CN113765425A - 模块化多电平换流器的控制方法及控制系统与输电系统 - Google Patents

模块化多电平换流器的控制方法及控制系统与输电系统 Download PDF

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Abstract

一种模块化多电平换流器的控制方法、控制系统与输电系统。模块化多电平换流器包括具有至少一桥臂的桥臂电路，每一桥臂包括多个子模块，每个子模块包括具有电容的功率变换电路，方法包括：计算子模块的实际电容电压和基准电容电压；将多个子模块划分为多个模组，同一模组内子模块的基准电容电压相同，不同模组间子模块的基准电容电压不同；进行组内排序、组间排序获得第一电压序列、第二电压序列；根据子模块充放电状态、第一和第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至桥臂的实际电平与期望电平一致，实际电平对应于处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，期望电平是以取自于集合{INTERk}中的一或多个元素的组合的插入值为台阶进行跳变。

Description

模块化多电平换流器的控制方法及控制系统与输电系统
技术领域
本发明涉及输配电技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器(MMC)的控制方法及控制系统与输电系统。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)最早由R.Marquardt教授提出并申请专利，具有对开关器件一致性要求低，开关频率低，开关损耗小，等效电平数多，谐波含量低，易于冗余设计等优点，因此MMC成为柔性直流输电系统中的一种重要的换流器拓扑。
MMC可由A、B、C三相组成，每一相包括有桥臂电路，其例如可含有上、下两个桥臂，每个桥臂可由一个电感L和N个子模块串联连接组成。每个子模块可由一个或多个串联连接的功率变换电路组成，每个功率变换电路可包括一电容C，通过控制子模块的切入与切出可拟合出相应的交流输出电压。
MMC的直流母线电压Udc是由相互独立的子模块的电容串联支撑的。为了保证交流侧输出电压波形的质量，减小相间环流并保证各功率半导体器件承受相同的电压应力，必须保证各子模块电容电压波动在一定范围内维持稳定。
在电压等级很高，需要子模块数量较大时，MMC可以采用电压等级不相同的混合子模块，这样可以减小硬件驱动以及通信线等，简化电路，降低成本，提高系统可靠性。但是针对此种电路，需要解决电平跳变较大，总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)较高的问题。
现有的MMC的功率变换电路的电容电压的均压方法主要有以下方法：
一种方法是引入半压子模块和全压子模块的概念，这种方法的半压子模块中，一个为增电平半压模块，用于提供系统电平数；两个控制为均压半压模块，作为整体，用于参与全压子模块的控制及均压；其余半压子模块冗余。但是，此方法没有充分利用半压子模块的冗余特性，模块利用率较低，且模块的电压局限在两个等级。
另一种方法是针对电压等级不相同的串联子模块均压控制策略，但该方法要求每个模块都有相应的均压控制环，在MMC的子模块数量巨大的情况下，控制复杂。
因此，需要一种既能够实现MMC中多个电压等级不同的混合子模块的电压均衡控制，又能够进一步改善MMC交流侧的THD的新的控制方法和控制系统。
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(MMC)的控制方法及控制系统与输电系统，可有效解决现有技术的至少一缺陷，在使不同电压等级的子模块电压维持在各自的基准电压附近的基础上，减小交流侧的THD，提高模块利用率和系统可靠性。
为了实现上述目的，本发明提供一种模块化多电平换流器的控制方法，所述模块化多电平换流器包括一桥臂电路，所述桥臂电路包括至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块，每个所述子模块包括一个或多个串联连接的功率变换电路，每个所述功率变换电路包括一电容，其特点在于，该控制方法包括以下步骤：
检测每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的实际电压，并据此计算每个所述子模块的实际电容电压；
根据每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的基准电压，计算每个所述子模块的基准电容电压；
根据所述基准电容电压，将所述桥臂中所述多个子模块划分为R个模组，其中R为大于等于1的整数，且同一模组内的各个子模块的基准电容电压相同，不同模组间的子模块的基准电容电压不同；
在同一模组内，对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，以获得第一电压序列；
在不同模组间，将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并对所述桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，以获得第二电压序列；以及
根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至所述桥臂的实际电平与期望电平相一致，其中，所述桥臂的实际电平对应于所述桥臂内处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，并且，所述期望电平是以一插入值为台阶进行跳变，所述插入值是取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。
在本发明的一实施例中，所述集合{INTERk}中的每一个元素满足：
INTERk＝X1*U1+X2*U2+…+Xi*UR，
其中，UR为第R个模组中的子模块对应的基准电容电压，X1,X2,…,Xi均为整数，
并且，INTERk满足：0<INTERk≤min(U1,U2,…,UR)。
在本发明的一实施例中，在不同模组间，是根据每个模组对应的子模块的基准电容电压，计算得到一归一化系数，并根据所述归一化系数将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的所述归一化电压。
在本发明的一实施例中，根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块的步骤包括：
当所述桥臂的初始电平小于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入；
当所述桥臂的初始电平大于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出。
在本发明的一实施例中，在确定需要切入的子模块的步骤后还包括以下步骤：
根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出，或者选择至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
在本发明的一实施例中，在确定需要切出的子模块的步骤后还包括以下步骤：
根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
在本发明的一实施例中，在根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块的步骤后，还包括以下步骤：
