CN110289779A - 电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法 - Google Patents

电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法，所述方法包括以下步骤：利用子模块电容的外特性计算电容容值Caui，再根据电容容值计算所需电容电压交流分量的波动系数ki，接着根据波动系数ki以及电容电压交直流分量得到虚拟电容电压u’caui，通过控制虚拟电容电压平衡，使各子模块等效调制波xer_aui相近，从而平衡各子模块的损耗。该方法通过引入交流分量波动系数ki抵消了电容容值对子模块等效调制波xer_aui的影响，不仅平衡各子模块的损耗而且平衡了各子模块中相同位置的功率开关器件的损耗。

Description

电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法
技术领域
本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，具体涉及电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制。
背景技术
模块化多电平转换器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有输出电压谐波小及能量传输效率高的优点，因此其在中、高压和高功率领域应用得到越来越广泛的应用。通过优化对MMC的控制，可以在不影响电能质量的前提下降低其的平均开关频率。目前，由于其构造简单，组装方便和应用灵活的特点，MMC在诸如机器驱动、电气铁路供应和微电网等各个领域得到广泛应用。
MMC中包含了大量的功率开关器件和电容，每个器件都可以被视为潜在的故障点，其中电容的参数性故障是MMC故障的主要来源之一。电解电容具有容量大、成本低、不易短路等优点，所以在电机驱动和微电网的一些应用中，MMC的子模块中通常采用电解电容。然而由于化学过程、老化效应，MMC中的电容会逐渐老化，这通常表征为电容容值下降，即电容软故障。通常，当电容值下降至阈值以下，例如额定值的80％，需要更换MMC子模块中老化的电容。
由于电容软故障，MMC各子模块(Submodule，SM)的电容容值可能各不相同。当电容容值降低时，电容对电压波动的抑制能力将被削弱，各子模块的等效调制波(EquivalentReference,ER)将会不同，导致同一桥臂上各子模块的功率损耗分布不均，这必将影响功率开关器件的老化速度以及子模块的使用寿命，降低MMC运行的可靠性。目前已有的研究涉及到了平衡子模块损耗，但仍有不足具体如下：一方面已有的文献对桥臂上各子模块的损耗的研究不够全面和深入；另一方面未涉及子模块内部相同位置半导体器件的损耗平衡。因此本文提出的损耗平衡方法具有重要的意义。
发明内容
本发明正是针对以上问题，提出一种电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法。该方法通过引入子模块电容电压交流分量波动系数ki，抵消了电容容值变化对子模块等效调制波xer_aui的影响。通过平衡由波动系数ki产生的虚拟电容电压，使各子模块等效调制波xer_aui基本相等，从而平衡桥臂上各子模块的损耗以及不同子模块中相同位置的功率开关器件器件的损耗。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制，其特征在于，所述方法包括以下步骤：利用子模块电容的外特性计算电容容值Caui，再根据电容容值计算电容电压交流分量的波动系数ki，接着根据波动系数ki以及电容电压交直流分量得到虚拟电容电压u’caui，通过控制虚拟电容电压平衡，使各子模块等效调制波xer_aui相近，从而平衡各子模块的损耗,具体步骤如下，
电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法，所述方法包括以下步骤：
(1)检测桥臂电流Iarm，检测桥臂上各子模块的电容电压ucaui以及各子模块开关函数Si，根据前述电容外特性计算电容容值Caui；
(2)根据步骤(1)中电容容值Caui计算电容电压中交流分量的波动系数ki；
(3)计算桥臂内子模块虚拟电容电压u’caui，并根据虚拟电容电压对桥臂内子模块进行升序排序并建立子模块索引列表；
(4)通过调制实时确定所需投入的子模块个数non，再结合根据已建立的子模块索引列表、桥臂电流方向，实时确定应当导通的子模块SMi并得到该子模块的等效调制波xer_aui，通过控制等效调制波xer_aui一致，从而平衡桥臂上的损耗。
作为本发明的一种改进，所述步骤(2)电容电压中波动分量的波动系数ki，具体如下，为维持桥臂上各子模块虚拟电容电压平衡，即u’cau1＝u’cau2＝…＝u’caun,波动系数ki应满足
作为本发明的一种改进，所述步骤(3)桥臂内子模块虚拟电容电压u’caui的计算，首先，由原始电容电压ucaui减去其直流udsm分量得到原始电容电压交流分量△ucaui；其次，将该交流分量△ucaui与步骤(2)中的波动系数ki相乘再与电容电压直流分量udsm相加，可得到虚拟电容电压u’caui。
作为本发明的一种改进，所述步骤(4)中实时确定所需导通的子模块个数non，首先，根据有功功率控制、无功功率控制、直流侧电压控制以及环流抑制控制等控制算法确定桥臂调制波xau；其次，经过调制得到桥臂上应处于导通状态的子模块数量non。
相对于现有技术，本发明具有如下优点：
1、该方法简单明了，计算方便，易于理解和实施；针对电容软故障引起MMC各子模块的损耗分布不均的问题，提出了一种电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制。通过引入波动系数ki，平衡由波动系数ki产生的虚拟电容电压，使各子模块等效调制波基本相等，从而平衡损耗。一方面，所提出的控制算法基于老化的子模块的电容，而子模块电容的变化通常非常缓慢，这意味着在每个控制周期中不需要更新电容器值，因此简化了计算并减少了计算量；另一方面，电容电压交流分量的波动系数与电容容值成正比，波动系数取值方便计算简单。
2、该方法全面地平衡了桥臂上子模块的损耗，实用价值高；MMC通常采用级联式的结构，其中含有大量电容。当电容容值下降，各子模块的等效调制波(EquivalentReference,ER)将会不同，导致同一桥臂上各子模块的功率损耗分布不均。因此电容软故障引起的损耗不平衡问题一直备受关注。本发明所提出的方法不仅可以平衡整个桥臂上各子模块的损耗，而且可以平衡同一桥臂中的不同子模块内相同位置半导体器件的损耗。
3、该方法揭示了子模块电容与功率开关器件之间的关系，包括导通损耗和开关损耗；
4、该方法不仅平衡了子模块的导通损耗和而且平衡了子模块的开关损耗，大大提高了系统的可靠性。
附图说明
图1(a)是三相MMC系统框图，(b)是子模块单元；
图2是所提出的MMC电容软故障下的ER控制策略框图。
具体实施方式
为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍该技术方案。
实施方式1：本发明针对电容软故障引起的桥臂上子模块损耗不平衡的问题，提出了适用于MMC的电容软故障下的功率损耗控制方法，本发明中MMC的拓扑采用三相六桥臂结构，如图1所示，各桥臂使用n个半桥结构的子模块以及一个桥臂电感Ls，每个子模块由两个功率开关管T1、T2，两个二极管D1、D2和一个电解电容组成，电容电压平衡方法为：将桥臂调制电压与载波比较，得到一个桥臂上需要投入的子模块个数为non，对前述所得虚拟电容电压进行升序排序，当桥臂电流为正，投入虚拟电容电压最低的non个子模块，当桥臂电流为负，投入虚拟电容电压最高的non个子模块。
如图2所示，电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法，包括：利用子模块电容的外特性计算电容容值Caui，再根据电容容值计算所需电容电压交流分量的波动系数ki，接着根据波动系数ki以及电容电压交直流分量得到虚拟电容电压u’caui，通过控制虚拟电容电压平衡，使各子模块等效调制波xer_aui相近，从而平衡各子模块的损耗。具体包括以下步骤：
(1)桥臂电容容值计算。检测桥臂电流Iarm，检测桥臂上各个子模块的电容电压ucaui以及各子模块的开关函数Si，根据前述电容外特性计算电容容值；
(2)电容电压中波动分量的波动系数ki的计算。为维持桥臂上各子模块虚拟电容电压平衡，即u’cau1＝u’cau2＝…u’caun,波动系数ki应满足 结合步骤(1)所得电容容值，可得波动系数ki；
(3)建立子模块索引列表。首先，由原始电容电压ucaui减去其直流分量udsm得到原始电容电压交流分量△ucaui；其次，将该交流分量与步骤(2)中的波动系数ki相乘再与电容电压直流分量udsm相加，得到虚拟电容电压u’caui；根据所得虚拟电容电压，对桥臂上的子模块进行升序排序并建立子模块索引列表；
(4)产生各子模块等效调制波xer_aui。首先，根据有功功率控制、无功功率控制、直流侧电压控制以及环流抑制控制等控制算法确定桥臂调制波xau；其次，经过调制得到桥臂上应处于导通状态的子模块数量non；最后，根据已建立的子模块索引列表、桥臂电流方向以及所需投入的子模块个数non，实时确定应投入的子模块SMi并得到该子模块的等效调制波xer_aui，通过控制等效调制波xer_aui一致，从而平衡桥臂上的损耗。
本发明尤其适用于处于电容软故障状态下的的MMC系统，与现有的方法相比，所提出的方法不仅可以平衡整个桥臂上各子模块的损耗，而且可以平衡同一桥臂中的不同子模块内相同位置功率开关器件的损耗。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (4)

