CN113258803B

CN113258803B - 一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统、方法

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Publication number: CN113258803B
Application number: CN202110467691.6A
Authority: CN
Inventors: 房传良; 陈国初
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2021-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2023-03-28
Anticipated expiration: 2041-04-28
Also published as: CN113258803A

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统、方法，用于模块化多电平变流器任意一桥臂的控制，系统包括：能量均分控制模块：用于桥臂中各子模块能量的均匀分配，能量均分控制模块进行能量均匀分配后输出电容能量平均控制调节量；电压均衡控制模块：用于控制桥臂中各子模块的电容电压跟随其参考值，电压均衡控制模块输出电容电压平衡控制调节量；调制波生成模块：用于基于电容能量平均控制调节量、电容电压平衡控制调节量产生调制波；CPS‑SPWM调制模块：进行CPS‑SPWM调制生成桥臂中各子模块功率器件的开关信号，控制各子模块的投入与切除。与现有技术相比，本发明实现子模块电容电压的均衡控制，控制效果好。

Description

一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统、方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制方法。

背景技术

模块化多电平变流器于2001年被R.Marquardt教授首次提出，可以用于大功率的高压直流输电领域，还可应用于光伏发电、风力发电等可再生能源领域。根据 MMC拓扑结构的特点，每个MMC子模块都有独立电容，子模块电容电压的均衡稳定是MMC系统安全可靠运行的前提条件，进行子模块电容电压均衡控制的主要目的是更好地支撑直流电压、保证交流侧电压输出的波形质量、保证各功率半导体器件承受相同的应力和减小相间环流，因此，必须对子模块电容电压进行均衡控制。

MMC子模块电容电压均衡控制策略目前主要分为两种：一是通过在子模块外部增加辅助均压回路，通过改变拓扑结构使子模块在投切过程中自发保持均衡，也就是拓扑均压法，该方法通过改变子模块电容间相互独立的特性，在不依赖外加均压控制的同时，可自发实现电容电压均衡，非常适用于高压大容量电力传输领域；二是通过自身的控制算法实现电容电压均衡控制。MMC均压控制策略一般与脉冲调制策略相配合，目前较为常用的调制策略有脉宽调制技术(PWM)、载波移相技术(CPS-SPWM)和最近电平逼近调制技术(NLC)等。对于传统的两、三电平电压源换流器(VSC)多采用PWM调制技术，CPS-SPWM和NLC较适用于电平数较多的应用场合。当采用NLC调制技术时，该调制策略能够确定投入子模块的数目，而具体投入哪几个子模块需要根据均压控制策略决定。目前大多数文献采用基于子模块电容电压排序的均压控制策略，传统基于排序法的均压控制流程图如附图中图1所示。该方法将各个时刻的所有子模块电容电压大小进行排序，根据桥臂电流的方向来确定各子模块的投切状态；当采用CPS-SPWM调制技术时，各子模块开关频率相同并且是确定的，能够以较低的开关频率来降低开关损耗且以较高的等效开关频率来有效地消除低次谐波。而且采用CPS-SPWM方法时，各子模块的工作状态基本一致，电容电压理论上是平衡的。实际中，主电路元器件存在非理想特性，控制环节的延时所导致的驱动信号不同步等因素将会使电容电压出现不平衡现象。目前大多数学者的做法是采用不同的电容电压控制策略，对桥臂环流、调制波、触发脉冲的产生等不同指标进行控制，从而达到实现电容电压平衡控制的目的。

目前，MMC子模块电容电压平衡控制方法有很多，但不同的方法会带来不同的问题：①当采用改进的拓扑进行均压控制时，由于不同的拓扑对应不同的控制策略，所以采用新拓扑时需要对传统控制策略进行对应地修改，修改过程相对复杂且无其他文献参考；②当采用以NLC为调制技术的均压控制策略时，此种基于完全排序的电容电压均衡方法，以桥臂为单位控制子模块的投切状态，但因为没有约束条件，使得每个控制周期都会对电容电压重新排序，在桥臂间子模块电压偏差不大、子模块数目并没有变化时，排序结果的变化会导致触发脉冲的调整，IGBT的反复投切增大了换流阀的开关损耗，并且该方法没有考虑相间环流的影响，控制效果相对较差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统、方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统，用于模块化多电平变流器任意一桥臂的控制，该系统包括：

