CN112072933A - 一种单向电流型模块化多电平换流器的电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，在桥臂电流保持单向的情况下，利用单向电流型全桥子模块的双向电压输出能力对桥臂子模块电容电压进行平衡控制，根据桥臂所有子模块电容电压排序结果，通过选择适当的子模块输出正电平或负电平，控制电容电压较高的子模块放电，或者控制电容电压较低的子模块充电，最终实现单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡，保证单向电流型全桥模块化多电平换流器能够正常运行。

Description

一种单向电流型模块化多电平换流器的电压平衡控制方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块电容电压均衡控制方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，以下简称MMC)易于实现较大的电平数目，并且可以提供一个公共的直流侧，可以较为容易的实现背靠背的连接，使其十分适合于直流输电的应用。自模块化多电平换流器技术出现之后，电压源型直流输电工程绝大部分都是采用的模块化多电平换流器拓扑结构或在其基础上的变化。目前模块化多电平换流器根据所用的子模块类型主要可以分为半桥型、全桥型、半桥-全桥混合型和若干种箝位型几类。在不同类型的模块化多电平换流器中，半桥型模块化多电平换流器具有最低的成本，每个子模块仅需要两个开关管和两个二极管，但半桥型模块化多电平换流器的直流电压输出范围较窄，并且不具有清除直流侧暂时性短路故障的能力。全桥型模块化多电平换流器具有从正额定值至负额定值的直流电压输出范围，也可以清除直流侧暂时性短路故障，但所需的开关管和二极管数目两倍于半桥型模块化多电平换流器。即使是半桥-全桥混合型模块化多电平换流器，所需的开关管和二极管数目仍然1.5倍于半桥型模块化多电平换流器。各种箝位型模块化多电平换流器的设计目标一般均为在增加较少的开关管的条件下实现清除直流侧暂时性短路故障的能力，但仍然需要增加开关管，一般所需的开关管数目至少1.25倍于半桥型模块化多电平换流器，仍然会带来明显的成本增加。

单向电流型全桥模块化多电平换流器是一种电流单向、电压双向型模块化多电平换流器，针对现有的全桥和箝位型模块化多电平换流器成本高、半桥型模块化多电平换流器不具备直流侧故障清除能力的缺点，采用输出电流单向、输出电压双向的子模块设计，使得换流器在保持与半桥型换流器相似的成本下获得直流侧暂时性短路故障清除能力和从正额定值至负额定值的直流电压输出能力，可以以更低成本实现基于架空线的柔性直流输电系统和实现常规-柔性混合直流系统的功率双向传输能力。

模块化多电平换流器中各子模块的直流电容都是悬浮的，在没有额外控制措施的情况下，各子模块的直流电容电压将可能不均衡，甚至有发散的趋势，使模块化多电平换流器不能工作，所以必须设计相应的直流电压均衡控制策略。在已有方法中一般是通过排序法实现子模块电容电压均衡控制，对同一桥臂各子模块的直流电容电压进行排序，根据桥臂电流方向选择开关状态组合方式，使电容电压较高的子模块处于放电状态，或者使电容电压较低的子模块处于充电状态。但是单向电流型全桥模块化多电平换流器的桥臂电流一直是单方向的，无法采用已有技术方案中根据桥臂电流方向选择子模块开关状态、使子模块电容处于充电或放电的方法，所以需要新的直流电容电压平衡控制方法。

发明内容

本发明的目的是提出一种单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，在桥臂电流保持单向的情况下，利用单向电流型全桥子模块的双向电压输出能力，通过选择子模块输出正电平或负电平，控制子模块的充电或者放电状态，实现单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制。

本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，包括以下步骤：

(1)设定单向电流型全桥模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目为N，采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压，并按照电容电压的大小依次从大到小进行排序；

(2)设定单向电流型全桥模块化多电平换流器桥臂输出电平数目指令为m，其中m为-N到N之间的任意整数；

(3)对桥臂输出电平数目指令m的大小进行判断，若桥臂输出电平数目指令m大于0，则根据步骤(1)中的排序，选择N个子模块中的电容电压较小的m个子模块输出正电平，N个子模块中的其余子模块输出零电平，若桥臂输出电平数目指令m小于0，则根据步骤(1)中的排序，选择N个子模块中的电容电压较大的abs(m)个子模块输出负电平，N个子模块中的其余子模块输出零电平，其中abs()为绝对值函数，若桥臂输出电平数目指令m等于0，则全部N个子模块输出零电平。

本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，其优点是：

本发明的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，可以在桥臂电流保持单向的情况下，利用单向电流型全桥子模块的双向电压输出能力对桥臂子模块电容电压进行平衡控制，根据桥臂所有子模块电容电压排序结果，通过选择适当的子模块输出正电平或负电平，控制电容电压较高的子模块放电，或者控制电容电压较低的子模块充电，最终实现单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡，保证单向电流型全桥模块化多电平换流器能够正常运行。

附图说明

图1是本发明方法涉及的单向电流型全桥模块化多电平换流器的结构示意图。

图2是图1所示的单向电流型全桥模块化多电平换流器的子模块结构示意图。

图3是图2所示的子模块输出正电平时的电流通路示意图。

图4是图2所示的子模块输出负电平时的电流通路示意图。

图5是图2所示的子模块输出零电平时的电流通路示意图。

图6是本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，其中涉及的单向电流型全桥模块化多电平换流器的结构如图1所示，其中涉及的单向电流型全桥模块化多电平换流器的子模块结构如图2所示，该方法的流程框图如图6所示，包括以下步骤：