1.电容软故障下模块化多电平变换器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)检测桥臂电流Iarm，检测桥臂上各子模块的电容电压ucaui以及各子模块开关函数Si，根据前述电容外特性计算电容容值Caui；
(2)根据电容容值Caui计算各子模块电容电压中交流分量波动系数ki；
(3)计算桥臂内子模块虚拟电容电压u’caui，并根据虚拟电容电压对桥臂内子模块进行升序排序并建立子模块索引列表；
(4)通过调制实时确定所需导通的子模块个数non，再结合已建立的子模块索引列表、桥臂电流方向，实时确定应当导通的子模块SMi并得到该子模块的等效调制波xer_aui，通过控制等效调制波xer_aui一致，从而平衡桥臂上的损耗。
2.根据权利要求1所述的电容老化条件下模块化多电平变换器的损耗控制方法，其特征在于，所述步骤(2)电容电压中交流分量波动系数ki的计算，具体如下，为维持桥臂上各子模块虚拟电容电压平衡，即u’cau1＝u’cau2＝…＝u’caun,波动系数ki应满足
3.根据权利要求1所述的电容老化条件下模块化多电平变换器的损耗控制方法，其特征在于，所述步骤(3)桥臂内子模块虚拟电容电压u’caui的计算，首先，由原始电容电压ucaui减去其直流udsm分量得到原始电容电压交流分量△ucaui；其次，将该交流分量△ucaui与波动系数ki相乘再与电容电压直流分量udsm相加，得到虚拟电容电压u’caui。
4.根据权利要求1所述的电容老化条件下模块化多电平变换器的损耗控制方法，其特征在于，所述步骤(4)中实时确定所需导通的子模块个数，首先，根据有功功率控制、无功功率控制、直流侧电压控制以及环流抑制控制等控制算法确定桥臂调制波xau；其次，经过调制得到桥臂上应投入的子模块数量non。
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