CN112886840A - 一种模块化多电平变换器损耗优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变换器损耗优化控制方法，以模块化多电平变换器子模块下开关和二极管损耗最小化为目标，根据给定的有功功率和无功功率，结合模块化多电平变换器的功率平衡关系、功角关系和环流数学模型得到桥臂电流的表达式；在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到各种不同二次环流电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值，选取最大值构建数据集，在数据集中找一个最小的损耗值，选取这个损耗值的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，将对应的最优的二次环流注入到三相中。本发明不仅能够减小损耗最大功率器件的损耗值，还能减小桥臂电流的峰值，提高系统的可靠性。

Description

一种模块化多电平变换器损耗优化控制方法

技术领域

本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，具体涉及一种基于基于谐波环流注入的模块化多电平换流器损耗优化控制方法。

背景技术

模块化多电平变换器是由R.Marquardt教授首先提出的一种具有中高压和大功率应用潜力的拓扑结构。与传统的电压源变换器相比，模块化多电平变换器具有低谐波、可扩展性和低开关损耗等特点。

系统的可靠运行是模块化多电平变换器是一个重要的指标，功率器件对变换器的可靠性起着重要的作用。模块化多电平变换器包含许多子模块，每个子模块包括多个功率器件。每个子模块中这些功率器件之间的功率损耗通常是不同的。另外，随着模块化多电平变换器的运行状态变化，子模块中的功率器件的功率损耗也会发生变化。功率器件的功率损耗会影响子模块中每个功率器件的性能，从而影响模块化多电平变换器整体的可靠性。

针对模块化多电平变换器子模块功率开关管的损耗优化控制问题，常规方法是通过改变变换器子模块的拓扑、优化调制策略、损耗和电容电压的多目标控制等方法来调节子模块的损耗，但是上述方法会增加硬件系统和算法的复杂度，影响电能的输出质量，增大系统的运行成本。

发明内容

本发明正是针对以上问题，提出一种新的模块化多电平变换器子模块的损耗优化控制方法，一方面保证不影响电能质量输出性能的前提下不增加系统的硬件系统和算法的复杂度，另一方面保证系统的成本不增加的前提下实现模块化多电平变换器的安全可靠运行。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提出一种基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，包括以下步骤：

(1)、以模块化多电平变换器子模块下开关和二极管损耗最小化为目标，根据给定的有功功率和无功功率，结合模块化多电平变换器的功率平衡关系和功角关系得到网侧电流i_a和直流测电流i_dc，根据环流数学模型得到桥臂电流的表达式；

(2)、在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到每种桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值；

(3)、选取每种桥臂电流下四个功率器件中损耗最大的值，构建各个桥臂电流情况下损耗最大值的数据集；

(4)、在数据集中寻找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，将对应的最优的二次环流注入到三相中，以实现降低子模块中损耗最大的功率器件的损耗。

进一步的，本发明所提出的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，步骤(1)中，模块化多电平变换器桥臂电流的获取，具体子步骤如下：

步骤101、忽略变换器的损耗，由变换器交直流有功功率相等法则，得到直流侧电流i_dc：

i_dc＝P/V_dc，

式中，P和V_dc分别为变换器传输的有功功率和变换器直流侧电压；

步骤102、根据网侧有功、无功、网侧交流电压幅值、功率因数之间的数学关系，得到网侧电流幅值I_m和功率因数角

式中，Q和E_m分别为变换器传输的无功功率和电网侧电压幅值；

步骤103、将A相桥臂的二次谐波环流i_2fa表示为：

i_2fa＝I_2msin(2ωt+θ)

式中，I_2m和θ分别为二次谐波环流的幅值和相位，ω为电网角频率，t为时间域里面的时刻；

进而得到A相上下桥臂电流：

式中，i_au和i_al分别为A相上、下桥臂电流，i_a为A相电流。

进一步的，本发明所提出的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，模块化多电平变换器的每个桥臂上包含了n个相同的子模块以及一个桥臂电感，子模块采用半桥结构，每个子模块由两个功率开关，两个二极管和一个直流电容组成。

进一步的，本发明所提出的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，模块化多电平变换器的电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂内需要投入的子模块个数为n_on，对子模块电容电压进行升序排序：当桥臂电流为正，投入电容电压最低的n_on个子模块，当桥臂电流为负，投入电容电压最高的n_on个子模块。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1、本发明通过向各个相中注入最优的二次谐波电流改变桥臂电流的形状，从而改变桥臂电流在同一个模块中四个功率器件中的分布，达到减小子模块中四个功率器件中损耗最大的那个功率器件的损耗值，进而达到提高模块化多电平变换器可靠性的目的。

2、相比于现有技术中利用冗余的子模块主动旁路加中性点偏移来调节子模块的损耗，仅限于带有并联晶闸管的子模块结构和不平衡电网条件下，本发明适用于任意拓扑和任意工况下的桥臂内子模块功率器件的损耗优化。

