CN113300626A - 一种模块化多电平变换器的控制方法和装置 - Google Patents

一种模块化多电平变换器的控制方法和装置 Download PDF

Info

Publication number
CN113300626A
CN113300626A CN202110502828.7A CN202110502828A CN113300626A CN 113300626 A CN113300626 A CN 113300626A CN 202110502828 A CN202110502828 A CN 202110502828A CN 113300626 A CN113300626 A CN 113300626A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sub
bridge arm
module
seq
modules
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110502828.7A
Other languages
English (en)
Inventor
陈宇
童炉鹏
郑耿哲
康勇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huazhong University of Science and Technology
Original Assignee
Huazhong University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huazhong University of Science and Technology filed Critical Huazhong University of Science and Technology
Priority to CN202110502828.7A priority Critical patent/CN113300626A/zh
Publication of CN113300626A publication Critical patent/CN113300626A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H02M7/53871—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current
    • H02M7/53873—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration with automatic control of output voltage or current with digital control
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变换器的控制方法和装置，属于电力电子技术领域，所述方法包括：对桥臂上的所有子模块按顺序进行标号；测量各个子模块的电容电压和桥臂电流；经同步信号触发后将所有电容电压转换为脉冲宽度可变的方波信号；方波信号的脉冲宽度与电容电压成正比或反比；按照方波信号的上升沿或下降沿到达的时间先后顺序记录子模块的标号得到标号序列Qseq；基于桥臂电流的方向按照Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。本发明实现子模块电容电压的准确测量和传输，同时在子模块电容电压均衡控制的过程中避免了软件排序算法的使用，减轻了控制系统的负担。

Description

一种模块化多电平变换器的控制方法和装置
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种模块化多电平变换器的控制方法和装置。
背景技术
模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)凭借其模块化、易拓展和输出波形质量高等优点，在柔性直流输电、中高压交流传动、大规模可再生能源并网和固态变压器等领域得到了越来越广泛的研究和应用。MMC的每个桥臂都由一系列的子模块模块串联构成，因此MMC可以将多个子模块较低的输出电压进行组合和叠加，实现高压的多电平输出，能够有效地降低子模块中开关器件的电压应力。
目前，MMC子模块电容电压的均衡控制方法主要分为两类。第一类是基于硬件电路箝位的方法，这类方法控制复杂度较低，但是额外引入了较多的电路元件，尤其是子模块数目较多时，会大大增加变换器的硬件成本，而且不利于冗余控制，因此仅局限于低压小功率应用。第二类是基于软件控制的电容电压均衡方法，分为分布式控制和集中式控制均压方法两种。其中分布式控制均压方法考虑到实现的复杂度，该方法也只适用于子模块数量较少的情况，且额外引入的脉宽补偿量会影响输出波形的质量；与分布式控制均压不同，集中式控制均压方法的复杂度与子模块数量具有较强的耦合关系，当子模块数量增加到数百乃至上千个时，排序算法所消耗的时间和占用的空间资源也给控制系统造成了繁重的负担，限制了MMC的进一步高频、高压化。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种模块化多电平变换器的控制方法和装置，其目的在于实现子模块电容电压的准确测量和传输，同时在子模块电容电压均衡控制的过程中避免软件排序算法的使用，减轻控制系统的负担。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种模块化多电平变换器的控制方法，包括：
S1：对桥臂上的所有子模块按顺序进行标号；
