CN113507205A - 一种抑制mmc共模传导emi的控制方法、控制器及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制MMC共模传导EMI的控制方法、控制器及控制系统，所述控制方法包括：生成第一触发脉冲，以第一触发脉冲控制第一桥臂各子模块的投切状态；对第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，以第二触发脉冲控制第二桥臂各子模块的切投状态；其中，所述第一桥臂和所述第二桥臂的其中一个桥臂为上桥臂，另一个桥臂为下桥臂。通过上述控制方法，能够使得一相对应的等效干扰源将不再受到子模块开关状态的影响，只和第一桥臂投入的子模块数量相关，从源头上抑制了MMC共模干扰源，降低了共模传导电流，抑制了共模传导EMI。

Description

一种抑制MMC共模传导EMI的控制方法、控制器及控制系统

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种抑制MMC共模传导EMI的控制方法、控制器及控制系统。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其模块化结构，具备灵活的扩展性、高效性，输出波形质量好，已逐渐成为现阶段主流的多电平换流器。但是MMC装置包含大量的子模块，在开关过程中每个子模块产生的dv/dt、di/dt通过杂散参数形成共模电流，造成共模传导电磁干扰(EMI)，严重干扰设备通信、电气量检测和控制等二次系统的正常工作，威胁MMC换流器的安全运行。

抑制共模传导EMI可以从干扰源以及传导路径入手。阻断共模电流的传导一般可以通过加装有源或者无源滤波器，但是这样会增加系统成本和重量，而直接抑制干扰源则更加的有效，现有的抑制干扰源的方法主要包括软开关技术以及扩频技术，但是软开关技术需要改变电路拓扑，使得装置以及系统的工作方式更加复杂；而扩频技术是基于载波移相脉冲宽度调制(Carrier Phase-Shift PWM，CPS-PWM)，该调制策略对每个子模块进行独立控制，子模块越多，调制越复杂，其应用受子模块数量的限制。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷，本发明提供了一种抑制MMC共模传导EMI控制方法、控制器及控制系统，其目的在于在不改变电路拓扑情况下解决MMC设备的共模传导电磁干扰问题，且适用于子模块数目较多的情况。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种抑制MMC共模传导EMI控制方法，所述MMC的每一相包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂的其中一个桥臂为上桥臂，另一个桥臂为下桥臂，其中，所述方法包括：

生成第一触发脉冲，以所述第一触发脉冲控制所述第一桥臂各子模块的投切状态；

对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，以所述第二触发脉冲控制所述第二桥臂各子模块的切投状态。

优选地，所述生成第一触发脉冲，包括：

根据所述第一桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第一桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第一桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第一触发脉冲。

优选地，在对所述第一触发脉冲取反之前，所述方法还包括：

监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压处于所述预设区间内时，对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲。

优选地，在对所述第一触发脉冲取反之前，所述方法还包括：

监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压超出所述预设区间时，执行

第三触发脉冲生成步骤：根据所述第二桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第二桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第二桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第三触发脉冲，以所述第三触发脉冲控制所述第二桥臂各子模块的投切状态。

优选地，所述监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，包括：

实时监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间，并根据判断结果实时调整控制所述第二桥臂各子模块投切状态的触发脉冲。

优选地，所述预设区间为[U_C(1-|ε|)，U_C(1+|ε|)]，其中，U_C为子模块额定电容电压，|ε|为子模块电容电压波动阈值。

优选地，所述第一桥臂需要投入的子模块数目为N_n，

所述根据第一桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第一触发脉冲，包括：

当电流的方向是使第一桥臂各子模块电容充电时，将第一桥臂中电压最低的N_n个子模块投入；当电流的方向是使子模块电容放电时，将第一桥臂中电压最高的N_n个子模块投入。

按照本发明的另一方面，提供了抑制MMC共模传导EMI控制器，其中包括：

第一控制单元，用于生成第一触发脉冲，输出所述第一触发脉冲以控制所述第一桥臂各子模块的投切状态；

第二控制单元，用于对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，输出所述第二触发脉冲以控制第二桥臂各子模块的切投状态。