在所述多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据所述子模块的充放电状态、所述第一电压序列以及所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
在本发明的一实施例中，在所述多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据所述子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换的步骤包括：
当电流对所述子模块充电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块充电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
为了实现上述目的，本发明另提供一种模块化多电平换流器的控制系统，其特征在于，所述模块化多电平换流器包括一桥臂电路，所述桥臂电路至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块，每个所述子模块包括一个或多个串联连接的功率变换电路，每个所述功率变换电路包括一电容，其特点在于，所述控制系统包括：
检测单元，其是用于检测每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的实际电压，并据此计算每个所述子模块的实际电容电压；同时根据每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的基准电压，计算每个所述子模块的基准电容电压；
分组单元，其是用于根据所述基准电容电压，将所述桥臂中所述多个子模块划分为R个模组，其中R为大于等于1的整数，且同一模组内的各个子模块的基准电容电压相同，不同模组间的子模块的基准电容电压不同；
排序单元，其是用于在同一模组内，对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，以获得第一电压序列；在不同模组间，通过将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并对所述桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，以获得第二电压序列；
调制算法单元，其是用于根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至所述桥臂的实际电平与期望电平相一致，其中，所述桥臂的实际电平对应于所述桥臂内处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，所述期望电平是以一插入值为台阶进行跳变，所述插入值是取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。
在本发明的另一实施例中，所述集合{INTERk}中的每一个元素满足：
INTERk＝X1*U1+X2*U2+…+Xi*UR，
其中，UR为第R个模组中的子模块对应的基准电容电压，X1,X2,…,Xi均为整数，
并且，INTERk满足：0<INTERk≤min(U1,U2,…,UR)。
在本发明的另一实施例中，在不同模组间，是根据每个模组对应的子模块的基准电容电压，计算得到一归一化系数，并根据所述归一化系数将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的所述归一化电压。
在本发明的另一实施例中，所述调制算法单元用于：
在所述桥臂的初始电平小于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入；
在所述桥臂的初始电平大于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出。
在本发明的另一实施例中，所述调制算法单元进一步用于：
在切入子模块后，根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出，或者选择至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
在本发明的另一实施例中，所述调制算法单元进一步用于：
在切出子模块后，根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
在本发明的另一实施例中，所述控制系统还包括：
置换单元，其是用于在所述多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据所述子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
在本发明的另一实施例中，所述置换单元用于：
当电流对所述子模块充电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块充电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
在本发明的另一实施例中，每一所述功率变换电路的输出端并联有旁路开关，当所述旁路开关闭合时对应的所述功率变换电路是处于旁路模式，当所述旁路开关断开时对应的所述功率变换电路是处于接入模式，所述子模块的基准电容电压等于处于所述接入模式的所述功率变换电路的所述电容的基准电压之和。
在本发明的另一实施例中，在同一所述子模块中，所有处于接入模式的所述功率变换电路采用相同的驱动信号。
为了实现上述目的，本发明又提供一种输电系统，其特点在于，包括：模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器包括一桥臂电路，所述桥臂电路包括至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块，每个所述子模块包括一个或多个串联连接的功率变换电路，每个所述功率变换电路包括一电容；以及如上所述的控制系统。
本发明利用均压排序方法和增加电平数的方法，在使不同电压等级的子模块电压维持在各自的基准电压附近的基础上，减小了系统交流侧THD(总谐波失真，TotalHarmonic Distortion)，提高了模块利用率和系统可靠性。
本发明的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本发明的实践而习得。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施方式，本发明的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
图1为本发明的模块化多电平换流器(MMC)的一种结构示意图；
图2A示出了图1中桥臂电路的一个桥臂的一较佳实施例的结构，其中所述桥臂的一个子模块包括M个功率变换电路；
图2B示出了图1中桥臂电路的一个桥臂的另一较佳实施例的结构，其中每个子模块里的功率变换电路具有可以实现旁路功能的旁路开关；
图3A示出了本发明一较佳的功率变换电路的结构，其中所述功率变换电路是为半桥结构；
图3B示出了本发明另一较佳的功率变换电路的结构，其中所述功率变换电路是为全桥结构；
图3C示出了本发明的功率变换电路的电容的基准电容电压和实际电容电压的关系；
图4示出了本发明的MMC的一个子模块中功率变换电路的旁路开关的不同状态，其中当所述旁路开关断开时对应的功率变换电路是处于接入模式，当所述旁路开关闭合时对应的功率变换电路是处于旁路模式，且所述子模块的基准电容电压是等于处于接入模式的功率变换电路的电容的基准电压之和；
图5示出了本发明的子模块对应的归一化电压的控制状态示意，其中是要将第k个模组内部的第x个子模块的实际电容电压UMk_x的STD/UMk倍(即UMk_x*STD/UMk)控制在一定的电压上下限范围之内；
