外很多学者投入大量的精力来研究子模块电容电压动态均衡控制技术，可见对该技术的研究具有十分广阔的应用前景。

关于MMC子模块电容电压均衡控制方法，传统的方法主要有三类：

第一类是通过增加外部的电压均衡电路来实现子模块电容电压的均衡。该类方法的优点是控制电容电压均衡的程序算法简单，缺点是需要增加额外的硬件电路，加大了系统的设计成本和复杂度，降低了系统的可靠性。

第二类是基于MMC子模块电容电压排序的直接电压均衡方法，其核心原理是在某一时刻采集每个桥臂内所有MMC子模块的电容电压，然后对所有MMC子模块电容电压的大小按照相应的排序方法(例如冒泡排序法、希尔排序法、归并排序法等)进行排序，并结合相应的调制方法以及桥臂的电流方向，确定投入或切除MMC子模块的数量和对应的子模块。此类电容电压均衡控制策略的优点是原理简单且实现容易；缺点是仅仅通过排序会使得控制系统的计算量大、开关器件的动作频率快以及开关器件的损耗大，尤其是当每个桥臂上的MMC子模块较多时，上述劣势更为显著。

第三类是为MMC子模块增加独立的均压控制和稳压控制两个附加电压闭环控制器。均压控制是控制整个相单元MMC子模块电容的平均电压，稳压控制是控制每个桥臂内部的各个MMC子模块电容电压均衡。此类电容电压均衡控制策略的优点是各个开关器件的动作频率是确定的，不引起额外的开关损耗；缺点是稳压控制器包含有多个子控制器(一般为比例控制器)，对其参数整定较为困难，尤其是当子模块数量越多时，控制器参数整定就越困难。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法，以解决背景技术中提到的目前第二类基于MMC子模块电容电压排序的直接电压均衡方法中控制系统的计算量大的问题，在一定程度上能够减少开关管的动作次数，进而减少开关损耗。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1，根据控制系统选用的调制策略计算出某一时刻MMC各桥臂需要投入的MMC子模块数N_{_on}，每个桥臂有N个MMC子模块，则该桥臂需要切除的子模块数为N_{_off}＝N-N_{_on}；若N_{_on}＝N，则投入该桥臂上的所有MMC子模块；若N_{_on}＝0，则切除该桥臂上的所有MMC子模块；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；若0＜N_{_on}＜N，则需进入下述步骤进行判断分析；

步骤2，采集当前时刻该桥臂内各MMC子模块的电容电压值U_ck(k＝1,2,3,...,N)，以及桥臂电流值i_arm；

步骤3，求出当前时刻该桥臂内所有MMC子模块电容电压的平均值式中：k表示第k个MMC子模块的编号，U_ck表示第k个MMC子模块电容电压，N表示每个桥臂上MMC子模块的数量；

步骤4，若MMC直流侧电压为U_dc，则MMC子模块电容电压的参考值为式中：U_dc表示MMC直流侧电压；MMC子模块电容电压的波动系数为ε，ε一般为5％，设定MMC子模块电容电压的最大偏差为ΔU_{c_max}(ΔU_{c_max}＜εU_{c_ref})，如果每个子模块电容电压U_ck(k＝1,2,3,...,N)都满足条件(U_{c_ref}-ΔU_{c_max})＜U_ck＜(U_{c_ref}+ΔU_{c_max})时，则执行下述步骤5～8，进行无需排序的子模块电容电压均衡控制方法；反之，则执行下述步骤9～11，进行基于改进排序的MMC子模块电容电压直接均衡方法；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；

步骤5，将该桥臂内的各个MMC子模块的电容电压U_ck分别与该桥臂内所有MMC子模块的电容电压平均值U_{c_avg}相比较，若第k个子模块电容电压U_ck≥U_{c_avg}，说明该子模块电容电压过高需要放电，去执行步骤6；反之，说明该子模块电容电压过低需要充电，去执行步骤7；

