CN114244154A - 一种减少相间环流的mmc最近电平逼近调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，包括：计算子模块当前电容电压的平均值；根据电容电压的大小将子模块分成两组，电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组；根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式：当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流大于零时，低值组和高值组一起按子模块电容电压从低到高进行排序；当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流小于零时，高值组和低值组一起按子模块电容电压从高到低进行排序；当上下桥臂电流方向相同，子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始。本发明通过优化排序方法，让三相直流侧电压更加均衡，减小相间环流。

Description

一种减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体而言涉及一种减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter，MMC)作为一种新型的电压源型换流器，与传统换流器相比，具有容错能力强、子模块扩展方便、开关损耗小、谐波含量少等优点，成为柔性直流输电变换器的主流拓扑。最近电平逼近调制实际上就是将工频正弦调制波转换成一个离散的整数值阶梯波形，当电平数目足够大时，最近电平逼近调制输出的阶梯波形和调制波有较好的拟合度，谐波含量小，开关器件的动作频率低，因此最近电平逼近调制在含有大量子模块的MMC应用中具有明显优势。

MMC中全部子模块电容都分散布置在桥臂中，直流侧无大电容。在运行过程中，桥臂电流的充放电过程必然使电容电压存在一定程度的波动，排序法是目前应用最广泛的电容电压平衡控制方法，其基本原理是对每个桥臂中所有子模块的电容电压进行排序，然后根据子模块电流方向，选择低压子模块或高压子模块投入，能使同一桥臂内的电容电压处在动态平衡状态。但这种排序方法会导致同一相上下桥臂电流均处于充电状态时，该相直流侧电压偏低，而上下桥臂电流均处于放电状态时，该相直流侧电压偏高的情况，使三相直流侧电压不够均衡，从而产生较大的相间环流。研究减小相间环流的方法，对于减少环流产生的器件损耗，改善桥臂电流波形，具有重要意义。

专利号为CN113507205A的发明中提及一种抑制MMC共模传导EMI的控制方法、控制器及控制系统，其中提到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：当电路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个子模块投入。该发明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。然而，其并未提及如何减少相间环流的方法，以该专利中的技术方案，也无法解决相间环流的问题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，通过优化排序方法，让三相直流侧电压更加均衡，从而减小相间环流。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提出了一种减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，所述调制方法包括以下步骤：

在每个控制周期，实时检测MMC各桥臂电流方向和子模块的电容电压，计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值；

根据电容电压的大小将子模块分成两组，将电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组；

根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式：

当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流大于零时，低值组和高值组一起按子模块电容电压从低到高进行排序；当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流小于零时，高值组和低值组一起按子模块电容电压从高到低进行排序；当上下桥臂电流方向相同，子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始；

计算需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块。

进一步地，计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值的过程包括以下步骤：

检测各桥臂电流，令i_jp为abc三相上桥臂电流，i_jn分别为abc三相下桥臂电流，j＝a，b，c表示abc三相；当桥臂电流大于零时，投入的子模块处于充电状态，当桥臂电流小于零时，投入的子模块处于放电状态；

检测各个子模块电容电压u_c，采用下述公式计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值u_cjrave：

式中，u_cjrk表示j相r桥臂第k个子模块的电容电压，r＝p，n分别表示上桥臂和下桥臂，N为桥臂的子模块总数量；

根据电容电压的大小将子模块分成两组，将电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组。

进一步地，根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式的过程包括以下步骤：

当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流大于零时，先将低值组内的子模块按电容电压从高到低排序，再将高值组内的子模块按电容电压从低到高排序；

当上下桥臂电流方向不同，当该桥臂电流小于零时，先将高值组内的子模块按电容电压从低到高排序，再将低值组内的子模块按电容电压从高到低排序；

当上下桥臂电流方向相同时，子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始。

进一步地，计算需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块的过程包括以下步骤：

根据控制系统给出的正弦调制波指令信号，在每个控制周期，根据下式计算三相上下桥臂需要投入的子模块个数：

N_downn＝N/2+round(u_sm/U_c)