图6A示出了本发明的一较佳的功率变换电路的切入状态，此时的子模块也处于切入状态；
图6B示出了本发明的一较佳的功率变换电路的切出状态，此时的子模块也处于切出状态；
图7A示出了本发明的一较佳的功率变换电路的充电状态，此时的子模块也处于充电状态；
图7B示出了本发明的一较佳的功率变换电路的放电状态，此时的子模块也处于放电状态；
图8为本发明的输电系统的结构示意图，其中所述输电系统包括模块化多电平换流器(MMC)及其控制系统；
图9为本发明的模块化多电平换流器(MMC)的控制方法的示意图；
图10A为本发明的一较佳的模块化多电平换流器(MMC)的控制方法的流程示意图；
图10B示出了图10A中的调制算法步骤的一较佳实施例的流程；
图10C示出了图10A中的置换步骤的一较佳实施例的流程；
图11A示出了本发明的调制算法步骤中电平升高的期望电平的跳变方式；
图11B示出了本发明的调制算法步骤中电平降低的期望电平的跳变方式；
图11C示出了本发明的调制算法步骤的一较佳的电平跳变方式，其中线L1表示期望电平以及期望电平的跳变，线L2表示桥臂的实际电平从初始电平到计算电平的跳变，其中，期望电平以INTER为台阶跳变；
图11D为图11C所示的跳变方式对应的调制算法的流程示意图；
图11E示出了本发明的调制算法步骤的另一较佳的电平跳变方式，其中线L1表示期望电平以及期望电平的跳变，线L2表示桥臂的实际电平从初始电平到计算电平的跳变，其中，期望电平以INTER为台阶跳变；
图11F为图11E所示的跳变方式对应的调制算法的流程示意图；
图12A为本发明的置换步骤的流程示意图；
图12B为图12A所示的置换方法所产生的效果示意图；
图13A示出了传统控制方法下MMC的交流侧线电压的波形，此时的THD＝1.06％；
图13B示出了本发明的控制方法下MMC的交流侧线电压的波形，此时的THD＝0.84％。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
在介绍这里所描述和/或图示的要素/组成部分/等时，用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等。术语“包含”、“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。此外，权利要求书中的术语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数字限制。
本发明的模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)包括一桥臂电路，所述桥臂电路包括至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块。每个所述子模块可包括一个或多个串联连接的功率变换电路。每个所述功率变换电路可包括一电容。
如图1所示，本发明一较佳的模块化多电平换流器(MMC)100例如是由A、B、C三相组成。每一相可包括一桥臂电路，例如可包括桥臂电路10、20、30，且每一桥臂电路(10、20、30)可含有上、下两个桥臂。更具体地，桥臂电路10是含有上桥臂11和下桥臂12，桥臂电路20是含有上桥臂21和下桥臂22，桥臂电路30是含有上桥臂31和下桥臂32。每个桥臂(11、12、21、22、31、32)例如可由一个电感L和N个子模块40串联连接组成。
在本发明中，A、B、C三相的交流侧例如可连接至一电网，而两个桥臂的直流侧例如可分别连接至直流母线51、52，其中Udc是直流母线51、52之间的直流母线电压。
值得注意的是，每一桥臂电路还可以只包含一个桥臂，例如只有一个上桥臂或只有一个下桥臂。
在本发明中，如图2A所示，每个子模块40可包含至少M个(M≥1)功率变换电路41。
在本发明中，如图2B所示，每个子模块40里的功率变换电路41可以通过并联一旁路开关实现旁路功能，例如可在每个功率变换电路41的输出端并联一常开开关Q，例如在图2B中，以子模块j为例，分别在功率变换电路1～M的输出端分别并联常开开关Q1～QM。在本发明中，所述常开开关可以是晶闸管、IGBT、机械开关或其他可受控于控制信号的开关。并且，当所述常开开关闭合时，对应的功率变换电路是处于旁路模式；当所述常开开关断开时，对应的功率变换电路是处于接入模式。在一个实施例中，在同一个子模块中，所有处于接入模式的功率变换电路41可采用相同的驱动信号。
在本发明中，所述功率变换电路41可以采用多种电路拓扑，例如可采用半桥结构(如图3A所示)或全桥结构(如图3B所示)。如图3A所示，以功率变换电路i(即第i个功率变换电路)为例，所述功率变换电路41包括电容C以及由开关管S1、S2组成的半桥结构。如图3B所示，以功率变换电路i(即第i个功率变换电路)为例，所述功率变换电路41包括电容C以及由开关管S1、S2、S3、S4组成的全桥结构。为描述方便，后文将主要以半桥结构的功率变换电路41为例进行说明，但并不作为对本发明的限制，合先叙明。
如图3C所示，其示出了本发明的功率变换电路的电容C的基准电容电压和实际电容电压的关系。在本发明中，将功率变换电路的电容C的基准电容电压命名为Uci(i＝1,2,……M，表示第i个功率变换电路)。并且，每个子模块中的M个功率变换电路的基准电容电压Uc1、Uc2…UcM可以全部相同，也可以部分相同，或者也可以全部不同。由图3C可看出，本发明的功率变换电路的电容C的实际电容电压是在基准电容电压附近波动。
如图4所示，将子模块j中处于接入模式下的功率变换电路的基准电容电压之和(∑Uci，表示第i个处于接入模式下的功率变换电路)称为子模块j的基准电容电压，定义为Uj(j＝1,2……N，表示第j个子模块)。换言之，在本发明中，子模块的基准电容电压是等于处于接入模式的功率变换电路的电容的基准电压之和，即Uj＝∑Uci，其中i表示处于接入模式的功率变换电路。
在本发明中，是将同一桥臂内基准电容电压相同的子模块分成一组，即称为模组(Module)。如下表一所示，一个桥臂内例如可包括有R个模组，其中R例如可为大于等于1的整数，将模组k的子模块基准电容电压定义为UMk(其中，k＝1,2……R，表示第k个模组)，将模组k中第x个子模块实际电容电压定义为UMk_x(其中，k＝1,2……R，表示第k个模组；x＝1,2……，表示模组里的第x个子模块)。并且，定义UM1，UM2……UMR中的最小电压为MIN。
表一
Figure BDA0002518500340000131
Figure BDA0002518500340000141
在本发明中，在同一模组内，通过对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，可以获得第一电压序列。举例而言，以上述表一为例，本发明可通过对第k个模组内部的子模块实际电容电压UMk_x进行组内排序，以获得第一电压序列。
在本发明中，在不同模组间，通过将每个子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并通过对桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，可以获得第二电压序列。较佳地，例如可根据每个模组对应的子模块的基准电容电压，计算得到一归一化系数，并根据该归一化系数，将每个子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压。更具体地，例如可通过计算多个模组的子模块基准电容电压的最小公倍数，并根据所述最小公倍数将每个子模块的实际电容电压转换为归一化电压。当然，可以理解的是，在其他实施例中，本发明也可以通过其他归一化处理方法来实现归一化，而并不局限于通过最小公倍数来进行归一化。