步骤6，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入或切除的MMC子模块数来决定该MMC子模块的工作状态；若i_arm≤0且已确定投入的子模块数小于等于N_{_on}，则准备投入该MMC子模块，使该子模块电容放电；若i_arm≤0且已确定投入的子模块数大于N_{_on}，则准备切除该MMC子模块，保持该子模块电容电压；若i_arm＞0且已确定切除的子模块数小于等于N_{_off}，则准备切除该子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＞0且已确定切除的MMC子模块数大于N_{_off}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电，之后，去执行步骤8；

步骤7，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入或切除的MMC子模块数来决定该MMC子模块的工作状态；若i_arm≥0且已投入的MMC子模块数小于等于N_{_on}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电；若i_arm≥0且已投入的MMC子模块数大于N_{_on}，则准备切除该MMC子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＜0且已确定切除的MMC子模块数小于等于N_{_off}，则准备切除该MMC子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＜0且已确定切除的MMC子模块数大于N_{_off}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电；之后，去执行步骤8；

步骤8，判断该桥臂内每个MMC子模块当前时刻的工作状态，若每个MMC子模块的工作状态都已确定，则统一投入N_{_on}个MMC子模块和切除N_{_off}个MMC子模块，此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；反之，去执行步骤5；

步骤9，比较该桥臂内的各个MMC子模块的电容电压U_ck与该桥臂内所有MMC子模块的电容电压平均值U_{c_avg}的相对大小，将该桥臂上的MMC子模块分成两组，电容电压相对较高的n₁个MMC子模块组成高电压组，电容电压相对较低的n₂个MMC子模块组成低电压组，其中n₁+n₂＝N，之后去执行步骤10；

步骤10，分别对高电压组中的n₁个MMC子模块和低电压组中的n₂个MMC子模块按照其电容电压由高到低的顺序进行排序，最终得到该桥臂上所有MMC子模块电容电压由高到低排列的顺序；

步骤11，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入的MMC子模块数N_{_on}来决定该MMC子模块的工作状态；若该桥臂电流i_arm≥0，则投入该桥臂内电容电压最低的N_{_on}个MMC子模块，即投入步骤10的MMC子模块排序顺序中后N_{_on}个MMC子模块，以便对这些子模块电容充电；若该桥臂电流i_arm＜0，则投入该桥臂内电容电压最高的N_{_on}个子模块，即投入步骤10的MMC子模块排序顺序中前N_{_on}个MMC子模块，以便对这些MMC子模块电容放电；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析。

步骤1～11对所有MMC子模块电容电压进行均衡控制时，以一个MMC桥臂作为一个电容电压均衡控制单元，对每个桥臂上的MMC子模块电容电压动态均衡时，执行上述步骤1～11，从而实现MMC所有桥臂上的MMC子模块电容电压的动态均衡。

步骤5～8称为无需排序的MMC子模块电容电压均衡控制方法，这是本发明要保护的新方法。步骤9ˉ11称为基于改进排序的子模块电容电压直接均衡方法，它是为了保证MMC子模块电容电压动态均衡控制算法的完整性而采用的一般方法。

与目前现有传统技术相比，本发明的有益效果是：

1)根据设定的子模块电容电压最大允许波动的范围，对当前该桥臂上的MMC子模块电容电压进行均压控制，若该桥臂上某个子模块电容电压超过了这一范围，则采用基于改进排序的子模块电容电压直接均衡方法，由于同一桥臂内子模块电容电压之间相差不大，波动一致性较好，因此同一桥臂内的子模块电容电压平均值最为接近该桥臂内所有子模块电容电压数值的中位数，进而对该桥臂的子模块电容电压按照步骤9～11的方法排序时，能够减少因传统排序方法而导致控制器计算量过大的问题；若该桥臂上所有子模块电容电压都处于这一范围之内，则采用无需排序的子模块电容电压均衡控制方法，当MMC正常工作处于稳定运行时，子模块电容电压波动多数情况处于这一范围之内，对该桥臂的子模块电容电压按照步骤5～8的方法进行均衡控制，其控制器的运算量更小。因此，本发明能够大大减少基于传统MMC子模块电容电压排序的直接电压均衡方法而导致控制系统计算量过大的问题，尤其是当MMC的桥臂上子模块数量较多时，此效果更为显著。

