CN110880785A - 基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，具体为：实时检测风电场风速，并将其与临界风速做比较实时切换风电变流系统的调制策略，接着检测模块化多电平换流器桥臂电流，检测桥臂上各子模块电容电压并对子模块电容电压进行排序，最后根据调制结果确定所需导通的子模块个数，结合桥臂电流方向和子模块电容电压排序结果，得到桥臂上各子模块的驱动信号，从而降低风电变流系统热损耗。与现有的热控制方法相比，本发明方法既不改变换流器结构，也不会影响变换器并网的电能质量，控制算法简单，易于理解和实施。

Description

基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法

技术领域

本发明涉及基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，属于多电平电力电子变换器技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)以其结构高度模块化、电压和功率等级可灵活扩展、控制灵活等诸多优势，成为了中高压、大容量电力电子换流器的核心技术。目前，该技术在柔性直流输电、储能、电机驱动等方面取得了广泛应用。

目前，在风力发电领域已有多项工程采用MMC作为变流器，因此保障基于MMC的风电系统可靠运行具有重要意义。MMC的故障来源主要包括功率半导体器件故障、电容故障、布线及终端故障以及其他故障，其中功率半导体器件故障主要由开关管过热引起。在MMC中开关管热循环和风速相关，风场中风速的随机变化使得MMC输出功率及器件损耗也跟着变化，导致器件结温也随机波动，这必将影响器件的寿命。因此有必要在风电变流系统中采用主动热损耗控制，从而提高功率器件的使用寿命。

针对MMC子模块功率开关管主动热损耗控制问题，现有技术通过改变MMC拓扑结构、增加控制环节、调节开关频率等方法，有效降低了系统开关损耗，但是上述方法会增加系统运行成本，提高系统的复杂程度，甚至影响系统输出的电能质量。因此，需要提出一种新的模块化多电平变换器主动热控制方法，一方面保证低风速下系统良好的电能质量输出，另一方面提高高风速区域功率器件的寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，该方法既不改变换流器结构，也不会影响变换器并网的电能质量，控制方法简单，易于理解和实施。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，包括如下步骤：

步骤1，实时检测风电场风速v_wind；

步骤2，将风电场风速v_wind与临界风速v_g做比较，根据比较结果实时切换模块化多电平变换器的调制策略，得到调制结果；具体为：当切入风速＜v_wind＜v_g时，采用载波移相脉宽调制策略对模块化多电平变换器进行调制；当v_wind≥v_g时，采用最近电平逼近调制策略对模块化多电平变换器进行调制；

步骤3，对于模块化多电平变换器的每个桥臂，检测桥臂上的电流，以及检测桥臂上各子模块的电容电压，并对各子模块的电容电压进行排序；

步骤4，根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数，结合步骤3每个桥臂上的电流方向及各子模块的电容电压排序结果，得到每个桥臂上各子模块的驱动信号，实现降低风电变流系统热损耗的目的。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述临界风速的确定方法为：

绘制风速区间内网侧功率器件寿命消耗占比与风速关系波形图，将网侧功率器件寿命消耗最高点的风速作为临界风速v_g。

作为本发明的一种优选方案，步骤2所述载波移相脉宽调制策略具体为：

对于模块化多电平变换器的每个桥臂，设定每个桥臂包括n个半桥结构的子模块，对于n个半桥结构的子模块，采用n路交错的三角载波与同一参考信号比较来进行脉冲生成，n路三角载波的幅值与周期均相等，相位互差2π/n。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数，确定方法为：

当调制策略为载波移相脉宽调制策略时，在每个载波周期T_s内分别用各个三角载波与桥臂调制波进行大小比较，并统计大小小于桥臂调制波的三角载波数目，即为每个载波周期内桥臂上所需导通的子模块个数；当调制策略为最近电平逼近调制策略时，将桥臂调制波乘以每个桥臂的子模块数目，并将结果四舍五入进行取整，所得结果即为桥臂上所需导通的子模块个数。

作为本发明的一种优选方案，步骤4所述根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数，结合步骤3每个桥臂上的电流方向及各子模块的电容电压排序结果，得到每个桥臂上各子模块的驱动信号，具体过程为：

设根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数为n_on，若此时桥臂上电流方向为正，则将桥臂上电容电压较低的n_on个子模块的驱动信号置为“1”，其余子模块的驱动信号置为“0”；若此时桥臂上电流方向为负，则将桥臂上电容电压较高的n_on个子模块的驱动信号置为“1”，其余子模块的驱动信号置为“0”。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明针对MMC子模块功率开关管主动热损耗控制问题，提出了一种基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法。该方法通过将风电场风速与临界风速做比较，实时切换风电变流系统的调制策略，再经过电容电压平衡算法，得到桥臂上各子模块的驱动信号，从而降低风电变流系统热损耗。本发明方法仅需在载波移相调制策略和最近电平逼近调制策略之间做切换，且无需增加额外的控制环节，易于和理解实施。

2、本发明无需改变换流器结构，故现有MMC系统控制方法仍适用，具备较强的移植性。

3、本发明方法既可以保持低风速下良好的电能质量输出，又可以降低高风速区器件的损耗及结温，从而提高高风速区域功率器件的寿命，因此具有较高的实用价值。

附图说明

图1是三相MMC系统框图。

图2是基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热系统控制框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明针对MMC子模块功率开关管主动热损耗控制问题，提出了一种基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，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L_s，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。