举例而言，以上述表一为例，本发明可设置STD作为归一化系数，然后通过将第k个模组内部的第x个子模块的实际电容电压UMk_x扩大STD/UMk倍后作为对应的归一化电压，进而对同一桥臂内所有子模块的归一化电压进行组间排序，以获得第二电压序列。其中，例如可采用R个模组的子模块基准电容电压UM1，UM2……UMR的最小公倍数来作为归一化系数，但并不以此为限。
在本发明中，一插入值可用于期望电平的跳变台阶，其可为取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。所述集合{INTERk}中的每一个元素满足公式1：
INTERk＝X1*UM1+X2*UM2+…+Xi*UMR (公式1)
其中，UMR为第R个模组中的子模块对应的基准电容电压，X1,X2,…,Xi均为整数(包括正整数和负整数)。并且，INTERk满足：0<INTERk≤min(UM1,UM2,…,UMR)(即MIN)。
举例而言，以上述表一为例，假设UM1＝3KV，UM2＝5KV，根据上述公式1，可以算出INTER_1＝1KV，INTER_2＝2KV，INTER_3＝3KV。并且UM1，UM2中的最小电压为3KV(即MIN＝3KV)。
根据上述方法设置期望电平的跳变台阶，可以更为灵活地控制跳变台阶，改善系统交流侧的THD。
如图5所示，本发明是要将第k个模组内部的第x个子模块的归一化电压控制在预设的电压上下限范围内，具体的，例如将第k个模组的第x个子模块的实际电容电压UMk_x的STD/UMk倍(即UMk_x*STD/UMk)控制在一定的电压上下限范围之内，即控制在电压上限Uup_limit和电压下限Udown_limit之内。
图6A示出了本发明以半桥结构为例的功率变换电路的切入状态，其中是将开关管S1导通，开关管S2关断称为“功率变换电路切入”，此时功率变换电路中的电流流通路径如图中虚线所示。由于在同一个子模块中，所有处于接入模式的功率变换电路是采用相同的驱动信号，因此，此时的子模块也处于切入状态，即可称为“子模块切入”。
图6B示出了本发明以半桥结构为例的功率变换电路的切出状态，其中是将开关管S2导通，开关管S1关断称为“功率变换电路切出”，此时功率变换电路中的电流流通路径如图中虚线所示。由于在同一个子模块中，所有处于接入模式的功率变换电路是采用相同的驱动信号，因此，此时的子模块也处于切出状态，即可称为“子模块切出”。
图7A示出了本发明以半桥结构为例的功率变换电路的充电状态，其中，在切入状态下，此时的电流方向(如图7A中虚线所示)是使功率变换电路的电容C处于充电状态，即称为“功率变换电路充电”。由于在同一个子模块中，所有处于接入模式的功率变换电路是采用相同的驱动信号，因此，此时的子模块也处于充电状态，即可称为“子模块充电”。
图7B示出了本发明以半桥结构为例的功率变换电路的放电状态，其中，在切入状态下，此时的电流方向(如图7B中虚线所示)是使功率变换电路的电容C处于放电状态，即称为“功率变换电路放电”。由于在同一个子模块中，所有处于接入模式的功率变换电路是采用相同的驱动信号，因此，此时的子模块也处于放电状态，即可称为“子模块放电”。
如图8所示，本发明的输电系统可包括有模块化多电平换流器(MMC)100及控制系统200。其中，所述模块化多电平换流器100的结构例如可具有如图1所示的结构。所述控制系统200是与所述模块化多电平换流器100相连接，并用以对其进行控制。
在本发明中，所述控制系统200例如可进一步包括检测单元201、分组单元202、排序单元203以及调制算法单元204。
所述检测单元201是用于检测每个子模块中的每个功率变换电路的电容的实际电压，并据此计算每个子模块的实际电容电压；同时根据每个子模块中的每个功率变换电路的电容的基准电压，计算每个子模块的基准电容电压。
所述分组单元202是用于根据所述基准电容电压，将桥臂中所有的子模块划分为R个模组，其中R为大于等于1的整数，且同一模组内的各个子模块的基准电容电压相同，不同模组间的子模块的基准电容电压不同。
所述排序单元203是用于在同一模组内，对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，以获得第一电压序列；在不同模组间，通过将每个子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并通过对桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，可以获得第二电压序列。
所述调制算法单元204是用于根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至桥臂的实际电平与期望电平相一致，其中，桥臂的实际电平是对应于桥臂内处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，期望电平是以一插入值INTER为台阶进行跳变，所述插入值INTER是取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。
相应地，如图9所示，本发明的模块化多电平换流器(MMC)的控制方法主要包括以下步骤：
步骤S901，检测每个子模块中每个功率变换电路的电容的实际电压，并据此计算每个子模块的实际电容电压；
步骤S902，根据每个子模块中每个功率变换电路的电容的基准电压，计算每个子模块的基准电容电压；
步骤S903，根据基准电容电压，将桥臂中所有子模块划分为R个模组，其中R为大于等于1的整数，且同一模组内的各个子模块的基准电容电压相同，不同模组间的子模块的基准电容电压不同；
步骤S904，在同一模组内，对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，以获得第一电压序列；
步骤S905，在不同模组间，通过将每个子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并通过对桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，可以获得第二电压序列；以及
步骤S906，根据每个子模块的充放电状态、第一电压序列和第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至桥臂的实际电平与期望电平相一致，其中桥臂的实际电平对应于桥臂内处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，并且，期望电平是以一插入值INTER为台阶进行跳变，所述插入值INTER是取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。
较佳地，在本发明中，根据每个子模块的充放电状态、第一电压序列和第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块的步骤包括：
当桥臂的初始电平小于期望电平时，若电流对子模块充电，则根据第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入；若电流对子模块放电，则根据第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入；
当桥臂的初始电平大于期望电平时，若电流对子模块充电，则根据第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出；若电流对子模块放电，则根据第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出。
更佳地，在本发明中，在确定需要切入的子模块的步骤后还可进一步包括以下步骤：
