CN113794393A - 一种基于模组解耦控制的混合型mmc器件损耗优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法。首先根据MMC基本运行原理计算各桥臂的输出电压。以降低混合型MMC中损耗最高的器件即半桥子模块下部绝缘栅双极型晶体管的功耗为目标，在满足桥臂输出电压需求、模组一个工频周期内的充放电荷守恒、模组输出能力的前提下，计算半桥模组和全桥模组的平均开关函数。根据模组平均开关函数计算桥臂中需要投入的半桥子模块的个数及全桥子模块的个数，在模组内应用电压排序算法投切子模块。应用本发明提供的方法可以保证MMC正常工作的同时改善损耗分布，使热量分布更加均匀，降低因热应力导致的器件损坏的概率。

Description

一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体为一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular multi-level converter,MMC):是换流器的一种拓扑结构，该设备包含六个桥臂，每个桥臂中由几十乃至几百个子模块组成，由于输出波形中包含多个电平，因此称为模块化多电平换流器，该拓扑是当前高压直流输电换流器的研究热点。混合型MMC一个桥臂中的子模块种类不只一种，包含至少两种。全桥半桥1:1混合型MMC桥臂中包括半桥型子模块和全桥型子模块两种，且两种子模块的个数配比为1:1。针对工作于逆变状态的全桥-半桥1:1混合型MMC，当采用传统均压排序算法时，全/半桥子模块的开关器件存在损耗及热应力分布不均衡问题，尤其是半桥子模块的T2管通态损耗大，这会降低设备长期运行的可靠性。均压算法在实际应用中，需要保证桥臂中上百个子模块电容电压波动尽量保持一致，需要对桥臂中的子模块进行闭环均压控制。传统均压排序算法首先对检测到的全桥及半桥子模块电容电压根据大小一起排序；然后根据桥臂电流方向对子模块进行合理投切：假设当前需要投入n个子模块，当桥臂电流为正值时，则投入n个电压最低的子模块；反之，则投入n个电压最高的子模块。实际工作时，某一桥臂中所有的全桥子模块动作特性基本一致，为便于分析，可以称为全桥模组；类似，桥臂中的半桥子模块动作特性基本一致，可以将它们统称为半桥模组。器件开关函数表示开关动作状态的数值，1表示导通；0表示关断。模组平均开关函数表示一个模组中投入的子模块数量与该类型所有子模块数的比值。模组解耦控制：将全桥模组及半桥模组独立分别进行控制，通过独立分配全桥及半桥的平均开关函数，来实现开关器件损耗分布特性的优化。

模块化多电平换流器MMC具有开关损耗小、无器件动/静态均压问题等优势。目前，国内外高压直流输电工程中换流器均采用MMC拓扑。在应用于架空线输电场合时，由于输电线路裸漏在外，易发生直流短路故障。兼顾直流短路故障穿越能力、构建成本及运行效率，全桥-半桥1:1混合型MMC(如图1所示)已成为高压直流输电换流器的优选拓扑，混合型MMC已成功应用于我国的乌东德直流工程。由于半桥及全桥子模块拓扑结构的差异性，工作于逆变状态的混合型MMC存在器件损耗及热应力分布不均衡问题，其中半桥子模块T2管的损耗尤为突出，而损耗分布直接决定开关器件的选型、散热系统的设计，半桥子模块T2管损耗过大会降低整体装置长期运行的可靠性。针对上述问题，实际工程中开关器件的额定电流参数选取较大，这会增加设备的成本；此外，损耗分布不均也会影响散热的设计以及开关器件的热应力。改善混合型MMC的损耗分布，降低损耗突出的开关器件可以降低开关器件的规格，节约成本；降低损耗分布的不均衡程度也有利于散热系统的设计。因此，改善混合型MMC的损耗分布具有实际应用意义和经济效益。

目前，采用注入二倍频环流和注入三倍频电压的方法虽然可在一定程度上降低了MMC的总损耗，但是未对子模块器件损耗分布特性进行优化，对子模块开关器件损耗分布特性改善作用很弱。轮换调制的方法可改善全桥型子模块器件损耗分布的效果。由于拓扑结构的限制，半桥子模块在输出正、负及零电平时，不存在轮换调制作用对于半桥子模块，无法使用轮换调制。因此，轮换调制无法改善混合型MMC中的损耗分布不均更为突出半桥子模块中。此外，现有的混合型MMC的控制方法中，全桥子模块工作于半桥子模块的方式，半桥及全桥子模块在均压控制中的强耦合性对优化器件损耗分布特性带来很大的困难。