优选地，还包括第三控制单元和电压监控单元，其中，所述第二控制单元和第三控制单元受控于所述电压监控单元，其中：

所述第三控制单元用于根据所述第二桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第二桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第二桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第三触发脉冲，输出所述第三触发脉冲以控制所述第二桥臂各子模块的投切状态；

所述电压监控单元用于监控并判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压处于所述预设区间内时，触发所述第二控制单元，当所述第二桥臂的电容电压超出所述预设区间内时，触发第三控制单元。

按照本发明的再一方面，提供了一种抑制MMC共模传导EMI控制系统，其中包括模块化多电平换流器拓扑结构以及抑制MMC共模传导EMI控制器，所述抑制MMC共模传导EMI控制器包括上述任一项所述的抑制MMC共模传导EMI控制器。

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，上述控制方法具有以下技术效果：

1、本发明在生成第一触发脉冲后，对第一触发脉冲取反生成第二触发脉冲，即第一桥臂各子模块的触发脉冲S_ni和第二桥臂各子模块的触发脉冲S_pi满足S_p(N+1-i)＝1-S_ni，(i＝1,2,3…N)；本申请人经研究发现，可以基于叠加定理与戴维南定理将MMC每一相的各个子模块对应的干扰源等效为一个等效干扰源，当将第一桥臂各子模块的触发脉冲和第二桥臂各子模块的触发脉冲设置为满足上述关系时，每一相的等效干扰源不再受到子模块开关状态的影响，只和第一桥臂投入的子模块数量相关，从源头上抑制了MMC共模干扰源，降低了共模传导电流，抑制了共模传导EMI；同时，本方案中第二触发脉冲直接由第一触发脉冲取反生成，获取方法简单，其获取方式不受子模块数量的影响与限制，应用范围广。

2、本发明提出的抑制方法，直接对每一相体现出的等效干扰源进行抑制，无须增加额外的滤波器，不增加设备成本和重量。同时该发明只是改变了桥臂子模块的控制方法，没有改变装置拓扑结构，且控制简单。

3、本发明提出的抑制方法，适用于最基础的半桥子模块拓扑，不受子模块拓扑限制，且本方案不会对MMC系统上层控制造成影响，适用场景丰富。

附图说明

图1是本发明一实施例中抑制MMC共模传导EMI控制方法的步骤流程图；

图2是本发明另一实施例中抑制MMC共模传导EMI控制方法的步骤流程图；

图3是本发明一实施例的抑制MMC共模传导EMI控制方法的信号处理示意图；

图4是本发明一实施例的MMC拓扑结构图；

图5是本发明一实施例的第一触发脉冲与第二触发脉冲的关系图；

图6是本发明一实施例的带有杂散电容参数的两个级联子模块示意图；

图7是本发明一实施例的共模电流传导路径示意图；

图8是采用传统控制方法和采用本发明一实施例的控制方法的EMI频谱大小对比图。

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。

如图1所示为本发明一实施例中抑制MMC共模传导EMI控制方法的步骤流程图，该控制方法包括：

步骤S1：生成第一触发脉冲，以所述第一触发脉冲控制所述第一桥臂各子模块的投切状态。

步骤S2：对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，以所述第二触发脉冲控制所述第二桥臂各子模块的切投状态。

本发明在生成第一触发脉冲后，对第一触发脉冲取反生成第二触发脉冲，即第一桥臂各子模块的触发脉冲S_ni和第二桥臂各子模块的触发脉冲S_pi满足S_p(N+1-i)＝1-S_ni，(i＝1,2,3…N)；本申请人经研究发现，可以基于叠加定理与戴维南定理将MMC每一相的各个子模块对应的干扰源等效为一个等效干扰源，当将第一桥臂各子模块的触发脉冲和第二桥臂各子模块的触发脉冲设置为满足上述关系时，每一相的等效干扰源不再受到子模块开关状态的影响，只和第一桥臂投入的子模块数量相关，从源头上抑制了MMC共模干扰源，降低了共模传导电流，抑制了共模传导EMI。