当进行切入后，根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到桥臂的计算电平，当计算电平小于期望电平时，若电流对子模块充电，则继续根据第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入，直至桥臂的实际电平大于或等于期望电平；若电流对子模块放电，则继续根据第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入，直至桥臂的实际电平大于或等于期望电平；特别是当桥臂的实际电平大于期望电平时，则还需要进行以下流程：
当计算电平大于期望电平时，若电流对子模块充电，则根据第一电压序列和第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出，或者选择至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；若电流对子模块放电，则根据第一电压序列和第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；当桥臂的实际电平等于期望电平时，结束对子模块的切入和切出的控制。
例如，当计算电平大于期望电平时，若电流对子模块充电，则可根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压最低的模组内实际电容电压最高的子模块进行切出，或者在一个实施例中，还可以根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压较高的模组内实际电容电压最高的子模块进行切出并同时选择对基准电容电压较低的模组内实际电容电压最低的子模块进行切入，以使桥臂的实际电平等于期望电平；若电流对子模块放电，则可根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压最低的模组内实际电容电压最低的子模块进行切出，或者在一个实施例中，还可以根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压高的模组内实际电容电压最低的子模块进行切出并同时选择对基准电容电压低的模组内实际电容电压最高的子模块进行切入，以使桥臂的实际电平等于期望电平；当桥臂的实际电平等于期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
更佳地，在本发明中，在确定需要切出的子模块的步骤后还可进一步包括以下步骤：
当进行切出后，根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到桥臂的计算电平，当桥臂的计算电平大于期望电平时，若电流对子模块充电，则继续根据第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出，直至桥臂的实际电平小于或等于期望电平；若电流对子模块放电，则继续根据第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出，直至桥臂的实际电平小于或等于期望电平；特别是当桥臂的实际电平小于期望电平时，则还需要进行以下流程：
当桥臂的计算电平小于期望电平时，若电流对子模块充电，则可根据第一电压序列和第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；若电流对子模块放电，则可根据第一电压序列和第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；当桥臂的实际电平等于期望电平时，结束对子模块的切入和切出的控制。
例如，当桥臂的计算电平小于期望电平时，若电流对子模块充电，则可根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压最低的模组内实际电容电压最低的子模块进行切入，或者在一个实施例中，还可以根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压较高的模组内实际电容电压最低的子模块进行切入并同时选择对基准电容电压较低的模组内实际电容电压最高的子模块进行切出；若电流对子模块放电，则可根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压最低的模组内实际电容电压最高的子模块进行切入，或者在一个实施例中，还可以根据第一电压序列和第二电压序列选择对基准电容电压较高的模组内实际电容电压最高的子模块进行切入并同时选择对基准电容电压较低的模组内实际电容电压最低的子模块进行切出。
当桥臂的实际电平等于期望电平时，结束对子模块的切入和切出的控制。
较佳地，为了实现更好的均压控制效果，并保证所有子模块的电容电压均在其允许的电压范围内，在本发明中，在根据每个子模块的充放电状态、第一电压序列和第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块的步骤后，进一步还可包括：在多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据子模块的充放电状态、第一电压序列、以及第二电压序列，从多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使桥臂的实际电平维持不变。
更佳地，进行置换的步骤可包括：
当电流对子模块充电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于电压上限时，则将该者进行切出，并根据第一电压序列和第二电压序列，从多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使桥臂的实际电平维持不变；
当电流对子模块充电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于电压下限时，则将该者进行切入，并根据第一电压序列和第二电压序列，从多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使桥臂的实际电平维持不变；
当电流对子模块放电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于电压下限时，则将该者进行切出，并根据第一电压序列和第二电压序列，从多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使桥臂的实际电平维持不变；
当电流对子模块放电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于电压上限时，则将该者进行切入，并根据第一电压序列和第二电压序列，从多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使桥臂的实际电平维持不变。
如图10A所示，示出了本发明的一较佳的模块化多电平换流器(MMC)的控制方法的流程，其主要由三部分组成：组内排序和组间排序、调制算法和置换。其中，组内排序和组间排序在上文已有详细描述，在此不再赘述。
如图10B所示，进一步示出了图10A中的调制算法步骤的一较佳实施例的流程：首先得到期望电平，当实际电平小于期望电平时，根据电流方向对子模块的充放电以及组内排序结果(即第一电压序列)和组间排序结果(即第二电压序列)，确定切入哪些子模块；当实际电平大于期望电平时，根据电流对子模块的充放电以及组内排序结果(即第一电压序列)和组间排序结果(即第二电压序列)，确定切出哪些子模块。
如图10C所示，进一步示出了图10A中的置换步骤的一较佳实施例的流程：根据子模块对应的归一化电压是否超出电压上限Uup_limit或电压下限Udown_limit、电流对子模块的充放电以及组间排序结果(即第二电压序列)和组内排序结果(即第一电压序列)，将归一化电压高于电压上限Uup_limit(或低于电压下限Udown_limit)的子模块与归一化电压较小(或较大)的子模块互换切入或切出状态。