本发明提出一种基于全/半桥模组解耦控制的器件损耗分布特性优化控制方法，在保证换流器输出电能质量的前提下，通过独立分配全桥及半桥的平均开关函数，改善子模块间/内的器件损耗分布特性，以提高设备长期运行的可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供了具有，改善子模块间/内的器件损耗分布特性，以提高设备长期运行的可靠性的一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法。

本发明要解决的技术问题的技术方案是：一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，应用于模块化多电平换流器，所述换流器的各桥臂中有多个子模块组成，所述子模块包括全桥子模块和半桥子模块，其特征在于：

步骤1、根据换流器需要输出的内电势e_jref，以及公式0计算各桥臂的输出电压u_pjref、u_njref，

其中j表示电源的相信息，u_pjref及u_njref分别为j相上桥臂及下桥臂输出电压的指令值，U_dc表示直流侧额定电压；

步骤2、计算桥臂中需要投入的半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh；

步骤2.1、稳定状态下，桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh满足公式1，

n_paf×U_C+n_pah×U_C＝u_paref (1)

其中，U_C为子模块电容额定电压；

在全桥模组及半桥模组中的子模块电容电压均衡时，全桥模组平均开关函数S_paf及半桥模组平均开关函数S_pah满足公式2：

S_paf×N/2×U_c+S_pah×N/2×U_c＝u_paref (2)

其中，N为桥臂中的子模块总个数；

步骤2.2、全桥子模块和半桥子模块电容在一个工频周期内的充放电电荷应守恒，即模组平均开关函数应满足公式3：

步骤2.3、正常运行时，全/半桥子模块只输出正电平及零电平，平均开关函数满足公式5：

步骤3、根据步骤2中的公式计算出半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh

步骤4、根据计算出的各桥臂中需要投入的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh控制桥臂中的全桥子模块及半桥子模块。

一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，应用于模块化多电平换流器，所述换流器的各桥臂中有多个子模块组成，所述子模块包括全桥子模块和半桥子模块，其特征在于：

步骤1、根据换流器需要输出的内电势e_jref，以及公式0计算各桥臂的输出电压u_pjref、u_njref，

其中j表示电源的相信息，u_pjref及u_njref分别为j相上桥臂及下桥臂输出电压的指令值，U_dc表示直流侧额定电压；

步骤2、计算桥臂中需要投入的半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh；

步骤2.1、稳定状态下，桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh满足公式1，

n_paf×U_C+n_pah×U_C＝u_paref (1)

其中，U_C为子模块电容额定电压；

在全桥模组及半桥模组中的子模块电容电压均衡时，全桥模组平均开关函数S_paf及半桥模组平均开关函数S_pah满足公式2：

S_paf×N/2×U_c+S_pah×N/2×U_c＝u_paref (2)

其中，N为桥臂中的子模块总个数；

步骤2.2、全桥子模块和半桥子模块电容在一个工频周期内的充放电能量守恒，即模组平均开关函数应满足公式4：

步骤2.3、正常运行时，全/半桥子模块只输出正电平及零电平，平均开关函数应满足公

式5：

步骤3、根据步骤2中的公式计算出半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh：

步骤4、根据计算出的各桥臂中需要投入的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh控制桥臂中的全桥子模块及半桥子模块。

更好的，所述步骤4中：对桥臂中的全桥子模块及半桥子模块进行排序控制及控制投切。

更好的，首先对桥臂中半桥模组中子模块与全桥模组中子模块根据检测到的电容电压根据大小分别进行排序；然后根据桥臂电流方向投切子模块：对于全桥模组，当桥臂电流为正值时，则投入n_f个电容电压最低的子模块；反之，则投入n_f个电容电压最高的子模块；对于半桥模组，当桥臂电流为正值时，则投入n_h个电容电压最低的子模块；反之，则投入n_h个电容电压最高的子模块。