如图3所示为本发明一实施例的抑制MMC共模传导EMI控制方法的信号处理示意图。如图4为对应的MMC拓扑结构图。如图3所示，以下以第一桥臂为下桥臂，第二桥臂为上桥臂为例进行详细说明，其中，上桥臂和下桥臂各具有N个子模块。需要说明的是，在其他实施例中，第一桥臂也可为上桥臂，第二桥臂对应则为下桥臂。

在一实施例中，可以根据下桥臂调制波以及NLM调制策略得到下桥臂需要投入的子模块数目，再基于下桥臂电流方向以及电容电压排序算法生成第一触发脉冲P_{_n}，决定下桥臂每个子模块的投切状态。

具体的，根据NLM调制策略，下桥臂需要投入的子模块数目如下式：

其中N_n表示下桥臂需要投入的子模块数目，N表示桥臂子模块数目，Round(x)表示对x按四舍五入取整，U_k ^*(k＝A，B，C)表示相调制波电压有效值，U_C表示子模块额定电容电压。

根据NLM调制策略计算出下桥臂此时需要投入的子模块数目N_n后，再采用电容电压排序算法生成第一触发脉冲，当电流的方向是使子模块电容充电时(dir_{i_n}>0)，此时将电压最低的N_n个子模块投入；当电流的方向是使子模块电容放电时(dir_{i_n}<0)，此时投入电容电压最高的N_n个子模块。

其中，步骤S2为第二触发脉冲生成步骤，在步骤S2中，根据下桥臂生成的触发脉冲按照上、下桥臂对应位置取反，生成第二触发脉冲P_{_p}，作为上桥臂的触发脉冲决定上桥臂子模块的投切状态。

具体的，在NLM调制策略下，上桥臂需要投入的子模块数目如下式：

其中N_p为上桥臂需要投入的子模块数目。在本发明中，上桥臂的触发脉冲是由下桥臂按照对应位置取反生成的，即定义S_n为下桥臂子模块对应的脉冲，S_p为上桥臂子模块对应的脉冲，则S_p(N+1-i)＝1-S_ni，(i＝1,2,3…N)。为了进一步理解，以N＝4为例进行说明，如图4所示为S_p与S_n的对应关系图。

在本实施例中，基于最近电平逼近调制策略和电容电压排序算法获取第一触发脉冲，由于最近电平逼近调制策略本身要求每一相最终投入的子模块数量为N(每一桥臂的子模块数量)，而上下桥臂触发脉冲取反所投入的子模块数量恰好为N，即取反操作的结果满足最近电平逼近调制策略的要求，均是使每一相最终投入的子模块数量为N，两者相兼容，进一步提高了控制的稳定性。

在一实施例中，在执行步骤S2之前，所述控制方法还包括：

监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压处于所述预设区间内时，执行步骤S2。

进一步的，所述预设区间为[U_C(1-|ε|)，U_C(1+|ε|)]，其中，U_C为子模块额定电容电压，|ε|为子模块电容电压波动阈值。

如图2和图3所示，继续以第一桥臂为下桥臂、第二桥臂为上桥臂为例进行说明，在本实施例中，为了避免上桥臂电容电压出现较大波动，增加一个闭环控制环节以维持电容电压平衡，判断上桥臂电容电压的最大值是否大于所设上阈值或者最小值是否小于所设下阈值，即满足以下公式时，则执行步骤S2：

If max{U_{C_p}}≤U_C(1+|ε|)or min{U_{C_p}}≥U_C(1-|ε|)

其中U_{C_p}表示上桥臂电容电压序列，max{}表示取该序列的最大值，|ε|表示电容电压波动阈值，min{}表示取该序列的最小值。若上桥臂电容电压在区间[U_C(1-|ε|)，U_C(1+|ε|)]内，则上桥臂的触发脉冲由下桥臂取反生成，即执行步骤S2生成上桥臂的触发脉冲。

在一实施例中，监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压超出所述预设区间时，执行

步骤S3：根据所述第二桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第二桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第二桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第三触发脉冲，以所述第三触发脉冲控制所述第二桥臂各子模块的投切状态。