如图11A和图11B所示，分别示出了本发明的调制算法步骤中的电平升高和电平降低的期望电平的跳变方式。在本发明中，调制算法步骤的最终目标是使桥臂的实际电平和期望电平一致。并且，不管电平升高还是电平降低，期望的电平跳变都是以插入值INTER为基准，所述插入值INTER是可变的。
如图11C和图11E所示，其分别示出了本发明的调制算法步骤的两种不同的电平跳变方式，其中线L1是表示期望电平以及期望电平的跳变，线L2是表示从初始电平到计算电平的跳变，期望电平以INTER为台阶跳变。并且，在调制算法步骤中，将初始电平和期望电平之间的差值称为差值电平。
在本发明的调制算法步骤中，根据电流对子模块的充放电以及第一电压序列和第二电压序列，可以有多种方法切入或切出子模块。例如可包括以下方法：(1)根据初始电平和期望电平的大小来判断，当初始电平小于期望电平时，需要切入与差值电平相匹配的子模块，当初始电平大于期望电平时，需要切出与差值电平相匹配的子模块；(2)仅根据期望电平的大小重新确定切入或切出哪些子模块。下面都以方法(1)为例进行说明，但不应作为对本发明的限制。
如图11D所示，若初始电平小于期望电平，首先根据组间排序结果(即第二电压序列)及电流对子模块的充放电状态，判断需要切入与差值电平相匹配的子模块，根据判断结果得到计算电平。但是由于不同模组间的子模块基准电容电压不一定和插入值INTER相等，所以计算电平不一定和期望电平一致，导致最后计算电平大于或小于期望电平，此时需要通过根据第一电压序列或第二电压序列以及电流对子模块的充放电状态，来配合切入或切出一些子模块进行调节，最终使得桥臂的实际电平和期望电平一致。
如图11F所示，若初始电平大于期望电平，首先根据组间排序结果(即第二电压序列)及电流对子模块的充放电状态，判断需要切出与差值电平相匹配的子模块，根据判断结果得到计算电平。但是由于不同模组间的子模块基准电容电压不一定和插入值INTER相等，所以计算电平不一定和期望电平一致，导致最后计算电平大于或小于期望电平，此时需要通过根据第一电压序列或第二电压序列以及电流对子模块的充放电状态，来配合切入或切出一些子模块进行调节，最终使得桥臂的实际电平和期望电平一致。
如图12A所示，其示出了本发明的置换步骤的流程：(1)在电流对子模块充电(即子模块处于充电状态)的前提下，若处于切入状态的子模块对应的归一化电压高于电压上限Uup_limit，则将该子模块切出，并根据第二电压序列，将其余的处于切出状态的归一化电压较低的子模块切入，并保证所述桥臂的实际电平维持不变；(2)在电流对子模块充电(即子模块处于充电状态)的前提下，若处于切出状态的子模块的归一化电压低于电压下限Udown_limit，则将该子模块切入，并根据第二电压序列，将其余的处于切入状态的归一化电压较高的子模块切出，并保证所述桥臂的实际电平维持不变；(3)在电流对子模块放电(即子模块处于放电状态)的前提下，若处于切入状态的子模块的归一化电压低于电压下限Udown_limit，则将该子模块切出，并根据第二电压序列，将其余的处于切出状态的归一化电压较高的子模块切入，并保证所述桥臂的实际电平维持不变；(4)在电流对子模块放电(即子模块处于放电状态)的前提下，若处于切出状态的子模块的归一化电压高于电压上限Uup_limit，将该子模块切入，并根据第二电压序列，将其余的处于切入状态的归一化电压较低的子模块切出，并保证所述桥臂的实际电平维持不变。
如图12B所示，上述四种情况会产生以下两种效果：(1)当模组内部的子模块(例如模组x内部)互换切入或切出状态时，电平不发生变化，置换结束；(2)当模组间的子模块(例如模组x和模组y)互换切入或切出状态时，需要进一步切入或切出一些子模块，使得桥臂的实际电平维持不变。
第一实施例：下面将以R＝2(即共有两个模组：模组1和模组2)，UM1＝1KV，UM2＝2KV，归一化系数STD＝2KV，INTER_1＝1KV为例，具体说明如何通过本发明的控制方法，增加系统电平数，减小系统THD。
步骤1：假设在一个桥臂内，模组1中子模块的个数为M1，模组2中子模块的个数为M2，模组1中子模块的基准电容电压为UM1＝1KV，模组2中子模块的基准电容电压为UM2＝2KV，所以MIN＝1KV，STD＝2KV，INTER_1＝1KV，并设定电压上限为Uup_limit，电压下限为Udown_limit；
步骤2：对模组1中的M1个子模块的实际电容电压UM1_x(x＝1,2……M1，表示模组1中第x个子模块)进行组内排序，得到第一电压序列；
步骤3：对模组2中的M2个子模块的实际电容电压UM2_x(x＝1,2……M2，表示模组2中第x个子模块)进行组内排序，得到第一电压序列；
步骤4：根据归一化系数STD，将M1+M2个子模块的实际电容电压UM1_x或UM2_x转换为对应的归一化电压，即分别将UM1_x与STD/UM1相乘，得到2*UM1_x，将UM2_x与STD/UM2相乘，得到1*UM2_x，进而对M1+M2个子模块的归一化电压进行组间排序，得到第二电压序列；
步骤5：生成以1KV(INTER_1)为台阶的期望电平；
步骤6：根据闭环控制得到期望电平，期望电平是以INTER_1＝1KV为台阶进行跳变的，并判断初始电平和期望电平的大小，若初始电平小于期望电平，则执行步骤7；若初始电平大于期望电平，则执行步骤8；若初始电平等于期望电平，则执行步骤9；
步骤7：根据电流对子模块的充放电状态，以及第二电压序列，选择与差值电平相匹配的子模块进行切入；并在切入后，根据切入的子模块的实际电容电压得到计算电平，当计算电平大于或小于期望电平时，继续根据第一电压序列、第二电压序列以及子模块的充放电状态，判断需要切入或切出的子模块，直至桥臂的实际电平等于期望电平；当计算电平等于期望电平时，结束对子模块的切入和切出控制；执行步骤9；
步骤8：根据电流对子模块的充放电状态，以及第二电压序列，选择与差值电平相匹配的子模块进行切出；并在切出后，根据切入的子模块的实际电容电压得到计算电平，当计算电平大于或小于期望电平时，继续根据第一电压序列、第二电压序列以及子模块的充放电状态，判断需要切出或切入的子模块，直至桥臂的实际电平等于期望电平；当计算电平等于期望电平时，结束对子模块的切入和切出控制；执行步骤9；
接下来为限幅置换的步骤：
步骤9：判断处于切入和切出状态的M1+M2个子模块对应的归一化电压是否超出电压限值，具体的，当电流对子模块充电时，若处于切入状态的一个子模块的归一化电压高于电压上限，则执行步骤10；若处于切出状态的一个子模块的归一化电压低于电压下限，则执行步骤11；当电流对子模块放电时，若处于切入状态的一个子模块的归一化电压低于电压下限，则执行步骤12；若处于切出状态的一个子模块的归一化电压高于电压上限，则执行步骤13；
步骤10：将该子模块切出，并根据第一电压序列和第二电压序列，从剩余的处于切出状态的子模块中选择一个或多个归一化电压较低的子模块进行切入，并维持桥臂的实际电平不变；执行步骤14；
步骤11：将该子模块切入，并根据第一电压序列和第二电压序列，从剩余的处于切入状态的子模块中选择一个或多个归一化电压较高的子模块进行切出，并维持桥臂的实际电平不变；执行步骤14；
步骤12：将该子模块切出，并根据第一电压序列和第二电压序列，从剩余的处于切出状态的子模块中选择一个或多个归一化电压较高的子模块进行切入，并维持桥臂的实际电平不变；执行步骤14；
步骤13：将该子模块切入，并根据第一电压序列和第二电压序列，从剩余的处于切入状态的子模块中选择一个或多个归一化电压较低的子模块进行切出，并维持桥臂的实际电平不变；执行步骤14；
步骤14：结束；
