CN112803813B - 模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法及系统，控制方法包括：获取功率模块k的电容电压u_ck；判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系；根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压。本发明通过自动调节取能电源输入特性，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压，解决了现有技术中，采用一个阻值合适的功率电阻与模块电容器并联来抑制电容电压发散带来的能量损失以及效率降低的技术问题。

Description

模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法及系统

技术领域

本发明属于柔性直流输电技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法及系统。

背景技术

随着大功率电力电子技术的发展，全控型电力电子器件在直流输电系统中的应用越来越广泛，其中，以电压源换流器为核心的柔性直流输电设备在我国输配电系统中的成功使用，进一步促进了我国输配电技术的发展。

目前，构成电压源换流器的拓扑结构主要有三种：两电平拓扑、钳位二极管三电平拓扑、模块化多电平拓扑。其中，以模块化多电平拓扑构成的换流器(MMC)因其具备开关频率低、损耗小等优点，已被广泛应用于大功率风力发电、太阳能发电、孤岛供电、海上供电等直流输电系统中，典型的模块化多电平换流器拓扑如图1所示。用于构成MMC的功率模块主要有三种，它们分别是半桥子模块、全桥子模块、箝位双子模块。

实际工程应用中的半桥子模块如图2所示(i_pc是模块的直流充电电流，i_c是流入电容器 C₀的电流，i_r是流过放电电阻R_d的电流，它是一个常量，i_psk是流入取能电源的电流)，因具有结构简单、功率器件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势已经广泛在模块化多电平换流器构成的柔性直流输电系统中。相比于传统的三相H桥换流器，MMC的每一相都由大量的功率模块串联组成，这样拓扑结构容易实现我国电网对高电压、大功率、高功率密度的要求。

然而大量的功率模块串联也给柔性直流输电系统的启动控制带来了困难。国际标准 IEC62501要求系统在正常工作之前要对每一个功率模块进行至少10分钟的电气特性测试，且测试过程中所有的IGBT必须处于关闭状态。

因此，在这一过程中良好的静态电压平衡是不可或缺的。为了保持功率模块电容静态电压平衡，实际工程中常常采用一个阻值合适的功率电阻与模块电容器并联来抑制电容电压发散。

然而，这种方法往往会给系统带来较高的损耗，特别当柔性直流系统由多端MMC构成时，采用并联电阻的方法会给系统带来更多的能量损失，同时也降低了系统的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法及系统，以解决了上述现有技术中，采用一个阻值合适的功率电阻与模块电容器并联来抑制电容电压发散带来的能量损失以及效率降低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，包括以下步骤：

获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系；

根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压。

本发明进一步的改进在于：具体包括以下步骤：

获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q是否满足：u_q≤u_ck；

如果满足u_q≤u_ck，继续判断功率模块k的电容电压u_ck是否满足：

如果满足

执行第一操作，如果满足

执行第二操作；

为功率模块的电容平均电压；

如果满足u_ck＜u_q执行第二操作；

所述第一操作为：通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制；

所述第二操作为：控制功率模块k的取能电源的自取能电源输入特性自调节信号d_psk为逻辑低电平，取能电源处于正常工作状态。

本发明进一步的改进在于：所述自取能电源输入特性自调节信号d_psk具有固定开关频率和占空比。

本发明进一步的改进在于：自取能电源输入特性自调节信号d_psk的固定开关频率f_p和占空比D_p为：

其中，T_p为取能电源最大暂停工作时间。

本发明进一步的改进在于：取能电源最大暂停工作时间T_p，计算方法如下：

其中，p_so是取能电源的负载功率，u_com是负载的最小工作电源，c表示取能电源的输出支撑电容值；u_co为取能电源输出额定电压。

本发明进一步的改进在于：所述电容电压阈值u_q的计算方法：

本发明进一步的改进在于：所述功率模块的电容平均电压

的计算方法：

代表每个MMC桥臂模块个数，u_c1、u_c2……u_cN分别表示对应的功率模块电容电压。

模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制系统，包括：

获取模块，用于获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断模块，用于判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系；

调节模块，用于根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法及系统，获取功率模块k的电容电压u_ck；判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系，根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压。本发明通过自动调节取能电源输入特性，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压，解决了现有技术中，采用一个阻值合适的功率电阻与模块电容器并联来抑制电容电压发散带来的能量损失以及效率降低的技术问题。

本发明的实现不依赖于系统桥臂控制器，模块控制器和任何软件算法，仅由取能电源硬件电路自身就可以实现。因此，本发明能够有效的节省模块设计的软件和硬件成本，降低系统和功率模块设计的复杂度，同时静态电压平衡的响应速率也被有效的提升。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为典型的模块化多电平换流器拓扑；