其中，步骤S3为第三触发脉冲生成步骤。如图2和图3所示，继续以第一桥臂为下桥臂、第二桥臂为上桥臂为例进行说明，在本实施例中，若上桥臂电容电压存在越过阈值的情况，则不执行步骤S2，而是执行步骤S3，基于电容电压排序算法以及桥臂电流来生成第三触发脉冲P'_{_p}，以第三触发脉冲P'_{_p}作为上桥臂的触发脉冲，以维持子模块电容电压的平衡。

在一实施例中，具体是实时监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间，并根据判断结果实时调整控制所述第二桥臂各子模块投切状态的触发脉冲。需要说明的是，上述判断过程可发生于步骤S1之前，也可发生于步骤S1之后，对于各步骤的时序，并不限于实施例所描述，可根据实际情况灵活设置各步骤的时序。

以下结合图6和图7说明本发明的控制原理，其中，图6为本发明实施例提供的带有杂散电容参数的两个级联子模块示意图，图7为本发明实施例提供的共模电流传导路径示意图。每一子模块具有如图6所示的杂散电容C_s+和C_s-和C_sout+，其中，令C_sout-＝C_s++C_s-，则每一子模块的等效杂散电容C_sji＝C_sout++C_sout-(j＝p，n；i＝1,2,3…N-1)，特别的，C_sjN＝C_sout-。

本申请人经研究发现，基于叠加定理与戴维南定理，一相对应的等效干扰源U_eq以及等效杂散阻抗Z_eq的表达式如下：

同理可得MMC三相对应的等效干扰源U_CM以及等效杂散阻抗Z_CM的表达式，如下所示：

以A相为例，上桥臂第一个子模块对地电压U_p1的表达式为：

同理可得U_pi(i＝1,2,3…N)的表达式为：

U_pi＝U_p(i-1)-S_pi·U_C

同样的，可以推出下桥臂U_n1，U_ni(i＝1,2,3…N)的表达式：

将U_ji(j＝p，n；i＝1,2,3…N)的表达式代入一相对应的等效干扰源U_eq中，可以推出：

基于上述U_eq的表达式，如果将每一相上、下桥臂对应位置的子模块投切状态控制为相反，即：

S_p(N+1-i)＝1-S_ni

则U_eq可以写成：

其中N_n为下桥臂此时需要投入的子模块数目。不难看出，采用本控制方法后，一相对应的等效干扰源U_eq将不再受到子模块开关状态的影响，只是和N_n相关，从源头上抑制了MMC共模干扰源，降低了共模传导电流，抑制了共模传导EMI。

为了进一步验证本发明的技术效果，以8个子模块的MMC三相逆变器为例进行仿真分析，仿真参数如表1所示，图8为是否采用本发明所提控制方法的共模电流频域波形，可以看出，在高频段上，采用抑制方法能够显著地降低共模电流的幅值，说明本发明所提的一种抑制MMC共模传导EMI控制方法效果良好。

表1

仿真参数

本发明还涉及一种抑制MMC共模传导EMI控制器，该控制器用于执行上述抑制MMC共模传导EMI控制方法，具体的，该控制器包括第一控制单元和第二控制单元，其中：

第一控制单元用于生成第一触发脉冲，输出所述第一触发脉冲以控制所述第一桥臂各子模块的投切状态。

第二控制单元用于对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，输出所述第二触发脉冲以控制第二桥臂各子模块的切投状态。

在本发明中，第二控制单元对第一触发脉冲取反获得第二触发脉冲，基于第一触发脉冲和第二触发脉冲分别控制第一桥臂和第二桥臂个子模块的投切状态，由此使得一相对应的等效干扰源将不再受到子模块开关状态的影响，只是和第一桥臂投入的子模块数量相关，从源头上抑制了MMC共模干扰源，降低了共模传导电流，抑制了共模传导EMI。

在一实施例中，该控制器还包括第三控制单元和电压监控单元，所述第二控制单元和第三控制单元受控于所述电压监控单元，其中：

所述第三控制单元用于根据所述第二桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第二桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第二桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第三触发脉冲，输出所述第三触发脉冲以控制所述第二桥臂各子模块的投切状态；

