CN109787497B

CN109787497B - 一种混合型mmc的过调制均压方法

Info

Publication number: CN109787497B
Application number: CN201910178799.6A
Authority: CN
Inventors: 公铮; 郑曦; 戴鹏; 杨连胜; 王博; 常文宇
Original assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Current assignee: China University of Mining and Technology CUMT
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2039-03-11
Also published as: CN109787497A

Abstract

本发明公开一种混合型MMC的过调制均压方法，其特征是：根据混合型MMC的桥臂电流、子模块电容电压以及桥臂给定输出电压来确定半桥和全桥子模块的运行状态。本发明的有益效果是：通过对全桥和半桥子模块的充放电时间进行调整，有效减小了混合型MMC在过调制工况下全桥子模块的电容电压波动，在子模块电容容值不变的情况下，提高了输出电压的质量。

Description

一种混合型MMC的过调制均压方法

技术领域

本发明涉及多电平电力电子变换器领域的电容电压控制方法，具体是一种混合型MMC的过调制均压方法。

背景技术

基于电压源型换流器(VSC)的柔性直流输电技术，由于采用了全控型开关器件，具有输出特性好、可独立控制有功功率和无功功率、可以向无源网络供电等优点，在新能源发电并网、交流电网异步互联、远距离负荷供电等领域具有广阔的应用前景。模块化多电平换流器(MMC)因其具有模块化设计、开关损耗低、输出谐波特性好等诸多优点已成为当前柔性直流输电工程中换流阀的首选拓扑结构。但由于经典MMC拓扑仅含有半桥子模块，不具备直流短路故障穿越能力，无法阻断故障电流，因此需要依靠交流断路器或直流断路器实现故障的清除。混合型MMC含有半桥和全桥两种子模块，可利用全桥子模块的负电平输出特性实现直流短路故障的穿越，同时利用此特性还能够实现过调制运行。

子模块电容电压均衡是MMC稳定运行的基础，现有的均压控制策略主要包括电容电压闭环控制、排序均压控制两种。电容电压闭环控制需要引入PI或PR控制器，在子模块数量较多时，控制参数设计复杂，而排序均压控制则无需考虑控制参数的问题，因此应用较为广泛。混合型MMC在过调制工况下，全桥子模块要工作在正电平、零电平和负电平三种状态，而半桥子模块只能工作在正电平和零电平两种状态，因此若采用常规的排序均压算法，全桥子模块的电容电压波动会变大，降低了变换器的输出电压质量。

发明内容

针对上述技术背景中存在的问题，本发明提供一种混合型MMC的过调制均压方法，对全桥和半桥子模块的充放电时间进行了调整，有效减小了全桥子模块的电容电压波动，在子模块电容容值不变的情况下，提高了输出电压的质量。

为了实现上述功能，本发明一种混合型MMC的过调制均压方法，根据混合型MMC的桥臂电流、子模块电容电压以及桥臂给定输出电压来确定半桥和全桥子模块的运行状态，包括如下步骤：

(1)根据控制算法，得到混合型MMC各桥臂的给定输出电压u_{rj_ref}，其中，r＝p、n，p、n分别表示混合型MMC的上、下桥臂，j＝a、b、c，分别表示三相混合型MMC的各相；桥臂投入的子模块的个数N_rj＝|round(u_{rj_ref}/U_c)|，其中，round()是四舍五入函数，U_c是子模块电容电压给定值。

(2)若u_{rj_ref}<0，i_rj<0，i_rj是混合型MMC的桥臂电流。此时，选择N_rj个电容电压高的全桥子模块，输出负电平。

(3)若u_{rj_ref}>0，i_rj>0，且d(u_{rj_ref})/dt≥0。此时，如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}<U_c，选择N_rj个电容电压低的子模块，输出正电平；如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}≥U_c，且N_rj≤F，F是每个桥臂全桥子模块的个数，选择N_rj个电容电压低的全桥子模块，输出正电平；如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}≥U_c，且N_rj>F，选择全部的全桥子模块和(N_rj-F)个电容电压低的半桥子模块，输出正电平。

(4)若u_{rj_ref}>0，i_rj<0。此时，如果N_rj>F，选取全部的半桥子模块和(N_rj-H)个电容电压高的全桥子模块，H是每个桥臂半桥子模块的个数，输出正电平；如果|N_rj≤F，选取|N_rj|个电容电压高的子模块，输出正电平。

(5)若u_{rj_ref}>0，i_rj>0，且d(u_{rj_ref})/dt<0。此时，如果N_rj>F，选取N_rj个电容电压低的子模块，输出正电平；如果N_rj≤F，选取N_rj个电容电压低的全桥子模块，输出正电平。