更好的，控制半桥子模块在一个基频周期内的充放电的电荷最大，即半桥模组的参与度最大。

更好的，在桥臂电流为负值时，投入全部的全桥子模块，即当上桥臂电流小于等于0时，半桥模组平均开关函数为1，此时区间内半桥模组放电电荷为Q₃；在桥臂电流大于零且桥臂输出电压指令大于全桥模组输出电压时，半桥模组输出电压等于桥臂输出电压指令与全桥模组可输出电压之差，即：在桥臂电流大于零且桥臂输出电压指令大于全桥模组输出电压且桥臂输出电压的指令值大于等于一半的子模块的子模块电容额定电压之和；半桥模组平均开关函数为-msinωt，其中m为运行调制比，此时区间内半桥模组充电电荷为Q2；半桥模组开关函数在前半周期内的充电电荷满足：Q1＝Q3-Q2。

更好的，当换流器运行于单位功率因数时，降低半桥子模块下部绝缘栅双极型晶体管损耗，利于损耗分布均衡的条件为：前半周期充电电荷Q1所对应前半周期内的半桥模组开关函数连续，且其中点为π/2时。

本发明的有益效果为：

(1)对现有排序均压控制算法，可以推导出在桥臂电流较大时，流经半桥子模块T2管的时间更长些，而损耗与电流密切相关，因此器件的通态损耗及开关损耗大。基于上述分析，模组解耦控制的思路是在桥臂电流较大时，通过改变电流的路径，减小半桥子模块中T2管的导通时间，进而可以减小其通态损耗。

(2)现有的全桥子模块的轮换调制机制，可以改善全桥子模块的器件损耗分布，但是无法改善半桥子模块器件损耗分布。而模组解耦控制，通过在桥臂电流较大时，通过增大半桥模组平均开关函数，减小半桥子模块的T2管的损耗；由于全桥模组平均开关函数减少，其输出零电平时间增加，但是由于其轮换调制机制，可以在改善半桥子模块器件损耗分布特性的基础上兼顾全桥子模块器件损耗分布特性。

(3)通过分析发现，在桥臂电流较大的时刻，使半桥子模块充电或放电的电荷量最大，最有利于降低半桥子模块T2的通态损耗及开关损耗。当混合型MMC运行于不同工况时，例如改变调制比或改变功率因数，都可以根据迭代计算得到最有利于降低T2管通态及开关损耗的全桥及半桥模组的平均开关函数。

(4)通过分析不同投切子模块状态下的器件损耗分布发现，模组解耦控制不会影响器件的通态损耗；同时，由于桥臂中的所有子模块存在一段时间内容一直投入及旁路的状态，这有利于降低开关损耗。

(5)改善子模块器件损耗的分布，尤其是降低半桥子模块开关器件T2的通态损耗及开关损耗，有利于降低器件散热器的体积，有利于降低成本及提高子模块的功率密度。

(6)对于换流器的故障，有相当部分比例是由于器件发热严重引起，因此改善全桥及半桥子模块器件损耗分布特性，尤其是降低半桥子模块开关器件T2的通态损耗及开关损耗，有利于降低换流器的故障发生概率，有利于提高设备长期运行的可靠性。

附图说明

图1混合型MMC拓扑结构。

图2为所提的基于模组解耦控制的控制框图。

图3半桥模组参与度最大时的半桥模组平均开关函数示意图。

图4采用传统排序算法的半桥子模块损耗分布计算结果。

图5采用轮换调制的全桥子模块损耗分布计算结果。

图6基于最佳解耦控制的子模块器件损耗计算结果。

图7采用轮换调制的全桥子模块损耗分布计算结果。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和有益效果更加清楚，下面对本发明的实施方式做进一步的详细解释。

一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，本方法应用于现有技术中的换流器控制系统。包括以下步骤：

步骤1、如图2所示，是基于现有技术的一种基于模组解耦控制的控制框图。其中锁相环用于计算交流电网电压的实时相位θ；功率外环及电流内环用于实现对换流器输出功率的控制，其输出量为三相内电势e_jref(j＝a,b,c)；环流抑制环用于抑制换流器内部的高次谐波环流，其输出量为三相的共模电压调整量u_diffjref(j＝a,b,c)；上述控制方案仍可采用现有成熟的控制方案。根据上述变量，由如下公式可计算出六个桥臂输出电压指令：

其中，u_pjref及u_njref分别为相上桥臂及下桥臂输出电压的指令值，U_dc表示直流侧额定电压。其中j＝a或b或c，即三相交流电的三相电源。

步骤2、以下步骤中列出了实现功耗均衡、功耗降低的条件，即下桥臂中需要投入的半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh时所要实现功耗均衡和功耗降低的条件。