所述电压监控单元用于监控并判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压处于所述预设区间内时，触发所述第二控制单元，当所述第二桥臂的电容电压超出所述预设区间内时，触发第三控制单元。

在本实施例中，通过设置电压监控单元，根据电容电压的波动调整第二脉冲的获取方式，由此维持子模块电容电压的平衡。

本发明还涉及一种抑制MMC共模传导EMI控制系统，其包括模块化多电平换流器拓扑结构以及上文所述的抑制MMC共模传导EMI控制器。由此抑制MMC共模传导EMI控制系统采用了上文所述的抑制MMC共模传导EMI控制器，其具有抑制MMC共模传导EMI控制器所带来的有益效果，能够从源头上抑制了MMC共模干扰源，降低了共模传导电流。

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)

1.一种抑制MMC共模传导EMI的控制方法，所述MMC的每一相包括第一桥臂和第二桥臂，所述第一桥臂和所述第二桥臂的其中一个桥臂为上桥臂，另一个桥臂为下桥臂，其特征在于，所述方法包括：

生成第一触发脉冲，以所述第一触发脉冲控制所述第一桥臂各子模块的投切状态；

对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，以所述第二触发脉冲控制所述第二桥臂各子模块的切投状态。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述生成第一触发脉冲，包括：

根据所述第一桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第一桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第一桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第一触发脉冲。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在对所述第一触发脉冲取反之前，所述方法还包括：

监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压处于所述预设区间内时，对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲。

4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，在对所述第一触发脉冲取反之前，所述方法还包括：

监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压超出所述预设区间时，执行

根据所述第二桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第二桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第二桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第三触发脉冲，以所述第三触发脉冲控制所述第二桥臂各子模块的投切状态。

5.如权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于，所述监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，包括：

实时监测判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间，并根据判断结果实时调整控制所述第二桥臂各子模块投切状态的触发脉冲。

6.如权利要求3或4所述的控制方法，其特征在于，所述预设区间为[U_C(1-|ε|)，U_C(1+|ε|)]，其中，U_C为子模块额定电容电压，|ε|为子模块电容电压波动阈值。

7.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述第一桥臂需要投入的子模块数目为N_n，

所述根据第一桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第一触发脉冲，包括：

当电流的方向是使第一桥臂各子模块电容充电时，将第一桥臂中电压最低的N_n个子模块投入；当电流的方向是使子模块电容放电时，将第一桥臂中电压最高的N_n个子模块投入。

8.一种抑制MMC共模传导EMI控制器，其特征在于，包括：

第一控制单元，用于生成第一触发脉冲，输出所述第一触发脉冲以控制所述第一桥臂各子模块的投切状态；

第二控制单元，用于对所述第一触发脉冲取反，得到第二触发脉冲，输出所述第二触发脉冲以控制第二桥臂各子模块的切投状态。

9.如权利要求8所述的抑制MMC共模传导EMI控制器，其特征在于，还包括第三控制单元和电压监控单元，其中，所述第二控制单元和第三控制单元受控于所述电压监控单元，其中：

所述第三控制单元用于根据所述第二桥臂的调制波和最近电平逼近调制策略得到所述第二桥臂需要投入的子模块数目，根据所述第二桥臂电流方向和电容电压排序算法生成第三触发脉冲，输出所述第三触发脉冲以控制所述第二桥臂各子模块的投切状态；

所述电压监控单元用于监控并判断所述第二桥臂的电容电压是否处于预设区间内，当所述第二桥臂的电容电压处于所述预设区间内时，触发所述第二控制单元，当所述第二桥臂的电容电压超出所述预设区间内时，触发第三控制单元。

10.一种抑制MMC共模传导EMI的控制系统，其特征在于，包括模块化多电平换流器拓扑结构以及抑制MMC共模传导EMI控制器，所述抑制MMC共模传导EMI控制器包括权利要求8或9任一项所述的抑制MMC共模传导EMI控制器。

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