S2：对各个所述子模块的电容电压进行测量，得到各个所述子模块对应的电容电压；对所述子模块所在桥臂上的电流进行测量得到桥臂电流；其中，所述桥臂电流的正方向为投入子模块的充电方向；所述桥臂电流的负方向为投入子模块的放电方向；
S3：经同步信号触发后将所有所述子模块的电容电压转换为一组脉冲宽度可变的方波信号；所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块的电容电压成正比或反比；
S4：按照所述方波信号的上升沿或下降沿到达的时间先后顺序，记录各个所述方波信号对应的子模块标号，得到标号序列Qseq；
S5：基于所述桥臂电流的方向，按照所述标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个所述子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制；
其中，所述桥臂电流的正方向为投入子模块的充电方向；所述桥臂电流的负方向为投入子模块的放电方向。
在其中一个实施例中，所述S4包括：
S41：若所述方波信号上升沿同步，则根据所述方波信号下降沿到达的时间先后顺序记录对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq；
S42：若所述方波信号下降沿同步，则根据所述方波信号上升沿到达的时间先后顺序记录对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq。
在其中一个实施例中，所述S5包括：
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压升序排列后对应子模块标号的排列；在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行第一分配策略，当所述桥臂电流为负方向时执行第二分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压降序排列后对应子模块标号的排列；在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行所述第二分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行所述第一分配策略；
其中，所述第一分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列首第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列首第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号；
所述第二分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列尾第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列尾第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号。
在其中一个实施例中，所述S5之前，所述方法还包括：利用载波移相调制算法、载波层叠调制算法或最近电平调制算法生成所述驱动信号队列Qd。
在其中一个实施例中，当利用最近电平调制算法生成所述驱动信号队列Qd时，所述驱动信号队列Qd包含Ninsert个子模块投入信号，剩余则为子模块切除信号；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流为正方向时执行第三分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行第四分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流为正方向时执行所述第四分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行所述第三分配策略；
其中，所述第三分配策略为将所述驱动信号队列Qd中Ninsert个子模块投入信号分配给所述序列Qseq的前Ninsert个标号对应的子模块，剩余的子模块切除信号分配给所述序列Qseq中其余标号对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号；
所述第四分配策略将所述驱动信号队列Qd中Ninsert个子模块投入信号分配给所述序列Qseq的后Ninsert个标号对应的子模块，剩余的子模块切除信号则分配给所述序列Qseq中其余标号对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号。
在其中一个实施例中，当根据载波移相或载波层叠调制算法生成所述驱动信号队列Qd时，计算所述驱动信号队列Qd中各驱动信号需要子模块投入的时间；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流的方向为正时执行第五分配策略；当所述桥臂电流的方向为负时执行第六分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流的方向为正时执行所述第六分配策略；当所述桥臂电流的方向为负时执行所述第五分配策略；
所述第五分配策略为按照子模块投入时间由长到短的顺序，将所述驱动信号队列Qd中对应的驱动信号依次分配给所述序列Qseq中从列首到列尾所对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号；
所述第六分配策略为按照子模块投入时间由短到长的顺序，将所述驱动信号队列Qd中对应的驱动信号依次分配给所述序列Qseq中从列首到列尾所对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号。