如图2所示，基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，该方法通过将风电场风速v_wind与临界风速v_g做比较，实时切换风电变流系统的调制策略，再经过电容电压平衡算法，得到桥臂上各子模块的驱动信号，从而降低风电变流系统热损耗。包括：实时检测风电场风速v_wind，再将v_wind与临界风速v_g做比较实时切换风电变流系统的调制策略，接着检测模块化多电平变换器三相上下桥臂电流，检测桥臂上各子模块电容电压并对子模块电容电压进行排序，最后根据调制策略确定所需导通的子模块个数n_on，结合桥臂电流方向和子模块电容电压排序结果，得到桥臂上各子模块的驱动信号，从而降低风电变流系统热损耗。

具体包括以下步骤：

(1)实时检测风电场风速v_wind。

(2)实时切换风电变流系统的调制策略。通过风电场风速分布及变换器功率器件寿命消耗实验确定临界风速v_g：作风速区间内网侧功率器件寿命消耗占比与风速关系波形图，取网侧功率器件寿命消耗最高点风速为临界风速v_g。

将v_wind与临界风速v_g做比较实时切换风电变流系统的调制策略：当风电场风速v_wind大于切入风速且小于v_g时，变换器采用载波移相脉宽调制(PSC-PWM)调制策略进行调制，当v_wind大于或等于v_g时，变换器采用最近电平逼近(NLM)调制策略进行调制。

载波移相调制策略的原理为，对于n个子模块采用交错的n路幅值、周期相等，相位互差2π/n的三角载波与同一参考信号比较来进行脉冲生成。

最近电平逼近策略是将常规的矢量调制在多电平情况下进行简化，无需再考虑所有可能的开关状态，计算复杂度低，原理为用一个简单的取整函数计算出最接近参考信号的电平数来进行逼近。

(3)子模块电容电压平衡。检测模块化多电平变换器桥臂电流i_arm，检测桥臂上各子模块电容电压u_caui(i＝1,2,…,n)并对各子模块电容电压进行排序。

(4)产生各子模块触发脉冲。根据(2)中调制结果确定所需导通的子模块个数n_on，再根据桥臂电流方向和子模块电容电压排序结果，得到桥臂上各子模块的驱动信号，从而降低风电变流系统热损耗。

本发明尤其适用于需要进行主动热控制的MMC风电变流系统，与现有的方法相比，所提出的方法既可以保持低风速下良好的电能质量输出，又可以提高高风速区域功率器件的寿命。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，实时检测风电场风速v_wind；

步骤2，将风电场风速v_wind与临界风速v_g做比较，根据比较结果实时切换模块化多电平变换器的调制策略，得到调制结果；具体为：当切入风速＜v_wind＜v_g时，采用载波移相脉宽调制策略对模块化多电平变换器进行调制；当v_wind≥v_g时，采用最近电平逼近调制策略对模块化多电平变换器进行调制；

步骤3，对于模块化多电平变换器的每个桥臂，检测桥臂上的电流，以及检测桥臂上各子模块的电容电压，并对各子模块的电容电压进行排序；

步骤4，根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数，结合步骤3每个桥臂上的电流方向及各子模块的电容电压排序结果，得到每个桥臂上各子模块的驱动信号，实现降低风电变流系统热损耗的目的。

2.根据权利要求1所述基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，其特征在于，步骤2所述临界风速的确定方法为：

绘制风速区间内网侧功率器件寿命消耗占比与风速关系波形图，将网侧功率器件寿命消耗最高点的风速作为临界风速v_g。

3.根据权利要求1所述基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，其特征在于，步骤2所述载波移相脉宽调制策略具体为：

对于模块化多电平变换器的每个桥臂，设定每个桥臂包括n个半桥结构的子模块，对于n个半桥结构的子模块，采用n路交错的三角载波与同一参考信号比较来进行脉冲生成，n路三角载波的幅值与周期均相等，相位互差2π/n。

4.根据权利要求3所述基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，其特征在于，步骤4所述根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数，确定方法为：

当调制策略为载波移相脉宽调制策略时，在每个载波周期T_s内分别用各个三角载波与桥臂调制波进行大小比较，并统计大小小于桥臂调制波的三角载波数目，即为每个载波周期内桥臂上所需导通的子模块个数；当调制策略为最近电平逼近调制策略时，将桥臂调制波乘以每个桥臂的子模块数目，并将结果四舍五入进行取整，所得结果即为桥臂上所需导通的子模块个数。

5.根据权利要求1所述基于混合调制策略的模块化多电平变换器主动热控制方法，其特征在于，步骤4所述根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数，结合步骤3每个桥臂上的电流方向及各子模块的电容电压排序结果，得到每个桥臂上各子模块的驱动信号，具体过程为：

设根据步骤2的调制结果确定每个桥臂上所需导通的子模块个数为n_on，若此时桥臂上电流方向为正，则将桥臂上电容电压较低的n_on个子模块的驱动信号置为“1”，其余子模块的驱动信号置为“0”；若此时桥臂上电流方向为负，则将桥臂上电容电压较高的n_on个子模块的驱动信号置为“1”，其余子模块的驱动信号置为“0”。

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