图2为实际工程应用中的半桥子模块；

图3为取能电源硬件原理图；

图4为单个取能电源的控制逻辑；

图5为模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法流程图；

图6为功率模块的等效模型；

图7为单个取能电源控制逻辑的示波器实验波形；

图8为模块电容静态电压平衡控制；

图9为模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制系统结构框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。

实施例1

为了克服现有技术存在的不足，本发明提出一种基于取能电源输入特性自动调节的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，通过对影响模块电容电压不平衡因素进行分析，建立功率模块电容静态电压与取能电源输入电流之间的数学模型，根据这个数学模型表达式，本方法能够通过取能电源输入特性的自我调节来控制电源的输入电流，从而间接控制模块电容静态电压平衡。

取能电源输入特性自调节信号由取能电源的比较器电路和555振荡器电路产生。本发明的实现不依赖于系统桥臂控制器，模块控制器和任何软件算法，仅由取能电源硬件电路自身就可以实现。因此，本发明能够有效的节省模块设计的软件和硬件成本，降低系统和功率模块设计的复杂度，同时静态电压平衡的响应速率也被有效的提升。

请参阅图3所示，取能电源由三大部分电路组成：取能电源第一级反激变换电路；取能电源第二级反激变换电路和取能电源输入特性自调节电路。

其中，对第二级反激变换电路的驱动电路由三种分电路组成，分别是光耦隔离电路、逻辑与门电路和推挽功率放大电路。

取能电源输入特性自调节电路由四种分电路组成，分别是：电阻分压电路、电压基准电路、比较器电路和555振荡器电路。通过这些电路的有机配合，实现换流器电容器静态均压控制的目的。

单个取能电源的控制逻辑如图4所示。图4中，u_ck(k＝1,2,…N)表示电容电压。u_q表示取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值。

表示电容电压平均值。

表示图3中取能电源输入特性自调节电路的缓冲器电路的使能端口。d_psk表示自取能电源输入特性自调节信号。u_co表示取能电源用于负载供电的输出电压。图4中的控制逻辑可以总结如下：当

时，

为逻辑高电平，d_psk为逻辑低电平。此时，取能电源处于正常运行状态。当

时，

为逻辑低电平。此时，具有固定开关频率和占空比的d_psk被用来对取能电源的输入特性进行调节控制。电源的输出电压u_co具有较小的电压波动。当

时，

为逻辑高电平，d_psk为逻辑低电平，取能电源恢复正常工作状态。

在单个取能电源逻辑控制的基础上，换流器电容电压平衡控制方法如图5所示；本发明一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，包括：

当u_ck＜u_q时，将模块电容电压u_ck＜u_q所对应的取能电源控制信号d_psk控制为逻辑低电平，这样电容电压u_ck＜u_q的取能电源将处于正常工作状态；

当

时，电容电压

的取能电源输入特性将被具有固定频率和占空比的信号d_psk控制，由于图2中的i_pc和i_r是一个常数，通过这种控制方式，取能电源的输入电流i_psk将被减小，对应的模块电容输入电流i_ck将被增加，这样以来模块电容电压将被间接提升，达到电压平衡的控制目的；

当

时，对应模块的取能电源控制信号d_psk将被控制为逻辑低电平，对应的取能电源处于正常工作状态。

具体的，本发明一种基于取能电源输入特性自动调节的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对功率模块进行数学建模，获得模块电容电压与取能电源输入电流之间的数学关系。

步骤1具体包括：

1.1)、用理想电压源与电阻串联等效功率模块的电容支路；

1.2)、用理想电流源与电阻并联等效取能电源支路；

1.3)、用理想的受控电压源和电流源将IGBT支路与电容支路分开，功率模块的等效模型如图6所示。根据图6，功率模块的电容电压u_ck和取能电源的输入电流i_psk的关系表示为：

R_t为R_d和R_e并联总电阻；R_c为子模块电容等效电阻值；u_cke为子模块电容等效理想电压源的电压；i_pse为取能电源等效理想电流源的电流；i_cd为功率模块等效受控电流源电流；

和

i_psk＝i_pse+g′(u_ck)u_ck

其中，u_cke,R_t,R_c,i_cd和g(u_ck)分别表示为：

u_cke＝R_ci_ck(t-ΔT)+u_ck(t-ΔT)

i_cd＝i_pc

其中，i_ck为流经功率模块电容的电流；R_d为功率模块均压电阻阻值；c₀为功率模块电容容值；i_pc为功率模块充电电流；ΔT表示电容电压变化时间，p_ps表示取能电源的输入功率；功率模块的电容电压u_ck和取能电源的输入电流i_psk的关系，可以通过控制i_pse来改变i_psk，从而间接改变电容电压u_ck。