2)在上述步骤5～8中，桥臂内每个子模块的电容电压U_ck与桥臂内所有子模块电容电压的平均值U_{c_avg}相比较时，是按照每个子模块的固定顺序的编号(子模块的编号为k＝1,2,3,...,N)从小到大依次与电压平均值相比较，如果上一时刻某个编号较小的子模块处于投入状态，此时刻，该子模块处于投入状态的可能性会更大，如果确认此时刻使该子模块处于投入状态，则此时该子模块的开关管状态保持不变，在一定程度上，能够减少子模块中开关器件的动作次数，进而减小开关器件的损耗，例如上一时刻满足条件U_c1≥U_{c_avg}且i_arm≤0，则该桥臂上编号为1的子模块处于投入状态，若此时刻仍满足条件U_c1≥U_{c_avg}且i_arm≤0，则该桥臂上编号为1的子模块一定会再处于投入状态。

附图说明

图1是三相模块化多电平变换器主电路拓扑图。

图2是模块化多电平变换器一个桥臂上需要采集的变量值示意图。

图3是本发明提供的一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法的总流程图。

图4是无需排序的子模块电容电压均衡控制方法子流程图。

图5是基于改进排序的子模块电容电压直接均衡方法子流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。下述说明仅是为了示例性说明，而不是用来限制本发明的范围及其应用。

图1是三相模块化多电平变换器主电路拓扑图。它是经典的电路结构，其中，三相变换器的每一相由上下两个桥臂组成，每个桥臂有N个MMC子模块SM_k(k＝1,2,3,...,N)、一个桥臂电感L_arm；每个MMC子模块SM_k是由两个开关管VT1和VT2串联，同时各自反并联一个电力二极管VD1和VD2，之后再并联一个电容C组成的半桥结构。在三相变换电路中，MMC子模块SM_k有两种正常的工作状态，分别为：投入状态、切除状态。其中，在投入状态时，开关管VT1开通、开关管VT2关断。在切除状态时，开关管VT1关断、开关管VT2开通。

图2是模块化多电平变换器一个桥臂上需要采集的变量值示意图，图3是本发明提供的一种优化的MMC子模块电容电压均衡控制方法的总流程图，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，根据控制系统选用的调制策略计算出某一时刻MMC各桥臂需要投入的MMC子模块数N_{_on}，每个桥臂有N个MMC子模块，则该桥臂需要切除的子模块数为N_{_off}＝N-N_{_on}；若N_{_on}＝N，则投入该桥臂上的所有MMC子模块；若N_{_on}＝0，则切除该桥臂上的所有MMC子模块；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；若0＜N_{_on}＜N，则需进入下述步骤进行判断分析；

步骤2，通过电压传感器采集当前时刻该桥臂内各MMC子模块的电容电压值U_ck(k＝1,2,3,...,N)，以及通过电流传感器采集桥臂电流值i_arm；

步骤3，求出当前时刻该桥臂内所有MMC子模块电容电压的平均值式中：k表示第k个MMC子模块的编号，U_ck表示第k个MMC子模块电容电压，N表示每个桥臂上MMC子模块的数量；

步骤4，若MMC直流侧电压为U_dc，则MMC子模块电容电压的参考值为式中：U_dc表示MMC直流侧电压；MMC子模块电容电压的波动系数为ε，ε一般为5％，设定MMC子模块电容电压的最大偏差为ΔU_{c_max}(ΔU_{c_max}＜εU_{c_ref})，如果每个子模块电容电压U_ck(k＝1,2,3,...,N)都满足条件(U_{c_ref}-ΔU_{c_max})＜U_ck＜(U_{c_ref}+ΔU_{c_max})时，则执行下述步骤5～8，进行无需排序的子模块电容电压均衡控制方法；反之，则执行下述步骤9～11，进行基于改进排序的MMC子模块电容电压直接均衡方法；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；

参见图4，步骤5，将该桥臂内的各个MMC子模块的电容电压U_ck分别与该桥臂内所有MMC子模块的电容电压平均值U_{c_avg}相比较，若第k个子模块电容电压U_ck≥U_{c_avg}，说明该子模块电容电压过高需要放电，去执行步骤6；反之，说明该子模块电容电压过低需要充电，去执行步骤7；