按照本发明的另一方面，提供了一种模块化多电平变换器的控制系统，其特征在于，包括：
多个电压测量模块，分别与桥臂上各个子模块中的电容并联，用于测量每个所述子模块对应的电容电压；
多个电压脉冲转换模块，分别与所述多个电压测量模块一一连接，用于经同步信号触发后将所述子模块电容的电压转化为脉冲宽度可变的方波信号；所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块的电容电压成正比或反比；
桥臂电流测量模块，串联在所述子模块所在桥臂上，用于检测所述子模块所在桥臂的电流，得到桥臂电流；其中，所述桥臂电流的正方向为投入子模块的充电方向；所述桥臂电流的负方向为投入子模块的放电方向；
控制模块，与所述多个电压脉冲转换模块和所述桥臂电流测量模块连接，用于接收所述方波信号和所述桥臂电流，还用于在所述方波信号的上升沿或下降沿到达前后，按顺序记录对应子模块的标号得到标号序列Qseq；：基于所述桥臂电流的方向，按照所述标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个所述子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。
在其中一个实施例中，所述控制模块包括：
信号接收单元，用于接收所述桥臂电流和所述方波信号；若所述方波信号上升沿同步，则根据所述方波信号下降沿到达的时间先后顺序记录其对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq；若所述方波信号下降沿同步，则根据所述方波信号上升沿到达的时间先后顺序记录其对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq；
驱动信号分配单元，与所述信号接收单元连接，其功能在于：基于所述桥臂电流的方向，按照所述标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个所述子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。
在其中一个实施例中，当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压升序排列后对应子模块标号的排列；所述驱动信号分配单元用于在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行第一分配策略，当所述桥臂电流为负方向时执行第二分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压降序排列后对应子模块标号的排列；所述驱动信号分配单元用于在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行所述第二分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行所述第一分配策略；
其中，所述第一分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列首第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列首第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号；
所述第二分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列尾第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列尾第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号。
在其中一个实施例中，所述桥臂上的子模块包括：半桥子模块、全桥子模块和带箝位的双半桥子模块中的一种或多种。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的控制方法，通过将所有子模块的电容电压转换为一组脉冲宽度可变的方波信号；再按照方波信号的上升沿或下降沿到达的时间先后顺序，记录子模块的标号得到标号序列Qseq；最后基于桥臂电流的方向按照标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。该方法避免了软件排序算法的使用，复杂度低，适用性强，实现简单且均压效果好。
(2)本发明仅需对所述方波信号的脉冲宽度进行计算即可衡量对应子模块电容电压的大小。本发明将子模块电容电压转化为可变脉冲宽度的方波进行传输，可靠性高，通信复杂度低。
(3)考虑到所述标号序列Qseq与软件排序算法的结果相等价。因此本发明在保留自身优点的同时，还可与各种基于排序算法的子模块电容电压均衡控制方法相结合，适用性强。
附图说明
图1为三相模块化多电平变换器电路结构示意图；
图2为本发明实施例的半桥子模块电路结构示意图；
图3为本发明的子模块电容电压测量与转换系统示意图；
图4为本发明的子模块电容电压均衡控制方法流程示意图；
图5(a)为本发明实施例中桥臂电流为正时所述驱动信号分配示意图；
图5(b)为本发明实施例中桥臂电流为负时所述驱动信号分配示意图；
图6为本发明实施例中采用最近电平调制时所述驱动信号分配单元的驱动信号分配流程图；
图7为本发明实施例中同步信号和电压脉冲转换模块输出方波信号的波形图；
图8为最近电平调制下采用本发明方法的桥臂子模块电容电压波形图；
图9为本发明实施例中采用载波层叠调制时所述驱动信号分配单元的驱动信号分配流程图；