步骤2：计算输入特性自调节电路的电阻分压电路的输出电压V_in，计算公式如下：

其中，i＝x,x+1…n,j＝31,32,33…n,x表示电阻分压节点；U_in是V_in的等比例隔离输出电压；R_i和R_j皆表示串联分压电阻。

步骤3：计算电容电压阈值u_q对应的基准电压V_ref1。计算方法如下：

其中，V_refo是电压基准芯片输出的基准电压，R_f3和R_f4是运算放大器的比例电阻。

步骤4：计算功率模块的电容平均电压

对应的基准电压V_ref2，计算方法如下：

其中，R_f7和R_f8是运算放大器的比例电阻。

步骤5：确定比较器电路的输出电平V_comp1和V_comp2，它们可以被计算为：

和

步骤6：确定逻辑异或门电路的输出逻辑电平V_oe，它可以被表示为：

逻辑异或门电路的输出逻辑电平V_oe连接在缓冲器电路的使能端口

上。

步骤7：计算取能电源输入特性自调节信号d_psk的占空比D_p和频率f_p，表示为：

其中，T_p为取能电源最大暂停工作时间；

步骤8：计算取能电源最大暂停工作时间T_p，计算方法如下：

其中，p_so是取能电源的负载功率，u_com是负载的最小工作电源，c表示取能电源的输出支撑电容值；

通过以上步骤得到取能电源的控制逻辑，电压平衡控制逻辑和取能电源输入特性自调节信号d_psk。

下面结合模块化多电平系统的实际案例对本发明作更详细的说明。实例内容如下：

模块化多电平换流器直流母线电压为933V，每个桥臂有4个子功率模块，每个功率模块额定电压为466V，功率模块的电容为0.0086F，取能电源输出电压支撑电容为c，容值为0.0056F，电源输出额定电压u_co＝15V，负载最低工作电压u_com＝12V，负载等效电阻为51Ω，负载功率p_so＝5W，电容电压阈值u_q＝125V，静态均压目标值(模块电容平均电压)

模块拓扑结构为半桥结构。

本发明一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对功率模块进行数学建模，获得模块电容电压与取能电源输入电流之间的数学关系。

步骤1具体包括：

1.1)、用理想电压源与电阻串联等效功率模块的电容支路；

1.2)、用理想电流源与电阻并联等效取能电源支路；

1.3)、用理想的受控电压源和电流源将IGBT支路与电容支路分开，功率模块的等效模型如图6所示。根据图6，功率模块的电容电压u_ck和取能电源的输入电流i_psk的关系表示为：

和

i_psk＝i_pse+g′(u_ck)u_ck

其中，u_cke,R_t,R_c,i_cd和g(u_ck)分别表示为：

u_cke＝R_ci_ck(t-ΔT)+u_ck(t-ΔT)

i_cd＝i_pc

其中，c₀为功率模块电容容值，ΔT表示电容电压变化时间，p_ps表示取能电源的输入功率。

模块电容电压u_ck和电源输入电流i_psk的关系，可以通过控制i_pse来改变i_psk，从而间接改变电容电压u_ck。

步骤2：计算电阻分压电路的输出电压V_in，计算公式如下：

步骤3：计算u_q对应的基准电压V_ref1。计算方法如下：

步骤4：计算功率模块电容平均电压

对应的基准电压V_ref2，计算方法如下：

步骤5：确定比较器电路的输出电平V_comp1和V_comp2。它们可以被计算为：

和

步骤6：确定逻辑异或门电路的输出逻辑电平V_oe，它可以被表示为：

步骤7：计算取能电源输入特性自调节信号d_psk的占空比D_p和频率f_p，它可以被表示为：

步骤8：计算取能电源最大暂停工作时间T_p，计算方法如下：

基于上述步骤1-8，单个取能电源控制逻辑的示波器实验波形如图7所示，图7中，当 u_ck<125V时，d_psk为逻辑低电平，取能电源处于正常运行状态。当125V≤u_ck＜233.3V时，占空比为0.5，频率为10HZ的d_psk信号开始调节取能电源的输入特性。当233.3V≤u_ck时，d_psk被控制为逻辑低电平，取能电源恢复正常工作状态。当电容电压从250V降落到233.3V时，占空比为0.5，频率为10HZ的d_psk再一次开始调节取能电源输入特性。