步骤6，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入或切除的MMC子模块数来决定该MMC子模块的工作状态；若i_arm≤0且已确定投入的子模块数小于等于N_{_on}，则准备投入该MMC子模块，使该子模块电容放电；若i_arm≤0且已确定投入的子模块数大于N_{_on}，则准备切除该MMC子模块，保持该子模块电容电压；若i_arm＞0且已确定切除的子模块数小于等于N_{_off}，则准备切除该子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＞0且已确定切除的MMC子模块数大于N_{_off}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电，之后，去执行步骤8；

步骤7，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入或切除的MMC子模块数来决定该MMC子模块的工作状态；若i_arm≥0且已投入的MMC子模块数小于等于N_{_on}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电；若i_arm≥0且已投入的MMC子模块数大于N_{_on}，则准备切除该MMC子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＜0且已确定切除的MMC子模块数小于等于N_{_off}，则准备切除该MMC子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＜0且已确定切除的MMC子模块数大于N_{_off}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电；之后，去执行步骤8；

步骤8，判断该桥臂内每个MMC子模块当前时刻的工作状态，若每个MMC子模块的工作状态都已确定，则统一投入N_{_on}个MMC子模块和切除N_{_off}个MMC子模块，此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；反之，去执行步骤5；

将上述步骤5～8称为无需排序的子模块电容电压均衡控制方法，图4是无需排序的子模块电容电压均衡控制方法子流程图。

步骤9，比较该桥臂内的各个MMC子模块的电容电压U_ck与该桥臂内所有MMC子模块的电容电压平均值U_{c_avg}的相对大小，将该桥臂上的MMC子模块分成两组，电容电压相对较高的n₁个MMC子模块组成高电压组，电容电压相对较低的n₂个MMC子模块组成低电压组，其中n₁+n₂＝N，之后去执行步骤10；

步骤10，分别对高电压组中的n₁个MMC子模块和低电压组中的n₂个MMC子模块按照其电容电压由高到低的顺序进行排序，最终得到该桥臂上所有MMC子模块电容电压由高到低排列的顺序；

步骤11，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入的MMC子模块数N_{_on}来决定该MMC子模块的工作状态；若该桥臂电流i_arm≥0，则投入该桥臂内电容电压最低的N_{_on}个MMC子模块，即投入步骤10的MMC子模块排序顺序中后N_{_on}个MMC子模块，以便对这些子模块电容充电；若该桥臂电流i_arm＜0，则投入该桥臂内电容电压最高的N_{_on}个子模块，即投入步骤10的MMC子模块排序顺序中前N_{_on}个MMC子模块，以便对这些MMC子模块电容放电；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析。

将上述步骤9～11称为基于改进排序的子模块电容电压直接均衡方法，图5是基于改进排序的子模块电容电压直接均衡方法子流程图。

对MMC所有子模块电容电压进行均压控制时，以一个MMC桥臂作为一个电容电压均压控制单元。对每个桥臂上的子模块电容电压动态均衡时，执行上述步骤1～11，从而实现MMC所有桥臂上的子模块电容电压的动态均衡。

Claims (2)

1.一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据控制系统选用的调制策略计算出某一时刻MMC各桥臂需要投入的MMC子模块数N_{_on}，每个桥臂有N个MMC子模块，则该桥臂需要切除的子模块数为N_{_off}＝N-N_{_on}；若N_{_on}＝N，则投入该桥臂上的所有MMC子模块；若N_{_on}＝0，则切除该桥臂上的所有MMC子模块；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；若0＜N_{_on}＜N，则需进入下述步骤进行判断分析；

步骤2，采集当前时刻该桥臂内各MMC子模块的电容电压值U_ck(k＝1,2,3,...,N)，以及桥臂电流值i_arm；

步骤3，求出当前时刻该桥臂内所有MMC子模块电容电压的平均值式中：k表示第k个MMC子模块的编号，U_ck表示第k个MMC子模块电容电压，N表示每个桥臂上MMC子模块的数量；

