CN111342637A - 一种级联多电平变换器的快速均压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种级联多电平变换器的快速均压方法，级联多电平变换器的桥臂参考电压调制波信号，与移相三角载波比较后，得到每个子模块的所有开关管驱动信号。将所有子模块中输出正电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数，将所有子模块中输出负电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数，剩下的子模块输出零电平。根据桥臂正负电平的输出模块数，进行排序均压控制，最终达到桥臂电容电压快速均衡的效果，避免载波移相控制均压速度慢以及子模块数较少时传统排序均压方法输出电流谐波含量高的问题。该方法在快速平衡子模块电容电压同时保证桥臂具有较高等效开关频率，保证了交流侧的电流谐波含量较低。

Description

一种级联多电平变换器的快速均压方法
技术领域
本发明涉及一种变换器的子模块均压方法，尤其涉及一种级联多电平变换器的子模块快速均压方法。
背景技术
随着智能配电网和新能源的迅速发展以及直流负荷的不断增加，对配电网的灵活控制、可靠性以及交直流多端口接入等提出了要求，同时对新型电网配电变压装置提出了较高的要求。由于配电网的电压等级较高，而受限于当前半导体开关器件的耐压水平，现有的高电压大功率电力电子设备大都采用级联全桥或级联半桥的结构，但是每个全桥或半桥模块中各个电容相互独立，彼此悬浮，能量无法在子模块电容间相互交换，子模块间的电容电压均衡依赖于均压控制对流经电荷的平均分配。
现有的均压控制策略主要基于载波层叠调制策略(Carrier Stacked PWM)、载波移相调制策略(Carrier Phase Shifted PWM)以及最近电平逼近调制(Nearest LevelModulation, NLM)。其中，载波层叠调制策略的开关频率较高，导致子模块的开关损耗较大，因此应用较少。而载波移相调制因为具有固定的开关频率且等效开关频率较高，得到了广泛的应用，但是当子模块电容电压偏差较大时，其平衡速度较慢。NLM方法控制简单，开关频率低，均压效果好，但是当MMC的模块数较少时，会导致输出电流谐波含量较高。因此，亟待一种级联多电平变换器的子模块均压方法，在实现快速均压的同时，保证输出电流的谐波含量较低。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，能够快速有效地控制级联多电平变换器子模块电容电压平衡的同时，保证电网电流谐波含量低的特性，本发明提供了一种级联多电平变换器的快速均压方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种级联多电平变换器的快速均压方法，所述级联多电平变换器每个桥臂由N个子模块级联构成。定义某相桥臂的参考电压调制波信号为U ref 。包括以下步骤：
步骤（1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个子模块中所有开关器件的驱动信号G j1, G j2, G j3, … G jM ，其中，M为每个子模块中的开关器件个数，j=1,2…N，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得。
步骤（2）：将所有子模块中输出正电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，将所有子模块中输出负电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数n 2，剩下的N- n 1- n 2个子模块输出零电平。
步骤（3）：对桥臂N个子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，投入电压最高的n 2个子模块，输出-1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，投入电压最低的n 2个子模块，输出-1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平。每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，可以实现子模块电容的快速均压控制。
进一步的，级联多电平变换器的子模块可以为全桥结构、半桥结构、及其衍生结构。
进一步的，当所述级联多电平变换器的子模块为全桥结构时，所述方法具体步骤为：
步骤（2_1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个全桥子模块中四个开关器件的驱动信号G j1, G j2, G j3, G j4，j=1,2…N，其中，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得；
步骤（2_2）：将所有子模块的G j1, G j4信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，将所有子模块的G j2, G j3信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数n 2，剩下的N- n 1- n 2个子模块输出零电平；
步骤（2_3）：根据n 1和n 2，对桥臂子模块进行排序均压控制，对桥臂N个全桥子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个全桥子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，投入电压最高的n 2个全桥子模块，输出-1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个全桥子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，投入电压最低的n 2个全桥子模块，输出-1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平；每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，实现子模块电容的快速均压控制。
进一步的，当所述级联多电平变换器的子模块为半桥结构时，所述方法具体步骤为：
步骤（3_1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个半桥子模块中二个开关器件的驱动信号G j1, G j2，j=1,2…N，其中，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得；
步骤（3_2）：将所有子模块的G j1信号进行逻辑相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，剩下的N- n 1个子模块输出零电平；
步骤（3_3）：根据n 1，对桥臂子模块进行排序均压控制，如图6所示。对桥臂N个半桥子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个半桥子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个半桥子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，实现子模块电容的快速均压控制。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的一种级联多电平变换器的快速均压方法可达到桥臂电容电压快速均衡的效果，避免了载波移相控制均压速度慢以及子模块数较少时传统排序均压方法输出电流谐波含量高的问题。该方法在快速平衡子模块电容电压的同时，可以保证桥臂具有较高的等效开关频率，从而保证交流侧的电流谐波含量较低。
附图说明
图1为单相级联全桥结构的变换器拓扑；
图2为桥臂全桥子模块输出正负电平个数的逻辑运算；
图3为全桥子模块的排序均压控制算法流程图。
图4为单相级联半桥结构的变换器拓扑；
图5为桥臂半桥子模块输出正电平个数的逻辑运算；
图6为半桥子模块的排序均压控制算法流程图。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
本发明方法公开了一种级联多电平变换器的快速均压方法，定义某相桥臂的参考电压调制波信号为U ref 。包括以下步骤：
步骤（1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个子模块中所有开关器件的驱动信号G j1, G j2, G j3, … G jM ，其中，M为每个子模块中的开关器件个数，j=1,2…N，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得。
步骤（2）：将所有子模块中输出正电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，将所有子模块中输出负电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数n 2，剩下的N- n 1- n 2个子模块输出零电平。