第二实施例：下面将以R＝2(即共有两个模组)，UM1＝2KV，UM2＝3KV，MIN＝2KV，STD＝6KV，INTER_1＝1KV，INTER_2＝2KV为例，具体说明如何通过本发明的控制方法，实现增加系统电平数，减小系统THD。
步骤1：假设在一个桥臂内，模组1中子模块的个数为M1，模组2中子模块的个数为M2，模组1中子模块的基准电容电压为UM1＝2KV，模组2中子模块的基准电容电压为UM2＝3KV，所以MIN＝2KV，STD＝6KV，INTER_1＝1KV，INTER_2＝2KV，电压上限为Uup_limit，电压下限为Udown_limit；
步骤2：对模组1的M1个子模块实际电容电压UM1_x(x＝1,2……M1，表示模组1中第x个子模块)进行组内排序，得到第一电压序列；
步骤3：对模组2的M2个子模块实际电容电压UM2_x(x＝1,2……M2，表示模组1中第x个子模块)进行组内排序，得到第一电压序列；
步骤4：根据归一化系数STD，将模组1中的M1个子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，即将UM1_x与STD/UM1相乘，得到3*UM1_x，将模组2中的M2个子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，即将UM2_x与STD/UM2相乘，得到2*UM2_x，进而对M1+M2个子模块的归一化电压进行模组间排序，得到第二电压序列；
步骤5：生成以1KV(INTER_1)和2KV(INTER_2)为台阶的期望电平；
步骤6：根据闭环控制得到期望电平，期望电平是以INTER_1＝1KV，INTER_2＝2KV中的其中一个或两个进行组合后的结果为台阶进行跳变的，并判断初始电平和期望电平的大小，若初始电平小于期望电平，则执行步骤7；若初始电平大于期望电平，则执行步骤8；若初始电平等于期望电平，则执行步骤9；
由于步骤7和步骤8为根据子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至桥臂的实际电平与期望电平相一致，其步骤与第一实施例的步骤7和步骤8相同，此处不再赘述。
进一步的，为了保证所有子模块的实际电容电压保持在一定的电压范围内，以达到更好的电压均衡效果，还可以增加限幅置换步骤。
由于第二实施例的限幅置换和第一实施例的限幅置换过程一样(即可参考第一实施例中的步骤9～步骤14)，这里不再赘述。
模块化多电平换流器(MMC)的增电平方法控制策略效果如图13A和图13B所示，其中，仿真是在R＝2(即共有两个模组)，UM1＝960V，UM2＝1920V，STD＝1920V，M1＝8，M2＝8为例的基础上进行的，图13A表示的是传统控制方法下MMC的交流侧线电压波形，此时的THD＝1.06％，图13B表示的是本发明的增电平控制方法下的线电压波形，此时的THD＝0.84％。
通过本发明的控制方法，增加了系统电平数，提高了THD，提高了模块利用率和系统可靠性。
以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应该理解，本发明不限于所公开的实施方式，相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。

Claims (19)

1.一种模块化多电平换流器的控制方法，所述模块化多电平换流器包括一桥臂电路，所述桥臂电路包括至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块，每个所述子模块包括一个或多个串联连接的功率变换电路，每个所述功率变换电路包括一电容，其特征在于，该控制方法包括以下步骤：
检测每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的实际电压，并据此计算每个所述子模块的实际电容电压；
根据每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的基准电压，计算每个所述子模块的基准电容电压；
根据所述基准电容电压，将所述桥臂中所述多个子模块划分为R个模组，其中R为大于等于1的整数，且同一模组内的各个子模块的基准电容电压相同，不同模组间的子模块的基准电容电压不同；
在同一模组内，对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，以获得第一电压序列；
在不同模组间，将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并对所述桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，以获得第二电压序列；以及
根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至所述桥臂的实际电平与期望电平相一致，其中，所述桥臂的实际电平对应于所述桥臂内处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，并且，所述期望电平是以一插入值为台阶进行跳变，所述插入值是取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述集合{INTERk}中的每一个元素满足：
INTERk＝X1*U1+X2*U2+…+Xi*UR，
其中，UR为第R个模组中的子模块对应的基准电容电压，X1,X2,…,Xi均为整数，并且，INTERk满足：0<INTERk≤min(U1,U2,…,UR)。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在不同模组间，是根据每个模组对应的子模块的基准电容电压，计算得到一归一化系数，并根据所述归一化系数将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的所述归一化电压。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块的步骤包括：
当所述桥臂的初始电平小于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入；
当所述桥臂的初始电平大于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出。
5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在确定需要切入的子模块的步骤后还包括以下步骤：
根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出，或者选择至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
6.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，在确定需要切出的子模块的步骤后还包括以下步骤：
根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列和所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块的步骤后，还包括以下步骤：
在所述多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据所述子模块的充放电状态、所述第一电压序列以及所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，在所述多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据所述子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换的步骤包括：