附图说明

图1是本发明均压控制流程图；

图2是现有的混合型MMC的主电路拓扑；

图3是现有的半桥子模块电路拓扑；

图4是现有的全桥子模块电路拓扑；

图5是本发明混合型MMC a相上桥臂输出电压和桥臂电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图2是应用本排序均压方法的混合型MMC主电路拓扑，包括a、b、c三相电路，各相由上桥臂、下桥臂和串联的桥臂电感L构成。上、下桥臂的拓扑结构相同，都由N个子模块串联构成，其中包括F全桥子模块(SM_p1～SM_pF)和H(H＝N-F)个半桥子模块(SM_nF+1～SM_nN)。

所述的混合型MMC每相由2N个子模块构成，包括全桥子模块和半桥子模块两种。半桥子模块的结构如图3所示，功率开关VT1和VT2串联后与直流电容C并联，电容电压为u_c，A、B分别为子模块的输入、输出端，二极管D1、D2分别为功率开关VT1、VT2的反并联二极管；全桥子模块的结构如图4所示，功率开关VT1和VT2串联、VT3和VT4串联，然后两个串联的电路同时与直流电容C并联，电容电压为u_c，A、B分别为子模块的输入、输出端，二极管D1、D2、D3、D4分别为功率开关VT1、VT2、VT3和VT4的反并联二极管。如图1所示，混合型MMC的上桥臂和下桥臂均由N个子模块串联构成，即上一子模块的输出端B与下一子模块的输入端A相连。上桥臂最上方子模块SM_p1的输入端A接到直流电源正极，下桥臂最下方子模块SM_nN的输出端B接到直流电源负极。

为了便于描述，首先说明混合型MMC子模块正常运行时的工作状态。如图3所示，对于半桥子模块，当功率开关VT1开通而VT2关断时，电流通过二极管D1向电容充电，或者通过功率开关VT1对电容进行放电，子模块输出电压是+u_c，称为半桥子模块投入状态；当功率开关VT1关断而VT2开通时，电流通过功率开关VT2或者二极管D2流动，电容始终处在旁路状态，其电压不会变化，子模块输出电压是0，称为半桥子模块切除状态。如图4所示，对于全桥子模块，当功率开关VT1、VT4开通而VT2、VT3关断时，电流通过二极管D1、D4向电容充电，或者通过功率开关VT1、VT4对电容C进行放电，子模块输出电压是+u_c，称为全桥子模块正向投入状态；当功率开关VT2、VT3开通而VT1、VT4关断时，电流通过二极管D3、D2向电容充电，或者通过功率开关VT2、VT3对电容进行放电，子模块输出电压是-u_c，称为全桥子模块反向投入状态；当功率开关VT1、VT3开通而VT2、VT4关断时，电流通过二极管D1、功率开关VT3或通过二极管D3、功率开关VT1流动，或者，当功率开关VT2、VT4开通而VT1、VT3关断时，电流通过功率开关VT2、二极管D4或通过功率开关VT4、二极管D2流动，电容始终被旁路，子模块输出电压是0，称为全桥子模块切除状态。

以混合型MMC a相为例说明桥臂电流方向对子模块电容电压的影响。如图2所示，上桥臂电流i_pa和下桥臂电流i_na的正方向均为向下。对于半桥子模块，当上桥臂电流i_pa和下桥臂电流i_na的值大于0时，为充电电流，处于投入状态的子模块电容将充电，电容电压升高；当上桥臂电流i_pa和下桥臂电流i_na的值小于0时，为放电电流，处于投入状态的子模块电容将放电，电容电压降低。对于全桥子模块，当上桥臂电流i_pa和下桥臂电流i_na的值大于0时，若处于投入状态的子模块是正向投入状态，子模块电容将充电，电容电压升高，若处于投入状态的子模块是反向投入状态，子模块电容将放电，电容电压降低；当上桥臂电流i_pa和下桥臂电流i_na的值小于0时，若处于投入状态的子模块是正向投入状态，子模块电容将放电，电容电压降低，若处于投入状态的子模块是反向投入状态，子模块电容将充电，电容电压升高。