3、本发明可以在大多数运行工况下减小桥臂电流的峰值，这使得可以考虑采用额定电流较小的功率器件。本发明的子模块温度平衡算法不需要对硬件电路做任何改动，没有造成系统的硬件复杂性和系统成本的增加，同时，可以保证不影响电能质量输出性能的前提下实现模块化多电平变换器的安全可靠运行。

附图说明

图1是三相MMC及子模块拓扑结构图。

图2是本发明所提出的方法具体实施的流程图。

具体实施方式

为了进一步详细说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式进一步介绍该技术方案。

本发明提出一种基于模块化多电平换流器基于谐波环流注入的损耗优化控制方法，包括以下步骤：根据给定的有功功P和无功功Q,结合模块化多电平变换器交直流侧的功率平衡和环流数学模型得到桥臂电流的表达式，根据功率损耗计算法则得到各桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值，将各桥臂电流下四个功率器件中损耗最大的值找出来，构建各种桥臂电流情况下损耗最大值的数据集，在数据集中找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，将对应的最优的环流注入到三相中，从而可以降低子模块中损耗最大的功率器件的损耗。

本发明的具体步骤如下：

(1)以子模块中下开关和二极管损耗最小化为目标，根据给定的有功功率P和无功功率Q,结合模块化多电平变换器的功率平衡模型和环流数学模型得到网侧电流i_a和直流测电流i_dc，从而得到模块化多电平变换器的桥臂电流表达式；

(2)在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到各个桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值；

(3)找出各个桥臂电流下四个功率器件中损耗最大的值来构建各个桥臂电流情况下损耗最大值的数据集；

(4)在数据集中寻找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，从而可以降低子模块中损耗最大的功率器件的损耗值。

作为本发明的一种改进，所述步骤(1)上下桥臂电流，具体如下，由变换器交直流侧功率平衡，可以得到直流侧电流i_dc＝P/V_dc，根据网侧有功、无功、网侧交流电压幅值、功率因数之间的数学关系得到网侧电流幅值

A相桥臂的二次谐波环流可以表示为i_2fa＝I_2msin(2ωt+θ)，进而可以得到A相上下桥臂电流的表达式：

实施例1：

本发明针对子模块功率器件损耗分布不均问题，提出了适用于MMC的子模块功率器件损耗优化方法，其中MMC拓扑结构由六个桥臂组成，如图1所示，每个桥臂上包含了n个相同的子模块(Submodule，SM)以及一个桥臂电感L_s，子模块采用半桥结构，每个子模块由两个功率开关T₁、T₂，两个二极管D₁、D₂和一个直流电容组成，电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂内需要投入的子模块个数为n_on，对子模块电容电压进行升序排序，当桥臂电流为正，投入电容电压最低的n_on个子模块，当桥臂电流为负，投入电容电压最高的n_on个子模块。

如图2所示，本发明提出的一种模块化多电平换流器基于谐波环流注入的损耗优化控制方法，包括：利用功率平衡、网侧的功角和环流的数学模型得到的桥臂电流，根据损耗计算公式在二次环流注入的幅值和相位约束条件下一个模块中各个功率器件的损耗值，将每种桥臂电流下四个功率器件中损耗最大的值找出来，构建各个桥臂电流情况下损耗最大值的数据集，在数据集中找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，将对应的最优的环流注入到三相中，从而可以降低一个子模块中损耗最大的功率器件的损耗。

具体包括以下步骤：

(1)以模块化多电平变换器子模块中下开关和二极管损耗最小化为目标，根据图2中给定的有功功率P和无功功率Q,结合模块化多电平变换器功角关系得到网侧电流i_a：

其中

结合模块化多电平变换器的功率平衡关系得到直流测电流i_dc：

i_dc＝P/V_dc

根据环流数学模型得到桥臂电流的表达式:

式中i_2fa为二次环流其表达式为：

i_2fa＝I_2msin(2ωt+θ)

式中，I_2m和θ分别为二次环流的幅值和相位。

(2)在如图2的二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式

得到各个桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值，式中P_{T1_i}、P_{D1_i}、P_{T2_i}和P_{D2_i}分别为第i个子模块T₁、D₁、T₂和D₂的总损耗，P_{con_T1_i}、P_{con_D1_i}、P_{con_T2_i}和P_{con_D2_i}分别为第i个子模块T₁、D₁、T₂和D₂的导通损耗，其表达式为：

式中T为电网运行周期，i_t1、i_d1、i_t2和i_d2分别为子模块T₁、D₁、T₂和D₂的导通电流，S_aui是第i个子模块的开关函数，V_CE、R_CE、V_F和R_F分别为开关管的零电流通态压降、开关管的零电流通态电阻、二极管的零电流通态压降和二极管的零电流通态电阻，P_{off_T1_i}、P_{off_T1_i}、P_{rec_D1_i}、P_{off_T2_i}、P_{off_T2_i}和P_{rec_D2_i}分别为开关管T₁的开通损耗、开关管T₁的关断损耗、二极管D₁的反向恢复损耗、开关管T₂的开通损耗、开关管T₂的关断损耗、二极管D₂的反向恢复损耗，其表达式为：