能量均分控制模块：用于桥臂中各子模块能量的均匀分配，所述的能量均分控制模块进行能量均匀分配后输出电容能量平均控制调节量；

电压均衡控制模块：用于控制桥臂中各子模块的电容电压跟随其参考值，所述的电压均衡控制模块输出电容电压平衡控制调节量；

调制波生成模块：用于基于电容能量平均控制调节量、电容电压平衡控制调节量产生调制波；

CPS-SPWM调制模块：基于调制波进行CPS-SPWM调制生成桥臂中各子模块功率器件的开关信号，进而基于开关信号控制各子模块的投入与切除。

优选地，所述的能量均分控制模块包括：

能量均分控制器：所述的能量均分控制器输入为U_Cref与U_Cav的差值，所述的能量均分控制器输出为环流电流参考值I_{cir_ref}，其中，U_Cref为子模块电容电压参考值，U_Cav为当前桥臂所在相中所有子模块电容电压的均值；

环流控制器：所述的环流控制器输入为I_{cir_ref}与i_cir的差值，输出为电容能量平均控制调节量U′，其中i_cir为环流电流实际值。

优选地，所述的能量均分控制器包括PI控制器。

优选地，所述的环流控制器包括PI控制器。

优选地，环流电流实际值i_cir通过下式得到；

其中，i_px为当前桥臂所在相中上桥臂电流，i_nx为当前桥臂所在相中下桥臂电流。

优选地，所述的电压均衡控制模块包括：

电压差值计算单元：用于获取当前桥臂中各子模块电容电压实际值与电容电压参考值之间的跟踪误差；

累加器：用于累加当前桥臂所有子模块电容电压跟踪误差；

电压均衡控制器：用于根据电压跟踪误差累计值确定电容电压平衡控制调节量U″。

优选地，电压均衡控制器包括：

比例调节器：用于对电压跟踪误差累计值进行比例调节得到电压调节量初始值U_T；

极性调器：用于根据桥臂电流大小对电压调节初始值U_T极性进行调节得到电容电压平衡控制调节量U″。

优选地，极性调器调节极性的方式为：若当前桥臂电流大于0，则U″＝U_T，否则U″＝-U_T。

优选地，调制波生成模块产生调制波的方式为：

U_s＝U_ref+U_sin

其中，U_s为调制波，U_sin为单位正弦波，U_ref电容电压均衡控制量，U′电容能量平均控制调节量，U″为电容电压平衡控制调节量，U_d为变流器直流母线电压。

一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制方法，该方法基于所述的模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统进行多电平变流器任意一桥臂的控制。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明方法能够有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围内，不仅能够实现MMC的多电平电压输出，还能实现子模块电容电压的均衡控制。

(2)本发明方法考虑了相间环流的对子模块电容电压平衡的影响，通过加入环流控制单元改善相间环流造成的影响，有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围内，不仅能够实现MMC的多电平电压输出，还能实现子模块电容电压的均衡控制。