步骤（3）：对桥臂N个子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，投入电压最高的n 2个子模块，输出-1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，投入电压最低的n 2个子模块，输出-1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平。每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，可以实现子模块电容的快速均压控制。
其中，级联多电平变换器的子模块可以为全桥结构、半桥结构、及其衍生结构。
当所述级联多电平变换器的子模块为全桥结构时如图1所示，级联全桥结构的变换器每个桥臂由N个全桥子模块级联构成。定义某相桥臂的参考电压调制波信号为U ref 。包括以下步骤：
步骤（1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个全桥子模块中四个开关器件的驱动信号G j1, G j2, G j3, G j4，j=1,2…N，其中，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得。
步骤（2）：将所有子模块的G j1, G j4信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，将所有子模块的G j2, G j3信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数n 2，剩下的N- n 1- n 2个子模块输出零电平，如图2所示。
步骤（3）：根据n 1和n 2，对桥臂子模块进行排序均压控制，如图3所示。对桥臂N个全桥子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个全桥子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，投入电压最高的n 2个全桥子模块，输出-1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个全桥子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，投入电压最低的n 2个全桥子模块，输出-1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平。每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，可以实现子模块电容的快速均压控制。
当所述级联多电平变换器的子模块为半桥结构时如图4所示，级联半桥结构的变换器每个桥臂由N个半桥子模块级联构成。定义某相桥臂的参考电压调制波信号为U ref 。包括以下步骤：
步骤（1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个半桥子模块中二个开关器件的驱动信号G j1, G j2，j=1,2…N，其中，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得。
步骤（2）：将所有子模块的G j1信号进行逻辑相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，剩下的N- n 1个子模块输出零电平，如图5所示。
步骤（3）：根据n 1，对桥臂子模块进行排序均压控制，如图6所示。对桥臂N个半桥子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个半桥子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个半桥子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平。每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，可以实现子模块电容的快速均压控制。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种级联多电平变换器的快速均压方法，所述级联多电平变换器每个桥臂由N个子模块级联构成，定义某相桥臂的参考电压调制波信号为U ref ；其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个子模块中所有开关器件的驱动信号G j1, G j2, G j3, …G jM ，其中，M为每个子模块中的开关器件个数，j=1,2…N，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得；
步骤（2）：将所有子模块中输出正电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，将所有子模块中输出负电平的驱动信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数n 2，剩下的N- n 1- n 2个子模块输出零电平；
步骤（3）：对桥臂N个子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，投入电压最高的n 2个子模块，输出-1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，投入电压最低的n 2个子模块，输出-1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平；每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，实现子模块电容的快速均压控制。
2.根据权利要求1所述的一种级联多电平变换器的快速均压方法，其特征在于，所述级联多电平变换器的子模块包括全桥结构、半桥结构、及其衍生结构。
3.根据权利要求1所述的一种级联多电平变换器的快速均压方法，其特征在于，当所述级联多电平变换器的子模块为全桥结构时，所述方法具体步骤为：
步骤（2_1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个全桥子模块中四个开关器件的驱动信号G j1, G j2, G j3, G j4，j=1,2…N，其中，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得；
步骤（2_2）：将所有子模块的G j1, G j4信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，将所有子模块的G j2, G j3信号进行逻辑与运算后相加，得到该桥臂输出的负电平数n 2，剩下的N- n 1- n 2个子模块输出零电平；
步骤（2_3）：根据n 1和n 2，对桥臂子模块进行排序均压控制，对桥臂N个全桥子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个全桥子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，投入电压最高的n 2个全桥子模块，输出-1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个全桥子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，投入电压最低的n 2个全桥子模块，输出-1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平；每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，实现子模块电容的快速均压控制。
4.根据权利要求1所述的一种级联多电平变换器的快速均压方法，其特征在于，当所述级联多电平变换器的子模块为半桥结构时，所述方法具体步骤为：
步骤（3_1）：桥臂参考电压调制波信号U ref 与N个移相的三角载波比较后，得到每个半桥子模块中二个开关器件的驱动信号G j1, G j2，j=1,2…N，其中，N的取值根据交流侧电压幅值、子模块电容电压以及交流调制度求得；
步骤（3_2）：将所有子模块的G j1信号进行逻辑相加，得到该桥臂输出的正电平数n 1，剩下的N- n 1个子模块输出零电平；
步骤（3_3）：根据n 1，对桥臂子模块进行排序均压控制，如图6所示，对桥臂N个半桥子模块的电容电压进行排序，当桥臂电流大于零时，投入电压最低的n 1个半桥子模块，输出+1电平，给子模块电容充电，其余的子模块输出0电平；当桥臂电流小于零时，投入电压最高的n 1个半桥子模块，输出+1电平，给子模块电容放电，其余的子模块输出0电平；每个开关周期内直接对电压较低的子模块电容进行充电，对电压较高的子模块电容进行放电，实现子模块电容的快速均压控制。
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