步骤4，若MMC直流侧电压为U_dc，则MMC子模块电容电压的参考值为式中：U_dc表示MMC直流侧电压；MMC子模块电容电压的波动系数为ε，ε一般为5％，设定MMC子模块电容电压的最大偏差为ΔU_{c_max}(ΔU_{c_max}＜εU_{c_ref})，如果每个子模块电容电压U_ck(k＝1,2,3,...,N)都满足条件(U_{c_ref}-ΔU_{c_max})＜U_ck＜(U_{c_ref}+ΔU_{c_max})时，则执行下述步骤5～8，进行无需排序的子模块电容电压均衡控制方法；反之，则执行下述步骤9～11，进行基于改进排序的MMC子模块电容电压直接均衡方法；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；

步骤5，将该桥臂内的各个MMC子模块的电容电压U_ck分别与该桥臂内所有MMC子模块的电容电压平均值U_{c_avg}相比较，若第k个子模块电容电压U_ck≥U_{c_avg}，说明该子模块电容电压过高需要放电，去执行步骤6；反之，说明该子模块电容电压过低需要充电，去执行步骤7；

步骤6，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入或切除的MMC子模块数来决定该MMC子模块的工作状态；若i_arm≤0且已确定投入的子模块数小于等于N_{_on}，则准备投入该MMC子模块，使该子模块电容放电；若i_arm≤0且已确定投入的子模块数大于N_{_on}，则准备切除该MMC子模块，保持该子模块电容电压；若i_arm＞0且已确定切除的子模块数小于等于N_{_off}，则准备切除该子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＞0且已确定切除的MMC子模块数大于N_{_off}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电，之后，去执行步骤8；

步骤7，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入或切除的MMC子模块数来决定该MMC子模块的工作状态；若i_arm≥0且已投入的MMC子模块数小于等于N_{_on}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电；若i_arm≥0且已投入的MMC子模块数大于N_{_on}，则准备切除该MMC子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＜0且已确定切除的MMC子模块数小于等于N_{_off}，则准备切除该MMC子模块，保持该MMC子模块电容电压；若i_arm＜0且已确定切除的MMC子模块数大于N_{_off}，则准备投入该MMC子模块，使该MMC子模块电容充电；之后，去执行步骤8；

步骤8，判断该桥臂内每个MMC子模块当前时刻的工作状态，若每个MMC子模块的工作状态都已确定，则统一投入N_{_on}个MMC子模块和切除N_{_off}个MMC子模块，此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析；反之，去执行步骤5；

步骤9，比较该桥臂内的各个MMC子模块的电容电压U_ck与该桥臂内所有MMC子模块的电容电压平均值U_{c_avg}的相对大小，将该桥臂上的MMC子模块分成两组，电容电压相对较高的n₁个MMC子模块组成高电压组，电容电压相对较低的n₂个MMC子模块组成低电压组，其中n₁+n₂＝N，之后去执行步骤10；

步骤10，分别对高电压组中的n₁个MMC子模块和低电压组中的n₂个MMC子模块按照其电容电压由高到低的顺序进行排序，最终得到该桥臂上所有MMC子模块电容电压由高到低排列的顺序；

步骤11，判断当前时刻流过该桥臂电流i_arm的正负和该桥臂所需投入的MMC子模块数N_{_on}来决定该MMC子模块的工作状态；若该桥臂电流i_arm≥0，则投入该桥臂内电容电压最低的N_{_on}个MMC子模块，即投入步骤10的MMC子模块排序顺序中后N_{_on}个MMC子模块，以便对这些子模块电容充电；若该桥臂电流i_arm＜0，则投入该桥臂内电容电压最高的N_{_on}个子模块，即投入步骤10的MMC子模块排序顺序中前N_{_on}个MMC子模块，以便对这些MMC子模块电容放电；此时结束本次MMC子模块电容电压动态均衡控制，等待下一次判断分析。

2.根据权利要求1中所述的一种优化的MMC子模块电容电压动态均衡控制方法，其特征在于，步骤1～11对所有MMC子模块电容电压进行均衡控制时，以一个MMC桥臂作为一个电容电压均衡控制单元，对每个桥臂上的MMC子模块电容电压动态均衡时，执行上述步骤1～11，从而实现MMC所有桥臂上的MMC子模块电容电压的动态均衡。