附图说明

图1为传统基于排序法的均压控制流程图；

图2为模块化多电平变流器的拓扑结构示意图；

图3为模块化多电平变流器中子模块的拓扑结构示意图；

图4为本发明一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

本发明引入多电平技术，多电平技术具有很多优点：(1)模块化级联结构设计。MMC各子模块采用一致的拓扑结构和电力电子器件，可根据电压等级、传输容量、故障冗余等需求灵活配置子模块数量。(2)交流输出波形质量高。MMC采用大量的级联子模块，其输出电平数随着子模块数量的增加而增加。当输出电平数大于或等于21时，MMC所输出的电压阶梯波已近似正弦波，各次谐波含量较低，已满足相关标准要求。因此，MMC交流侧不需要安装额外的滤波器，减少了一定的成本。(3)开关损耗低。传统两、三电平拓扑开关器件的开关频率在1kHz以上，而 MMC考虑到优化后的电压均衡控制和其他一些控制因素后，其开关器件的开关频率通常不超过300Hz，所以MMC开关损耗较低。在换流器损耗方面，MMC为1％左右，已接近传统直流输电换流器的损耗水平。(4)故障处理能力强。MMC每个桥臂上存在一定数量的冗余子模块，冗余子模块可替换故障子模块，且替换过程无需停电。除此之外，MMC公共直流侧没有高压电容器，并且桥臂上的电感与分布式电容串联，可以限制内、外部故障下的电流上升率，有利于故障清除。

I、总体设计思路

本发明所提出的MMC控制方法采用载波移相调制策略(CPS-SPWM)的思想，针对MMC的电容电压均衡问题，通过电容能量均分控制和电压平衡控制两部分控制，改善了子模块电容电压稳定性。该调制策略不仅能够实现MMC的多电平输出，还能实现子模块的电容电压平衡。

根据MMC的拓扑结构可知：a、b、c三相对称，故以下均以a相上桥臂为例进行单相分析。

Ⅱ、MMC拓扑结构介绍

图2为MMC的拓扑结构，它由6个桥臂构成，其中每个桥臂由若干个相互连接且结构相同的子模块(SM)与一个电抗器L串联构成，上下2个桥臂构成一个相单元。根据MMC的模块化设计，6个桥臂具有对称性，各子模块的电气参数和各桥臂电抗值都是相同的。MMC的子模块由一个作为开关单元的IGBT半桥和一个直流储能电容构成，如图3所示，该子模块为半桥子模块(HBSM)结构。每个子模块都是两端元件，通过2个开关单V₁和V₂的作用，U_SM可以同时在2种电流方向的情况下进行电容电压U_C与0之间的切换。

Ⅲ、触发脉冲生成

在生成触发脉冲的同时，还需要考虑MMC电容电压的平衡问题，可将电容电压平衡控制分为两个部分：能量均分控制部分和电压均衡控制部分，触发脉冲的生成由这两部分共同作用所产生。

(1)能量均分控制：该部分的作用是使各子模块能量分配均匀。电压外环采用PI调节器，使被控相单元中2N个子模块的平均电容电压值跟随电容电压参考值的变化，PI调节器的输出作为环流电流指令信号；电流内环也采用PI控制器，控制环流跟踪给定环流参考值的变化，环流电流指令信号与环流计算值比较后送入 PI控制器，其输出作为电容能量平均控制调节量。

其具体方法为：通过给定单个子模块电容电压的参考值U_cref和该相所有子模块电容电压的平均值U_Cav进行比较后，通过PI控制，得到环流电流指令信号i_{cir_ref}，该指令信号与通过式(1)得到的环流计算值相比较后，再采用PI控制得到电容能量平均控制调节量U′。式(1)中，i_pa为a相上桥臂电流，i_na为a相下桥臂电流。

(2)电压均衡控制：该部分的作用是使桥臂上每个子模块的电容电压跟随其参考值。具体方法为：将上桥臂每个子模块的实际电容电压值U_caj与给定的单个子模块电容电压参考值U_Cref比较后，送入比例调节器，得到电容电压平衡控制调节量U”。由于电容电压平衡控制是根据上、下桥臂电流方向来调节的，所以U”的极性也由i_pa和i_na来决定。当U_Cref≥U_Caj，换流器应该从直流侧来获取能量为桥臂上的电容充电，如果i_a1>0，则U”为正值，这样就与i_a1合成正的功率流向换流器；如果i_a1<0，U”就为负值，这样与i_a1合成为流向换流器方向的功率。相反，当U_Cref< U_Caj，换流器为直流侧提供能量，上桥臂的电容放电，如果i_a1>0，U”为负值，它们合成的功率流向直流侧；当i_a1<0时，U”为正值，它们合成的功率也是流向直流侧。