式中，T_j是功率器件的结温，E_rec和E_on分别是二极管的反向恢复能量和开关管的开通能量，U_sm是子模块电容电压的平均值,U_ref器件手册中的测试电压，K_v电压系数，E_off是开关管的关断能量。

(3)根据图2中的方法找出各个桥臂电流下四个功率器件中损耗最大的值来构建各个桥臂电流情况下损耗最大值的数据集；

(4)根据图2中的方法在数据集中寻找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，从而可以降低子模块中损耗最大的功率器件的损耗值。

本发明尤其适用于MMC系统，与传统的损耗优化方法相比，一方面保证不影响电能质量输出性能的前提下不增加系统的硬件系统的复杂度，另一方面保证系统的成本不增加的前提下实现模块化多电平变换器的安全可靠运行。

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.基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)、以模块化多电平变换器子模块下开关和二极管损耗最小化为目标，根据给定的有功功率和无功功率，结合模块化多电平变换器的功率平衡关系和功角关系得到网侧电流i_a和直流测电流i_dc，根据环流数学模型得到桥臂电流的表达式；

(2)、在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到每种桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值；

(3)、选取每种桥臂电流下四个功率器件中损耗最大的值，构建各个桥臂电流情况下损耗最大值的数据集；

(4)、在数据集中寻找一个最小的损耗值，选取这个损耗值对应的二次谐波幅值和相位为最优的二次环流的幅值和相位，将对应的最优的二次环流注入到三相中，以实现降低子模块中损耗最大的功率器件的损耗。

2.根据权利要求1所述的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，步骤(1)中，模块化多电平变换器桥臂电流的获取，具体子步骤如下：

步骤101、由变换器交直流有功功率相等法则，得到直流侧电流i_dc：

i_dc＝P/V_dc，

式中，P和V_dc分别为变换器传输的有功功率和变换器直流侧电压；

步骤102、根据网侧有功、无功、网侧交流电压幅值、功率因数之间的数学关系，得到网侧电流幅值I_m和功率因数角

式中，Q和E_m分别为变换器传输的无功功率和电网侧电压幅值；

步骤103、将A相桥臂的二次谐波环流i_2fa表示为：

i_2fa＝I_2m sin(2ωt+θ)

式中，I_2m和θ分别为二次谐波环流的幅值和相位，ω为电网角频率，t为时间域里面的时刻；

进而得到A相上下桥臂电流：

式中，i_au和i_al分别为A相上、下桥臂电流，i_a为A相电流。

3.根据权利要求1所述的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，模块化多电平变换器的每个桥臂上包含了n个相同的子模块以及一个桥臂电感，子模块采用半桥结构，每个子模块由两个功率开关，两个二极管和一个直流电容组成。

4.根据权利要求3所述的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，模块化多电平变换器的电容电压平衡方法为：根据桥臂参考电压与载波比较得到一个桥臂内需要投入的子模块个数为n_on，对子模块电容电压进行升序排序：当桥臂电流为正，投入电容电压最低的n_on个子模块，当桥臂电流为负，投入电容电压最高的n_on个子模块。

5.根据权利要求1所述的基于谐波环流注入的模块化多电平变换器损耗优化控制方法，其特征在于，步骤(2)中，在二次环流注入的幅值和相位的约束条件下，根据功率损耗公式得到各个桥臂电流下子模块中四个功率器件的不同的损耗值，功率损耗公式为：

式中P_{T1_i}、P_{D1_i}、P_{T2_i}和P_{D2_i}分别为第i个子模块第一功率开关T₁、第一二极管D₁、第二功率开关T₂和第二二极管D₂的总损耗，P_{con_T1_i}、P_{con_D1_i}、P_{con_T2_i}和P_{con_D2_i}分别为第i个子模块T₁、D₁、T₂和D₂的导通损耗，其表达式为：

式中T为电网运行周期，i_t1、i_d1、i_t2和i_d2分别为子模块T₁、D₁、T₂和D₂的导通电流，S_aui是第i个子模块的开关函数，V_CE、R_CE、V_F和R_F分别为开关管的零电流通态压降、开关管的零电流通态电阻、二极管的零电流通态压降和二极管的零电流通态电阻，P_{off_T1_i}、P_{off_T1_i}、P_{rec_D1_i}、P_{off_T2_i}、P_{off_T2_i}和P_{rec_D2_i}分别为开关管T₁的开通损耗、开关管T₁的关断损耗、二极管D₁的反向恢复损耗、开关管T₂的开通损耗、开关管T₂的关断损耗、二极管D₂的反向恢复损耗，其表达式为：

式中，T_j是功率器件的结温，E_rec和E_on分别是二极管的反向恢复能量和开关管的开通能量，U_sm是子模块电容电压的平均值,U_ref器件手册中的测试电压，K_v电压系数，E_off是开关管的关断能量。

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