图10为载波层叠调制下采用本发明方法的桥臂子模块电容电压波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1为本发明实施例中所涉及的三相模块化多电平变换器电路结构示意图，一共包含六个桥臂，每个桥臂由N个子模块和桥臂电感Larm串联而成。N个子模块可以是半桥子模块、全桥子模块以及带箝位的双半桥子模块等，也可以由它们混合组成，在本发明实施例中，采用如图2所示的半桥子模块。
参考图3，本发明所提出的一种子模块电容电压测量与转换系统，包括：多个电压测量模块、多个电压脉冲转换模块、一个桥臂电流测量模块以及至少一个控制模块。其中，所述多个电压测量模块分别连接至桥臂上每个子模块电容的两端，用于测量每个子模块电容电压；所述多个电压脉冲转换模块分别与所述多个电压测量模块一一连接，经同步信号触发后，将所测得的子模块电容电压信号同步转化为脉冲宽度可变的方波信号s1，s2，…，sN；所述桥臂电流测量模块检测所述子模块所在桥臂的电流，得到桥臂电流并传输至所述控制模块；所述控制模块与所述多个电压脉冲转换模块和所述桥臂电流测量模块相连，接收所述脉冲宽度可变的方波信号s1，s2，…，sN和所述桥臂电流，进一步用于子模块电容电压的均衡控制。
进一步地，所述电压测量模块的数目与桥臂上子模块的数目相同；所述电压脉冲转换模块的数目与电压测量模块的数目相同。因此，MMC任一桥臂的子模块电容电压测量与转换系统中电压测量模块与电压脉冲转换模块的数目均为N。
进一步地，当MMC桥臂子模块数N较小时，所述子模块电容电压测量与转换系统中仅需一个控制模块，以避免多个控制模块之间的协调通信问题；当MMC桥臂子模块数N较大时，单个控制模块的软、硬件资源均难以满足所述子模块电容电压测量与转换系统的要求，可将N个子模块等分为若干个子模块数较小的子模块组，每个子模块组由一个控制模块负责，组成多个控制模块分布式控制的子模块电容电压测量与转换系统。在本实施例中，所述子模块电容电压测量与转换系统中仅包含一个控制模块。
进一步地，所述控制模块包括信号接收单元和驱动信号分配单元。
优选地，所述同步信号可以是一个来自外部电路的周期性短脉冲波。
优选地，所述同步信号也可以是由所述控制模块发出的一个周期性短脉冲波。此时，所述同步信号可以通过单独的光纤传输至所述N个电压脉冲转换模块，也可以与桥臂子模块的驱动信号进行逻辑运算后得到复用驱动信号，再通过驱动信号光纤进行传输，从而减少通信光纤的数量。
优选地，所述同步信号与桥臂子模块的驱动信号进行逻辑运算得到复用驱动信号时，所述同步信号的脉冲宽度应当远小于MMC开关周期，以避免对原始驱动信号造成较大影响。
优选地，所述同步信号的周期与MMC的开关周期之比m应当为正整数。
进一步地，所述脉冲宽度可变的方波信号可以是高电平有效，此时所述同步信号触发后，所述方波信号上升沿同步；也可以是低电平有效，此时所述同步信号触发后，所述方波信号下降沿同步。
参考图4，本发明提供了一种模块化多电平变换器的控制方法，包括以下步骤：
(1)对桥臂上的N个子模块按顺序进行标号；
(2)所述N个电压测量模块对桥臂上每个子模块电容的电压进行测量，得到N个子模块电容电压。所述桥臂电流测量模块对所述子模块所在桥臂的电流进行测量，得到桥臂电流iarm；
(3)当所述同步信号的触发时，所述N个电压脉冲转换模块同时对N个子模块电容电压进行转换，转换得到一组脉冲宽度可变的方波信号s1，s2，…，sN，其脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正/或反比例关系；
(4)所述控制模块中的信号接收单元接收所述桥臂电流iarm和所述方波信号s1，s2，…，sN。若所述方波信号上升沿同步，则所述信号接收单元根据所述方波信号下降沿到达的时间先后顺序，记录其对应子模块的标号，得到一组序列Qseq；若所述方波信号下降沿同步，则所述信号接收单元根据所述方波信号上升沿到达的时间先后顺序，记录其对应子模块的标号，得到一组序列Qseq；
(5)所述控制模块根据调制算法生成一个驱动信号队列Qd，进而所述驱动信号分配单元根据所述桥臂电流iarm的方向和所述序列Qseq，将所述驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各子模块，从而实现均压控制。
进一步地，所述序列Qseq中的元素依次为q1，q2，…，qN(0≤q1，q2，…，qN≤N，且q1，q2，…，qN互不相等)，当步骤(3)中所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正/反比例关系，所述序列Qseq中的元素q1，q2，…，qN即为桥臂上各子模块电容电压升/降序排列后对应的子模块标号。
参考图5(a)和5(b)，所述驱动信号分配单元的驱动信号分配方法包括：
首先，将所述驱动信号队列Qd中的驱动信号标记为GD1，GD2，…，GDN，其中GD1，GD2，…，GDN对应的子模块投入时间为tGD1≤tGD2…≤tGDN。
然后，根据所述序列Qseq，在一个控制周期中，当所述桥臂电流iarm的方向为正时，所述驱动信号分配单元将所述驱动信号GDN分配给标号为q1的子模块，将所述驱动信号GDN-1分配给标号为q2的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配；当所述桥臂电流iarm的方向为负时，所述驱动信号分配单元将所述驱动信号GDN分配给标号为qN的子模块，将所述驱动信号GDN-1分配给标号为qN-1的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配。其中，正方向为投入子模块的充电方向；负方向为投入子模块的放电方向。
进一步地，所述调制算法包括但不限于载波移相调制、载波层叠调制或是最近电平调制等算法。