步骤2.1

在计算出各桥臂输出电压指令后，根据如下三方面及五个公式的约束，计算桥臂中需要投入的半桥及全桥子模块的个数。

首先需要满足桥臂输出电压需求。

以A相上桥臂为例，稳定状态下，全桥及半桥子模块投入个数n_paf及n_pah应满足：

n_paf×U_C+n_pah×U_C＝u_paref (1)

其中，U_C为子模块电容额定电压。

在全桥模组及半桥模组中的子模块电容电压均衡时，全桥模组平均开关函数S_paf及半桥模组平均开关函数S_pah应满足：

S_paf×N/2×U_c+S_pah×N/2×U_c＝u_paref (2)

其中，N为桥臂中的子模块总个数。

步骤2.2

其次需要满足电容电压均衡需求。

全桥子模块或半桥子模块电容在一个工频周期内的充放电电荷应守恒，即模组平均开关函数应满足：

以A相为例：

其中，i_pa表示A相上桥臂的电流，稳态下i_pa可表示为

其中，I_dc为直流侧额定电流；φ为功率因数角。

或者步骤2.2

满足的条件为在能量守恒的方式下进行计算：

全桥子模块和半桥子模块电容在一个工频周期内的充放电能量守恒，即模组平均开关函数应满足：

步骤2.3

最后需要满足子模块电压输出能力。正常运行时，全/半桥子模块只输出正电平及零电平，平均开关函数应满足：

当为A相时，

其他各相需要满足相同的条件。

步骤3、通过步骤2中的公式可以得到

即全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh。

步骤4、根据计算出的各桥臂中需要投入的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh控制桥臂中的全桥子模块及半桥子模块。具体的：

步骤2中在计算出各桥臂中需要投入的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh(j＝a,b,c，表示三相)后，通过分别对桥臂中的全桥子模块及半桥子模块进行排序控制及控制投切。以全桥子模块的投切为例，具体方法为：首先对桥臂中全桥子模块，根据检测到的电容电压根据大小一起排序；然后根据桥臂电流方向，当桥臂电流为正值时，则投入n_pjf个电容电压最低的全桥子模块；反之，则投入n_pjf个电容电压最高的子模块。

更好的，为降低对半桥子模块开关器件T2的通态损耗及开关损耗，应使半桥子模块在一个基频周期内的充放电的电荷最大，即半桥模组的参与度最大。同样以A相上桥臂为例，在满足条件首先需要满足桥臂输出电压需求、电容电压均衡需求、子模块电压输出能力的前提下，半桥模组平均开关函数应满足：

1)在桥臂电流为负值时(图3中的区间3)，投入全部的全桥子模块，即当i_pa≤0时，S_pah＝1，此时此区间内半桥模组放电电荷为Q₃。

2)在桥臂电流大于零且桥臂输出电压指令大于全桥模组输出电压时(图3中的区间2)，半桥模组输出电压应等于桥臂输出电压指令与全桥模组可输出电压之差，即当i_pa≤0且u_paref≥U_C*N/2，S_pah＝-msinωt，其中m为运行调制比。此时，此区间内半桥模组充电电荷为Q₂。

3)半桥模组开关函数S_pah在前半周期内的充电电荷应满足：

其中t1及t2分别为半桥模组在前半周期内t投入的起始时刻及终止时刻。

此时满足上述条件之后，计算出的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh在投入之后可以实现功耗的降低以及功耗的均衡。

进一步的，为最大程度的降低对半桥子模块开关器件T2的通态损耗及开关损耗，以A相上桥臂为例，在满足条件(3)的前提下，半桥模组在区间1即前半周期内的平均开关函数S_pah包括以下两种情况：

当换流器运行于单位功率因数时，前半周期内的S_pah应连续，且其中点为π/2；随着运行调制比的升高，S_pah在区间1内的持续的角度增大。当换流器运行于单位功率因数时，前半周期充电电荷Q₁所对应前半周期内的半桥模组开关函数连续，且其中点为π/2时，最有利于降低半桥子模块下部绝缘栅双极型晶体管(简称T2管)损耗，最有利于损耗分布均衡。

随着运行调制比的升高，最优的半桥模组开关函数在前半个周期内依然连续，中点为π/2时，但在前半个周期内的持续的时间增长。

当换流器运行于非单位功率因数时，前半周期内的S_pah连续，且其中点不再为π/2，较π/2出现偏移。当换流器运行于非单位功率因数时，最优的半桥模组开关函数在前半个周期内依然连续，但其中点不再为π/2，较π/2出现偏移。