本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，包括以下步骤：

(1)设定单向电流型全桥模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目为N，采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压，并按照电容电压的大小依次从大到小进行排序；

(2)设定单向电流型全桥模块化多电平换流器桥臂输出电平数目指令为m，其中m为-N到N之间的任意整数；

(3)对桥臂输出电平数目指令m的大小进行判断，若桥臂输出电平数目指令m大于0，则根据步骤(1)中的排序，选择N个子模块中的电容电压较小的m个子模块输出正电平，N个子模块中的其余子模块输出零电平，若桥臂输出电平数目指令m小于0，则根据步骤(1)中的排序，选择N个子模块中的电容电压较大的abs(m)个子模块输出负电平，N个子模块中的其余子模块输出零电平，其中abs()为绝对值函数，若桥臂输出电平数目指令m等于0，则全部N个子模块输出零电平。

以下结合附图，详细介绍本发明的工作原理：

在模块化多电平换流器中，由于子模块电容是悬浮的，必须通过控制流入和流出电容的能量来保持子模块电容电压的恒定。对于同一个桥臂中的N个子模块，还必须采用电容电压控制均衡控制方法维持这N个子模块电容电压的均衡。在常规的半桥模块化多电平换流器中，当桥臂电流方向为正向或负向时，桥臂电流对处于投入状态的子模块的电容分别起到充电或放电的作用。现有技术方案通常是先对N个子模块按照电容电压大小进行排序，然后判断桥臂电流方向，再根据电流方向选择电容电压最高或电容电压最低的一组子模块投入。

图1是本发明方法涉及的单向电流型全桥模块化多电平换流器结构示意图。单向电流型全桥模块化多电平换流器由6个桥臂构成，每个桥臂包含有N个级联的子模块。在单向电流型全桥模块化多电平换流器中，每个桥臂的电流只能是单方向的，即只能从桥臂的上端流向桥臂的下端。图2是向电流型全桥模块化多电平换流器子模块结构示意图，单向电流型全桥子模块的电流方向只能是从T1端子流向T2端子。因此，现有技术方案中先判断电流方向、再根据电流方向选择需要投入的子模块的方法无法应用于单向电流型全桥模块化多电平换流器。

对于图2所示的子模块，子模块电流方向只能是单向的，但是子模块可以输出正、零、负三种电平状态，因此可以本发明提出可以通过电平状态的选择控制子模块电容充电或者放电。如图3所示，当子模块输出正电平时，桥臂电流正向流过子模块电容，子模块电容处于充电状态，子模块电容电压将升高；如图4所示，当子模块输出负电平时，桥臂电流反向流过子模块电容，子模块电容处于放电状态，子模块电容电压将下降；如图5所示，当子模块输出零电平时，桥臂电流不会流过子模块电容，子模块电容既不充电也不放电，子模块电容电压将不变。

根据上述的子模块输出电平状态对子模块电容充放电状态的影响的分析，图6是本发明提出的单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法的流程图。首先采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压，并按照电容电压依次从大到小进行排序。然后对换流器桥臂输出电平数目指令m的正负方向进行判断，其中m为-N到N之间的整数，将有以下几种情况：

1)若桥臂输出电平数目指令m大于0，则选择电容电压最小的m个子模块输出正电平，其余子模块输出零电平。根据图3所示的电流通路示意图，此时这m个子模块的电容将被充电，子模块电容电压将升高。

2)若桥臂输出电平数目指令m小于0，则选择电容电压最大的abs(m)个子模块输出负电平，其中abs()为绝对值函数，其余子模块输出零电平。根据图4所示的电流通路示意图，此时这abs(m)个子模块的电容将被放电，子模块电容电压将降低。

3)若桥臂输出电平数目指令m等于0，则全部N个子模块都输出零电平。根据图5所示的电流通路示意图，此时所有N个子模块的电容将处于既不充电也不放电的状态，子模块电容电压不变。

采用上述的控制方法后，在单向电流型全桥模块化多电平换流器的运行过程中，电容电压低的子模块将被充电，电容电压高的子模块将被放电，使桥臂中所有子模块电容电压保持平衡。

Claims (1)

1.一种单向电流型全桥模块化多电平换流器的电容电压平衡控制方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设定单向电流型全桥模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目为N，采集同一桥臂中所有N个子模块的电容电压，并按照电容电压的大小依次从大到小进行排序；

(2)设定单向电流型全桥模块化多电平换流器桥臂输出电平数目指令为m，其中m为-N到N之间的任意整数；

(3)对桥臂输出电平数目指令m的大小进行判断，若桥臂输出电平数目指令m大于0，则根据步骤(1)中的排序，选择N个子模块中的电容电压较小的m个子模块输出正电平，N个子模块中的其余子模块输出零电平，若桥臂输出电平数目指令m小于0，则根据步骤(1)中的排序，选择N个子模块中的电容电压较大的abs(m)个子模块输出负电平，N个子模块中的其余子模块输出零电平，其中abs()为绝对值函数，若桥臂输出电平数目指令m等于0，则全部N个子模块输出零电平。

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