进一步地，当步骤(3)中所述方波信号s1，s2，…，sN的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系，且步骤(5)中所述调制算法采用最近电平调制算法时，所述驱动信号分配单元的驱动信号分配流程图如图6所示，具体步骤包括：
首先，根据最近电平调制算法生成所述驱动信号队列Qd，所述驱动信号队列Qd由Ninsert个投入信号和(N-Ninsert)个切除信号组成(0≤Ninsert≤N)，Ninsert个投入信号对应的子模块投入时间最长，均为一个控制周期，(N-Ninsert)个切除信号最短，均为零；
然后，由于步骤(3)中所述方波信号s1，s2，…，sN的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系，因此所述序列Qseq中的元素q1，q2，…，qN即为桥臂上各子模块电容电压升序排列后对应子模块的标号。当所述桥臂电流iarm的方向为正时，所述驱动信号分配单元将所述驱动信号队列Qd中Ninsert个投入信号分配给所述序列Qseq的前Ninsert个标号对应的子模块，所述驱动信号队列Qd中(N-Ninsert)个切除信号则分配给其余标号对应的子模块，得到桥臂驱动信号Garm；当所述桥臂电流iarm的方向为负时，所述驱动信号分配单元将所述驱动信号队列Qd中Ninsert个投入信号分配给所述序列Qseq的后Ninsert个标号对应的子模块，所述驱动信号队列Qd中(N-Ninsert)个切除信号则分配给其余标号对应的子模块，得到桥臂驱动信号Garm。
当所述方波信号s1，s2，…，sN的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，采用最近电平调制，基于如下仿真参数：直流侧电压VDC＝400V，桥臂子模块数目N＝5，子模块电容CSM＝2mF，桥臂电感Larm＝5mH，输出负载电感Lo＝20mH，负载电阻Ro＝100Ω，开关频率fs＝1000Hz，同步信号来自外部电路，其周期与MMC的开关周期之比m＝1，同步信号和电压脉冲转换模块输出的方波信号如图7所示，MMC桥臂子模块电容电压波形如图8所示，可见均压效果良好。
进一步地，当步骤(3)中所述方波信号s1，s2，…，sN的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系，且步骤(5)中所述调制算法采用载波层叠调制算法时，所述驱动信号分配单元的驱动信号分配流程图如图9所示，具体步骤包括：：
首先，将载波信号从高到低依次标记为CW1，CW2，…，CWN，由分析可知，所述载波信号CW1，CW2，…，CWN需要子模块投入的时间长短关系为：tCW1≤tCW2…≤tCWN。因此，根据载波层叠调制算法将调制波信号与所述载波信号CW1，CW2，…，CWN比较即可生成所述驱动信号GD1，GD2，…，GDN，满足tGD1≤tGD2…≤tGDN；
然后，由于步骤(3)中所述方波信号s1，s2，…，sN的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系，因此所述序列Qseq中的元素q1，q2，…，qN即为桥臂上各子模块电容电压升序排列后对应子模块的标号。当所述桥臂电流iarm的方向为正时，所述驱动信号分配单元将所述驱动信号队列Qd中驱动信号GDN，GDN-1，…，GD1依次分配给序列Qseq中标号为q1，q2，…，qN的子模块，得到桥臂驱动信号Garm；当所述桥臂电流iarm的方向为负时，所述驱动信号分配单元将所述驱动信号队列Qd中驱动信号GD1，GD2，…，GDN依次分配给序列Qseq中标号为q1，q2，…，qN的子模块，得到桥臂驱动信号Garm。
当所述方波信号s1，s2，…，sN的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，采用载波层叠调制，基于如下仿真参数：直流侧电压VDC＝400V，桥臂子模块数目N＝5，子模块电容CSM＝2mF，桥臂电感Larm＝5mH，输出负载电感Lo＝20mH，负载电阻Ro＝100Ω，开关频率fs＝1000Hz，同步信号来自外部电路，其周期与MMC的开关周期之比m＝1，MMC桥臂子模块电容电压波形如图10所示，可见均压效果良好。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，包括：
S1：对桥臂上的所有子模块按顺序进行标号；
S2：对各个所述子模块上电容的电压进行测量，得到各个所述子模块对应的电容电压；对所述子模块所在桥臂上的电流进行测量得到桥臂电流；其中，所述桥臂电流的正方向为投入子模块的充电方向；所述桥臂电流的负方向为投入子模块的放电方向；
S3：经同步信号触发后将所述子模块的电容电压转换为一组脉冲宽度可变的方波信号；所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块的电容电压成正比或反比；
S4：按照所述方波信号的上升沿或下降沿到达的时间先后顺序，记录各个所述方波信号对应的子模块标号，得到标号序列Qseq；
S5：基于所述桥臂电流的方向，按照所述标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个所述子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。
2.如权利要求1所述的模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，所述S4包括：
S41：若所述方波信号上升沿同步，则根据所述方波信号下降沿到达的时间先后顺序记录对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq；