基于单个取能电源的输入特性，模块电容静态电压平衡控制如图8所示，附图8中(a)显示的是基于电容电压排序，且联合取能电源控制的换流器电容静态电压平衡方法(此方法英文名称为：“A novel method based on self-power supply control forbalancing capacitor static voltage in MMC,”IEEE Trans.Power Electron.,Vol.33,No.2,pp.1038-1049,Feb.2018.)。在这个方法中，桥臂控制器首先要对采样到的电容电压按照从低到高的顺序进行排序，每次排序完成后，模块控制器会对电容电压最低功率模块的取能电源输入特性进行控制，其他取能电源处于正常工作模式。附图(a)中电压，在50秒处接收电压平衡控制，最终在210秒处达到电压平衡状态。附图(b)为本发明所提出的方法对应的换流器电容电压静态平衡控制。与图(a)方法相比这个方法不需要桥臂控制器、模块控制和相关软件算法。仅取能电源自身就可以实现电压平衡控制。图(b)中的电容电压也是在50秒处接收电压平衡控制，最终在172秒处达到电压平衡。因此，此方法也能够提升电压平衡的响应速度。附图(c)-(d)显示的是四个功率模块对应取能电源的输出电压u_co1～u_co4和输入特性控制信号d_ps1～d_ps4.它们分别说明了四个电容电压平衡的先后顺序。在图(c)中，d_ps1于157秒处第一次从波动状态变为逻辑低电平，这说明电容电压u_c1在157妙处达到电压平衡状态。d_ps2于172秒处第一次开始控制取能电源，这说明u_c2在172妙处达到电压平衡状态.在图(d)中,d_ps3于158秒处第一次开始控制取能电源，这说明u_c3在158妙处达到电压平衡状态.d_ps4于168秒处第一次开始控制取能电源，这说明u_c3在168妙处达到电压平衡状态.分析图(c)-(d)中的电压平衡时间可知，所有的电容电压在172秒处达到电压平衡状态。

实施例2

本发明还提供一种模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制系统，包括

获取模块，用于获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断模块，用于判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系；

调节模块，用于根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质 (包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/ 或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (7)

1.模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系；

根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压；

其中，所述模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法具体包括以下步骤：

获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q是否满足：u_q≤u_ck；

如果满足u_q≤u_ck，继续判断功率模块k的电容电压u_ck是否满足：

如果满足

执行第一操作，如果满足

执行第二操作；

为功率模块的电容平均电压；

如果满足u_ck＜u_q执行第二操作；

所述第一操作为：通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制；

所述第二操作为：控制功率模块k的取能电源的自取能电源输入特性自调节信号d_psk为逻辑低电平，取能电源处于正常工作状态。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，其特征在于，所述自取能电源输入特性自调节信号d_psk具有固定开关频率和占空比。

3.根据权利要求2所述的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，其特征在于，自取能电源输入特性自调节信号d_psk的固定开关频率f_p和占空比D_p为：

其中，T_p为取能电源最大暂停工作时间。

4.根据权利要求3所述的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，其特征在于，取能电源最大暂停工作时间T_p，计算方法如下：

其中，p_so是取能电源的负载功率，u_com是负载的最小工作电源，c表示取能电源的输出支撑电容值；u_co为取能电源输出额定电压。

5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，其特征在于，所述功率模块的电容平均电压

的计算方法：

N代表每个模块化多电平换流器的功率模块个数，u_c1、u_c2……u_cN分别表示对应的功率模块电容电压。

6.根据权利要求5所述的模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制方法，其特征在于，所述电容电压阈值

7.模块化多电平换流器电容静态电压平衡控制系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于获取功率模块k的电容电压u_ck；

判断模块，用于判断取能电源输入特性自调节时的电容电压阈值u_q与电容电压u_ck的关系；

调节模块，用于根据判断结果，通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制，间接改变模块化多电平换流器功率模块电容静态电压；

其中，如果判断模块判断满足u_q≤u_ck，继续判断功率模块k的电容电压u_ck是否满足：

如果满足

调节模块执行第一操作，如果满足

调节模块执行第二操作；

为功率模块的电容平均电压；如果满足u_ck＜u_q调节模块执行第二操作；

所述第一操作为：通过自取能电源输入特性自调节信号d_psk对功率模块k的取能电源的输入特性进行调节控制；所述第二操作为：控制功率模块k的取能电源的自取能电源输入特性自调节信号d_psk为逻辑低电平，取能电源处于正常工作状态。

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