当电流对所述子模块充电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块充电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
9.一种模块化多电平换流器的控制系统，其特征在于，所述模块化多电平换流器包括一桥臂电路，所述桥臂电路至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块，每个所述子模块包括一个或多个串联连接的功率变换电路，每个所述功率变换电路包括一电容，其特征在于，所述控制系统包括：
检测单元，其是用于检测每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的实际电压，并据此计算每个所述子模块的实际电容电压；同时根据每个所述子模块中的每个所述功率变换电路的所述电容的基准电压，计算每个所述子模块的基准电容电压；
分组单元，其是用于根据所述基准电容电压，将所述桥臂中所述多个子模块划分为R个模组，其中R为大于等于1的整数，且同一模组内的各个子模块的基准电容电压相同，不同模组间的子模块的基准电容电压不同；
排序单元，其是用于在同一模组内，对该模组内的各个子模块的实际电容电压进行组内排序，以获得第一电压序列；在不同模组间，通过将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的归一化电压，并对所述桥臂中所有子模块的归一化电压进行组间排序，以获得第二电压序列；
调制算法单元，其是用于根据每个子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，确定需要切入或切出的子模块，直至所述桥臂的实际电平与期望电平相一致，其中，所述桥臂的实际电平对应于所述桥臂内处于切入状态的多个子模块的实际电容电压之和，所述期望电平是以一插入值为台阶进行跳变，所述插入值是取自于一集合{INTERk}中的一个或多个元素的组合。
10.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述集合{INTERk}中的每一个元素满足：
INTERk＝X1*U1+X2*U2+…+Xi*UR，
其中，UR为第R个模组中的子模块对应的基准电容电压，X1,X2,…,Xi均为整数，并且，INTERk满足：0<INTERk≤min(U1,U2,…,UR)。
11.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，在不同模组间，是根据每个模组对应的子模块的基准电容电压，计算得到一归一化系数，并根据所述归一化系数将每个所述子模块的实际电容电压转换为对应的所述归一化电压。
12.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述调制算法单元用于：
在所述桥臂的初始电平小于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入；
在所述桥臂的初始电平大于所述期望电平时，若电流对所述子模块充电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出；若电流对所述子模块放电，则根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出。
13.根据权利要求12所述的控制系统，其特征在于，所述调制算法单元进一步用于：
在切入子模块后，根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切入，直至所述桥臂的实际电平大于或等于所述期望电平；
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出，或者选择至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
14.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述调制算法单元进一步用于：
在切出子模块后，根据处于切入状态的子模块的实际电容电压，得到所述桥臂的计算电平，
当所述计算电平大于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最高的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
若电流对所述子模块放电，则继续根据所述第二电压序列选择归一化电压最低的子模块进行切出，直至所述桥臂的实际电平小于或等于所述期望电平；
当所述计算电平小于所述期望电平时，
若电流对所述子模块充电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切出；
若电流对所述子模块放电，则根据所述第一电压序列和所述第二电压序列选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入，或者选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压高的子模块进行切入并同时选择对至少一个模组内至少一个实际电容电压低的子模块进行切出；
当所述桥臂的实际电平等于所述期望电平时，结束对所述子模块的切入和切出的控制。
15.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：
置换单元，其是用于在所述多个子模块中的一者的归一化电压高于一电压上限或低于一电压下限时，根据所述子模块的充放电状态、所述第一电压序列、以及所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
16.根据权利要求15所述的控制系统，其特征在于，所述置换单元具体用于：
当电流对所述子模块充电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块充电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述多个子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切入状态的多个子模块中的一者的归一化电压低于所述电压下限时，则将该者进行切出，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变；
当电流对所述子模块放电时，若处于切出状态的多个子模块中的一者的归一化电压高于所述电压上限时，则将该者进行切入，并根据所述第一电压序列和所述第二电压序列，从所述子模块中的剩余者选择至少其中之一与该者进行置换，以使所述桥臂的实际电平维持不变。
17.根据权利要求9所述的控制系统，其特征在于，每一所述功率变换电路的输出端并联有旁路开关，当所述旁路开关闭合时对应的所述功率变换电路是处于旁路模式，当所述旁路开关断开时对应的所述功率变换电路是处于接入模式，所述子模块的基准电容电压等于处于所述接入模式的所述功率变换电路的所述电容的基准电压之和。
18.根据权利要求17所述的控制系统，其特征在于，在同一所述子模块中，所有处于接入模式的所述功率变换电路采用相同的驱动信号。
19.一种输电系统，其特征在于，包括：
模块化多电平换流器，所述模块化多电平换流器包括一桥臂电路，所述桥臂电路包括至少一桥臂，每一所述桥臂包括串联连接的多个子模块，每个所述子模块包括一个或多个串联连接的功率变换电路，每个所述功率变换电路包括一电容；以及
如权利要求9～18中任一权利要求所述的控制系统。
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