S42：若所述方波信号下降沿同步，则根据所述方波信号上升沿到达的时间先后顺序记录对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq。
3.如权利要求1所述的模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，所述S5包括：
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压升序排列后对应子模块标号的排列；在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行第一分配策略，当所述桥臂电流为负方向时执行第二分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压降序排列后对应子模块标号的排列；在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行所述第二分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行所述第一分配策略；
其中，所述第一分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列首第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列首第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号；
所述第二分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列尾第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列尾第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号。
4.如权利要求1所述的模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，所述S5之前，所述方法还包括：利用载波移相调制算法、载波层叠调制算法或最近电平调制算法生成所述驱动信号队列Qd。
5.如权利要求4所述的模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，
当利用最近电平调制算法生成所述驱动信号队列Qd时，所述驱动信号队列Qd包含Ninsert个子模块投入信号，剩余则为子模块切除信号；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流为正方向时执行第三分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行第四分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流为正方向时执行所述第四分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行所述第三分配策略；
其中，所述第三分配策略为将所述驱动信号队列Qd中Ninsert个子模块投入信号分配给所述序列Qseq的后Ninsert个标号对应的子模块，剩余的子模块切除信号则分配给所述序列Qseq中其余标号对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号；
所述第四分配策略为将所述驱动信号队列Qd中Ninsert个子模块投入信号分配给所述序列Qseq的前Ninsert个标号对应的子模块，剩余的子模块切除信号则分配给所述序列Qseq中其余标号对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号。
6.如权利要求4所述的模块化多电平变换器的控制方法，其特征在于，
当根据载波移相或载波层叠调制算法生成所述驱动信号队列Qd时，计算所述驱动信号队列Qd中各驱动信号需要子模块投入的时间；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流的方向为正时执行第五分配策略；当所述桥臂电流的方向为负时执行第六分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述S5包括：当所述桥臂电流的方向为正时执行所述第六分配策略；当所述桥臂电流的方向为负时执行所述第五分配策略；
其中，所述第五分配策略为按照子模块投入时间由长到短的顺序，将所述驱动信号队列Qd中对应的驱动信号依次分配给所述序列Qseq中从列首到列尾所对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号；
所述第六分配策略为按照子模块投入时间由短到长的顺序，将所述驱动信号队列Qd中对应的驱动信号依次分配给所述序列Qseq中从列首到列尾所对应的子模块，得到所述桥臂驱动信号。
7.一种模块化多电平变换器的控制系统，其特征在于，包括：
多个电压测量模块，分别与桥臂上各个子模块中的电容并联，用于测量每个所述子模块对应的电容电压；
多个电压脉冲转换模块，分别与所述多个电压测量模块一一连接，用于经同步信号触发后将所述子模块电容的电压转化为脉冲宽度可变的方波信号；所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块的电容电压成正比或反比；
桥臂电流测量模块，串联在所述子模块所在桥臂上，用于检测所述子模块所在桥臂的电流，得到桥臂电流；所述桥臂电流的正方向为投入子模块的充电方向；所述桥臂电流的负方向为投入子模块的放电方向；