以混合型MMC a相上桥臂为例，分析在一个工频周期内子模块的充放电情况。如图5所示，u_na为上桥臂输出电压，U_dc为直流侧电压，i_na为上桥臂电流，I_m为交流电流幅值。在一个工频周期内，子模块的充放电过程可分为5个时间段：在时间段t1中，u_na>0，i_na>0，所有子模块都参与排序，处于投入状态的子模块充电；在时间段t2中，u_na<0，i_na>0，只有全桥子模块参与排序，处于反向投入状态的全桥子模块放电，半桥子模块闭锁；在时间段t3中，u_na>0，i_na>0，所有子模块都参与排序，处于投入状态的子模块充电；在时间段t4中，u_na>0，i_na<0，所有子模块都参与排序，处于投入状态的子模块放电；在时间段t5中，u_na>0，i_na>0，所有子模块都参与排序，处于投入状态的子模块充电。由以上分析可知，在时间段t2内，因为只有全桥子模块能够参与排序，所以全桥子模块的电容电压波动会变大。为了解决这个问题，本发明对各桥臂子模块的充放电时间进行了调整，在时间段t1、t5内尽可能地投入更多的全桥子模块，使其充电，在时间段t4内尽可能地投入更多的半桥子模块，使其放电，而半桥子模块的充电过程则被分配到时间段t3内。

如图1所示，本发明根据混合型MMC的桥臂电流、子模块电容电压以及桥臂给定输出电压来确定半桥和全桥子模块的运行状态，以上述电路为例具体说明本发明的排序均压方法，包括如下步骤：

(2)若u_{rj_ref}<0，i_rj<0，i_rj是混合型MMC的桥臂电流，表明该桥臂工作在时间段t2。此时，选择N_rj个电容电压高的全桥子模块，输出负电平。

(3)若u_{rj_ref}>0，i_rj>0，且d(u_{rj_ref})/dt≥0，表明该桥臂工作在时间段t3。此时，如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}<U_c，选择N_rj个电容电压低的子模块，输出正电平；如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}≥U_c，且N_rj≤F，F是每个桥臂全桥子模块的个数，选择N_rj个电容电压低的全桥子模块，输出正电平；如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}≥U_c，且N_rj>F，选择全部的全桥子模块和(N_rj-F)个电容电压低的半桥子模块，输出正电平。

(4)若u_{rj_ref}>0，i_rj<0，表明该桥臂工作在时间段t4。此时，如果N_rj>F，选取全部的半桥子模块和(N_rj-H)个电容电压高的全桥子模块，H是每个桥臂半桥子模块的个数，输出正电平；如果N_rj≤F，选取N_rj个电容电压高的子模块，输出正电平。

(5)若u_{rj_ref}>0，i_rj>0，且d(u_{rj_ref})/dt<0，表明该桥臂工作在时间段t1、t5。此时，如果N_rj>F，选取N_rj个电容电压低的子模块，输出正电平；如果N_rj≤F，选取N_rj个电容电压低的全桥子模块，输出正电平。

本发明一种混合型MMC的过调制均压方法，通过对全桥和半桥子模块的充放电时间进行调整，减小了混合型MMC在过调制工况下全桥子模块的电容电压波动，在子模块电容容值不变的情况下，提高了输出电压质量。

Claims

1.一种混合型MMC的过调制均压方法，其特征在于，根据混合型MMC的桥臂电流、子模块电容电压以及桥臂给定输出电压来确定半桥子模块和全桥子模块的运行状态，具体包括如下步骤：

(1)根据控制算法，得到混合型MMC的各桥臂给定输出电压u_{rj_ref}，其中，r＝p、n，p、n分别表示混合型MMC的上、下桥臂，j＝a、b、c，分别表示三相混合型MMC的各相；桥臂投入的子模块的个数N_rj＝|round(u_{rj_ref}/U_c)|，其中，round()是四舍五入函数，U_c是子模块电容电压给定值；

(2)若u_{rj_ref}<0，i_rj<0，i_rj是混合型MMC的桥臂电流；此时，选择N_rj个电容电压高的全桥子模块，输出负电平；

(3)若u_{rj_ref}>0，i_rj>0，且d(u_{rj_ref})/dt≥0；此时，如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}<U_c，从所有的半桥子模块和全桥子模块中选择N_rj个电容电压低的子模块，输出正电平；如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}≥U_c，且N_rj≤F，F是各桥臂全桥子模块的个数，选择N_rj个电容电压低的全桥子模块，输出正电平；如果半桥子模块电容电压平均值u_{crj_eq}≥U_c，且N_rj>F，选择全部的全桥子模块和(N_rj-F)个电容电压低的半桥子模块，输出正电平；

(4)若u_{rj_ref}>0，i_rj<0；此时，如果N_rj>H，选取全部的半桥子模块和(N_rj-H)个电容电压高的全桥子模块，H是各桥臂半桥子模块的个数，输出正电平；如果N_rj≤H，选取N_rj个电容电压高的半桥子模块，输出正电平；

(5)若u_{rj_ref}>0，i_rj>0，且d(u_{rj_ref})/dt<0；此时，如果N_rj>F，选择全部的全桥子模块和(N_rj-F)个电容电压低的半桥子模块，输出正电平；如果N_rj≤F，选取N_rj个电容电压低的全桥子模块，输出正电平。