基于上述技术方案，其效果仿真如下：

(1)模组平均开关函数的改善作用

固定运行调制比及功率因数下，为验证模组解耦控制对器件损耗分布特性的影响，分别计算基于传统排序算法及基于最佳的半桥模组参与度最大的模组解耦控制的混合型MMC器件损耗分布特性，分别如图4-图7所示。

聚焦图中半桥子模块T2的通态损耗及总损耗，发现解耦后半桥子模块T2通态损耗降低了50.83W，较解耦前降低了7.21％，与理论计算的较一致；半桥子模块T2的总损耗降低了71.66W，较解耦前降低了8.62％，与理论计算的较一致。其他功率器件也相应有所变化。这表明所提的基于最佳的半桥模组参与最强的模组解耦控制可有效改善混合型MMC器件损耗分布特性。

(2)运行调制比的影响

保持传输功率、直流侧电压及单位功率因数不变，通过改变交流侧电压，使运行调制比m依次为0.8、0.8267、0.85、0.9及0.95。表1为不同调制比下解耦控制前后的T2管通态损耗解析计算结果与仿真结果。根据表中数据可发现：1)在允许误差下，解耦控制前后，T2管损耗的仿真值与理论计算值较吻合；2)随着m增高，解耦控制对T2损耗分布改善的作用降低。

表1不同调制比下解耦控制前后T2管通态损耗仿真与计算结果对比

(3)功率因数的影响

保持视在功率、直流侧电压及交流侧电压不变，改变传输功率，使功率因数依次为0.97(滞后)、0.98(滞后)、0.99(滞后)、1、0.99(超前)、0.98(超前)及0.97(超前)。表2为不同功率因数下解耦控制前后的T2管通态损耗解析计算结果与仿真结果。根据表中数据可发现：1)在允许误差下，解耦控制前后，T2管损耗的仿真值与理论计算值较吻合；2)随着功率因数降低，解耦控制对T2损耗分布改善的作用加强。

表2不同运行功率因数下解耦控制前后T2管通态损耗仿真与计算结果对比

综上所述，由于全桥及半桥子模块工作的差异性，工作于逆变状态的混合型MMC存在子模块开关器件损耗分布严重不均衡问题；其中，半桥子模块的T2管损耗尤为突出。针对该问题，本文提出基于全/半桥模组解耦控制的子模块器件损耗分布特性的改善控制方法。首先，根据桥臂输出电压可控、全/半桥子模块电容电压均衡及子模块输出电压能力，总结出模组解耦控制的一般方法；其次，分析了模组解耦控制对器件损耗分布特性的改善机理分析，并给出模组解耦控制的具体实现方法。然后，定量分析模组解耦控制对降低T2管通态损耗的效果。最后，利用PLECS及MATLAB/Simulink仿真软件搭建了仿真模型，仿真结果验证了所提模组解耦控制的有效性，器件损耗的仿真结果验证了解耦控制对器件损耗分布特性改善作用分析的正确性。进一步，具体结论如下：

(1)半桥模组参与度最强且最有利于降低T2管的通态损耗及开关损耗。以m＝0.8267，cosφ＝1，P＝200MW的某工程为例，模组解耦控制可将半桥子模块中T2的通态损耗降低了7.22％，T2的总损耗降低了8.63％。

(2)相比于解耦控制前，在直流侧电压、传输功率及功率因数不变时，随着运行调制比的升高，模组解耦控制对T2管损耗分布特性的改善作用变弱。

(3)相比于解耦控制前，在直流侧电压、传输功率及运行调制比不变时，随着功率因数的降低，模组解耦控制对T2管损耗分布特性的改善作用增强。

上述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的范围，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡依本发明的要求范围所述的形状、构造、特征及精神所谓的均等变化与修饰，均应包括与本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，应用于模块化多电平换流器，所述换流器的各桥臂中有多个子模块组成，所述子模块包括全桥子模块和半桥子模块，其特征在于：

步骤1、根据换流器需要输出的内电势e_jref，以及公式0计算各桥臂的输出电压u_pjref、u_njref，

其中j表示电源的相信息，u_pjref及u_njref分别为j相上桥臂及下桥臂输出电压的指令值，U_dc表示直流侧额定电压；

步骤2、计算桥臂中需要投入的半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh；

步骤2.1、稳定状态下，桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh满足公式1，

n_paf×U_C+n_pah×U_C＝u_paref (1)