控制模块，与所述多个电压脉冲转换模块和所述桥臂电流测量模块连接，用于接收所述方波信号和所述桥臂电流，还用于按照所述方波信号的上升沿或下降沿到达的时间先后顺序，记录其对应子模块的标号得到标号序列Qseq；：基于所述桥臂电流的方向，按照所述标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个所述子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。
8.如权利要求7所述的模块化多电平变换器的控制系统，其特征在于，所述控制模块包括：
信号接收单元，用于接收所述桥臂电流和所述方波信号；若所述方波信号上升沿同步，则根据所述方波信号下降沿到达的时间先后顺序，记录其对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq；若所述方波信号下降沿同步，则根据所述方波信号上升沿到达的时间先后顺序，记录其对应子模块的标号得到所述标号序列Qseq；
驱动信号分配单元，与所述信号接收单元连接，用于基于所述桥臂电流的方向，按照所述标号序列Qseq将预先生成的驱动信号队列Qd中的驱动信号分配给各个所述子模块以得到桥臂驱动信号，从而实现均压控制。
9.如权利要求7所述的模块化多电平变换器的控制系统，其特征在于，
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成正比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压升序排列后对应子模块标号的排列；所述驱动信号分配单元用于在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行第一分配策略，当所述桥臂电流为负方向时执行第二分配策略；
当所述方波信号的脉冲宽度与所述子模块电容电压大小成反比例关系时，所述序列Qseq等效于桥臂上各子模块电容电压降序排列后对应子模块标号的排列；所述驱动信号分配单元用于在一个控制周期中，当所述桥臂电流为正方向时执行所述第二分配策略；当所述桥臂电流为负方向时执行所述第一分配策略；
其中，所述第一分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列首第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列首第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号；
所述第二分配策略为将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间最长的驱动信号分配给Qseq中列尾第一个标号对应的子模块，将所述驱动信号队列Qd中子模块投入时间第二长的驱动信号分配给Qseq中列尾第二个标号对应的子模块，以此类推，直至所有子模块都被分配，得到所述桥臂驱动信号。
10.如权利要求7所述的模块化多电平变换器的控制系统，其特征在于，所述桥臂上的子模块包括：半桥子模块、全桥子模块和带箝位的双半桥子模块中的一种或多种。
CN202110502828.7A 2021-05-10 2021-05-10 一种模块化多电平变换器的控制方法和装置 Pending CN113300626A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110502828.7A CN113300626A (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种模块化多电平变换器的控制方法和装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110502828.7A CN113300626A (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种模块化多电平变换器的控制方法和装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113300626A true CN113300626A (zh) 2021-08-24

Family

ID=77321099

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110502828.7A Pending CN113300626A (zh) 2021-05-10 2021-05-10 一种模块化多电平变换器的控制方法和装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113300626A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103248252A (zh) * 2013-03-07 2013-08-14 中国矿业大学 一种模块化多电平变换器的调制策略
JP2014018028A (ja) * 2012-07-11 2014-01-30 Toshiba Corp 半導体電力変換装置
CN104158419A (zh) * 2014-08-04 2014-11-19 浙江大学 一种模块化多电平变换器电容电压的均衡方法
CN104393779A (zh) * 2014-11-13 2015-03-04 西安交通大学 一种基于载波层叠调制的模块化多电平变流器控制方法
CN105006972A (zh) * 2015-07-14 2015-10-28 国家电网公司 一种高压直流mmc在基频调制下的均压方法