将所得的电容能量平均控制调节量U'与电压平衡控制调节量U”叠加，用此结果除以U_d/2得到电容电压平衡控制量U_ref，该控制量U_ref与单位正弦信号叠加后生成参与载波移相调制策略的调制波，该调制波与N组移相的载波比较后分别驱动上桥臂N个子模块功率器件，决定他们的投入、切除状态。(下桥臂的驱动方法同上桥臂相同)将投入的子模块输出电压叠加，得到MMC的桥臂PWM输出电压波形。

综上，如图4所示，本实施例提供一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统，用于模块化多电平变流器任意一桥臂的控制，该系统包括：

能量均分控制模块：用于桥臂中各子模块能量的均匀分配，能量均分控制模块进行能量均匀分配后输出电容能量平均控制调节量；

电压均衡控制模块：用于控制桥臂中各子模块的电容电压跟随其参考值，电压均衡控制模块输出电容电压平衡控制调节量；

能量均分控制模块包括：

能量均分控制器：能量均分控制器输入为U_Cref与U_Cav的差值，能量均分控制器输出为环流电流参考值I_{cir_ref}，其中，U_Cref为子模块电容电压参考值，U_Cav为当前桥臂所在相中所有子模块电容电压的均值；

环流控制器：环流控制器输入为I_{cir_ref}与i_cir的差值，输出为电容能量平均控制调节量U′，其中i_cir为环流电流实际值。

能量均分控制器包括PI控制器，环流控制器包括PI控制器。

环流电流实际值i_cir通过下式得到；

电压均衡控制模块包括：

累加器：用于累加当前桥臂所有子模块电容电压跟踪误差；

电压均衡控制器包括：

极性调器调节极性的方式为：若当前桥臂电流大于0，则U″＝U_T，否则 U″＝-U_T。

调制波生成模块产生调制波的方式为：

U_s＝U_ref+U_sin

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此外，本实施例还提供一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制方法，该方法基于模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统进行多电平变流器任意一桥臂的控制。

本发明该方法能够有效确保各子模块电容电压处于相同的动态变化范围内，不仅能够实现MMC的多电平电压输出，还能实现子模块电容电压的均衡控制。加入了环流抑制控制部分，解决了相间环流对子模块电容电压不平衡的影响问题；同时在现有MMC子模块均压控制策略的基础上，在控制过程中加入了单位正弦信号值，该正弦信号值与经过控制策略得到的单位电容电压波动量叠加后得到 CPS-SPWM的调制信号Us，以此驱动各子模块的通断。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims

1.一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统，用于模块化多电平变流器任意一桥臂的控制，其特征在于，该系统包括：

CPS-SPWM调制模块：基于调制波进行CPS-SPWM调制生成桥臂中各子模块功率器件的开关信号，进而基于开关信号控制各子模块的投入与切除；

电压均衡控制器包括：

极性调器：用于根据桥臂电流大小对电压调节初始值U_T极性进行调节得到电容电压平衡控制调节量U″；

极性调器调节极性的方式为：若当前桥臂电流大于0，则U″＝U_T，否则U″＝-U_T；

所述的能量均分控制模块包括：

环流控制器：所述的环流控制器输入为I_{cir_ref}与i_cir的差值，输出为电容能量平均控制调节量U′，其中i_cir为环流电流实际值；

所述的能量均分控制器包括PI控制器；

所述的环流控制器包括PI控制器；

环流电流实际值i_cir通过下式得到：

其中，i_px为当前桥臂所在相中上桥臂电流，i_nx为当前桥臂所在相中下桥臂电流；

所述的电压均衡控制模块包括：

累加器：用于累加当前桥臂所有子模块电容电压跟踪误差；

电压均衡控制器：用于根据电压跟踪误差累计值确定电容电压平衡控制调节量U″；

调制波生成模块产生调制波的方式为：

U_s＝U_ref+U_sin

2.一种模块化多电平变流器的电容电压均衡控制方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的模块化多电平变流器的电容电压均衡控制系统进行多电平变流器任意一桥臂的控制。