其中，U_C为子模块电容额定电压；

在全桥模组及半桥模组中的子模块电容电压均衡时，全桥模组平均开关函数S_paf及半桥模组平均开关函数S_pah满足公式2：

S_paf×N/2×U_c+S_pah×N/2×U_c＝u_paref (2)

其中，N为桥臂中的子模块总个数；

步骤2.2、全桥子模块和半桥子模块电容在一个工频周期内的充放电电荷应守恒，即模组平均开关函数应满足公式3：

步骤2.3、正常运行时，全/半桥子模块只输出正电平及零电平，平均开关函数满足公式5：

步骤3、根据步骤2中的公式计算出半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh

步骤4、根据计算出的各桥臂中需要投入的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh控制桥臂中的全桥子模块及半桥子模块。

2.一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，应用于模块化多电平换流器，所述换流器的各桥臂中有多个子模块组成，所述子模块包括全桥子模块和半桥子模块，其特征在于：

步骤1、根据换流器需要输出的内电势e_jref，以及公式0计算各桥臂的输出电压u_pjref、u_njref，

其中j表示电源的相信息，u_pjref及u_njref分别为j相上桥臂及下桥臂输出电压的指令值，U_dc表示直流侧额定电压；

步骤2、计算桥臂中需要投入的半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh；

步骤2.1、稳定状态下，桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh满足公式1，

n_paf×U_C+n_pah×U_C＝u_paref (1)

其中，U_C为子模块电容额定电压；

在全桥模组及半桥模组中的子模块电容电压均衡时，全桥模组平均开关函数S_paf及半桥模组平均开关函数S_pah满足公式2：

S_paf×N/2×U_c+S_pah×N/2×U_c＝u_paref (2)

其中，N为桥臂中的子模块总个数；

步骤2.2、全桥子模块和半桥子模块电容在一个工频周期内的充放电能量守恒，即模组平均开关函数应满足公式4：

步骤2.3、正常运行时，全/半桥子模块只输出正电平及零电平，平均开关函数应满足公式5：

步骤3、根据步骤2中的公式计算出半桥子模块的个数n_pjf及全桥子模块的个数n_pjh：

步骤4、根据计算出的各桥臂中需要投入的全桥子模块数n_pjf及半桥子模块个数n_njh控制桥臂中的全桥子模块及半桥子模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，其特征在于：

所述步骤4中：对桥臂中的全桥子模块及半桥子模块进行排序控制及控制投切。

4.根据权利要求3所述的一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，其特征在于：

首先对桥臂中半桥模组中子模块与全桥模组中子模块根据检测到的电容电压根据大小分别进行排序；

然后根据桥臂电流方向投切子模块：

对于全桥模组，当桥臂电流为正值时，则投入n_f个电容电压最低的子模块；反之，则投入n_f个电容电压最高的子模块；

对于半桥模组，当桥臂电流为正值时，则投入n_h个电容电压最低的子模块；反之，则投入n_h个电容电压最高的子模块。

5.根据权利要求4所述的一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，其特征在于：

控制半桥子模块在一个基频周期内的充放电的电荷最大，即半桥模组的参与度最大。

6.根据权利要求5所述的一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，其特征在于：

在桥臂电流为负值时，投入全部的全桥子模块，即当上桥臂电流小于等于0时，半桥模组平均开关函数为1，此时区间内半桥模组放电电荷为Q₃；

在桥臂电流大于零且桥臂输出电压指令大于全桥模组输出电压时，半桥模组输出电压等于桥臂输出电压指令与全桥模组可输出电压之差，即：

在桥臂电流大于零且桥臂输出电压指令大于全桥模组输出电压且桥臂输出电压的指令值大于等于一半的子模块的子模块电容额定电压之和；半桥模组平均开关函数为-msinωt，其中m为运行调制比，此时区间内半桥模组充电电荷为Q2；

半桥模组开关函数在前半周期内的充电电荷满足：Q1＝Q3-Q2。

7.根据权利要求5所述的一种基于模组解耦控制的混合型MMC器件损耗优化方法，其特征在于：

当换流器运行于单位功率因数时，降低半桥子模块下部绝缘栅双极型晶体管损耗，利于损耗分布均衡的条件为：

前半周期充电电荷Q1所对应前半周期内的半桥模组开关函数连续，且其中点为π/2时。

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