CN110994964A (zh) * 2019-11-12 2020-04-10 东南大学 一种降低模块化多电平换流器交流电压低阶谐波调制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014018028A (ja) * 2012-07-11 2014-01-30 Toshiba Corp 半導体電力変換装置
CN103248252A (zh) * 2013-03-07 2013-08-14 中国矿业大学 一种模块化多电平变换器的调制策略
CN104158419A (zh) * 2014-08-04 2014-11-19 浙江大学 一种模块化多电平变换器电容电压的均衡方法
CN104393779A (zh) * 2014-11-13 2015-03-04 西安交通大学 一种基于载波层叠调制的模块化多电平变流器控制方法
CN105006972A (zh) * 2015-07-14 2015-10-28 国家电网公司 一种高压直流mmc在基频调制下的均压方法
CN110994964A (zh) * 2019-11-12 2020-04-10 东南大学 一种降低模块化多电平换流器交流电压低阶谐波调制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
《工业自动化仪表手册》编辑委员会: "《工业自动化仪表手册》", 31 October 1987, 机械工业出版社 *
滕佳怡: "模块化多电平换流器控制策略研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技Ⅱ辑》 *
董文杰: "模块化多电平变换器电压平衡策略研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）工程科技Ⅱ辑》 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20120313442A1 (en) Solar power conversion apparatus
EP3112886B1 (en) Synthetic test circuit for valve performance test of hvdc
CN104578869B (zh) 一种有直流母线的电容自均压三相多电平变换器电路
CN1175116A (zh) 电能转换的电子装置
CN102842912B (zh) 一种适用于级联型svg的单载波控制方法
Suresh et al. Performance of cascade multilevel H-Bridge inverter with single DC source by employing low frequency three-phase transformers
CN105915089B (zh) 一种基于驱动信号逻辑处理的mmc电容电压的均衡控制方法
Liu et al. Design and implementation of a distributed control structure for modular multilevel matrix converter
EP2887517B1 (en) Method for controlling a multi-phase multi-level inverter
CN105207503A (zh) 一种基于混合脉宽调制的电力电子变压器控制方法
JP4643117B2 (ja) マルチセル・エネルギー変換装置
Suresh et al. An improved performance of cascaded multilevel inverter with single DC source by employing three-phase transformers
JP2002058257A (ja) 多重電力変換器の制御装置
CN113300626A (zh) 一种模块化多电平变换器的控制方法和装置
CN101090241A (zh) 通用多电平三相四线逆变器脉宽调制控制方法及控制器
CN111669029A (zh) 一种电力电子变压器系统故障重构方法
CN109039129B (zh) 单向级联式多电平电力电子变流器直流电压平衡控制策略
CN111756258A (zh) 多重化四象限脉冲整流器的控制方法
CN109039124B (zh) 基于移相空间矢量调制的mmc电容电压均衡控制方法
Bifaretti et al. A modulation technique for high power AC/DC multilevel converters for power system integration
CN109347352A (zh) 级联型变流器子模块电容电压平衡控制方法
US11476774B2 (en) Control method and control system for modular multilevel converter and power transmission system
Kunzler et al. A novel algorithm for increased power balance in cascaded H-bridge multilevel cells in a hybrid power amplifier
Jariwala et al. Optimized modulation technique for cascaded h-bridge multilevel inverter
CN211656011U (zh) 三相-单相电力电子变换器系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20210824

RJ01 Rejection of invention patent application after publication