N_up＝N-N_down＝N/2-round(u_sm/U_c)

式中，round(u_sm/u_c)表示最接近u_sm/u_c的整数，u_sm为交流侧调制信号；U_c为子模块电容电压额定值；

根据计算出的需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块，产生最终的触发脉冲。

本发明的有益效果是：

本发明通过检测MMC各桥臂电流和子模块的电容电压，获取各桥臂子模块当前电容电压的平均值，并根据电容电压的大小将子模块分成高值组和低值组两组。根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式。当上下桥臂电流方向相同时，通过调整子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始，能够让三相直流侧电压更加均衡，从而减小相间环流。

附图说明

图1是本发明实施例的MMC主电路拓扑图。

图2是本发明实施例的减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法流程图(仅以a相上桥臂为例，其余5个桥臂方法完全相同)。

具体实施方式

MMC各桥臂直流侧电压是该相上下桥臂电压之和，由投入子模块电容电压累加得到。为使子模块电容电压较为均衡，在最近电平逼近调制策略中，排序法被广泛应用。即当桥臂电流处于充电状态时，选择电容电压低的子模块优先开通；而当桥臂电流处于放电状态，选择电容电压高的子模块优先开通。这种排序法在某相的上下桥臂电流方向不同时，直流侧电压较为均衡；但当上下桥臂电流相同，且都处于充电状态时，会使该相直流侧电压偏低，都处于放电状态时，会使该相直流侧电压偏高，从而造成三相直流侧电压不均衡度加大，产生较大的相间环流。因此，当上下桥臂电流相同时，我们改变优先投入模块的排序方法，即优先顺序从最接近于平均值的模块开始，这样会使三相桥臂直流侧的电压尽量均衡，从而减小相间环流。

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1是本发明实施例的MMC主电路拓扑图。i_jp(j＝a，b，c)分别为abc三相上桥臂电流，i_jn(j＝a，b，c)分别为abc三相下桥臂电流。桥臂电流大于零时，投入的子模块处于充电状态，桥臂电流小于零时，投入的子模块处于放电状态。

图2是本发明实施例的减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法流程图。为了便于说明，图2仅以a相上桥臂为例，其余5个桥臂方法完全相同。参见图2，该调制方法包括以下步骤：

步骤S1：在每个控制周期，实时检测MMC各桥臂电流方向和子模块的电容电压，计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值。根据电容电压的大小将子模块分成两组，将电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组。

具体如下：

步骤S1.1，检测各桥臂电流i_jr，见图1。i_jp(j＝a，b，c)分别为abc三相上桥臂电流，i_jn(j＝a，b，c)分别为abc三相下桥臂电流，其中j＝a，b，c表示abc三相，r＝p，n分别表示上桥臂和下桥臂。桥臂电流大于零时，投入的子模块处于充电状态，桥臂电流小于零时，投入的子模块处于放电状态。

步骤S1.2，检测子模块电容电压u_c，计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值，具体为：

式中，u_cjrk表示j相r桥臂第k个子模块的电容电压，N为每个桥臂子模块的个数。

步骤S1.3，根据电容电压的大小将子模块分成两组，将电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组。

步骤S2：根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式，具体如下：

步骤S2.1，若a相上下桥臂电流方向不同，当i_ap≥0时，低值组和高值组一起按子模块电容电压从低到高进行排序；当i_ap＜0时，高值组和低值组一起按子模块电容电压从高到低进行排序。

步骤S2.2，当上下桥臂电流方向相同，子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始，当i_ap≥0时，排序先从低值组开始，组内按电容电压从高到低排序，然后是高值组，组内按电容电压从低到高排序；当i_ap＜0时，排序先从高值组开始，组内按电容电压从低到高排序，然后是低值组，组内按电容电压从高到低排序。

步骤S3：计算需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块。本发明通过优化排序方法，能够让三相直流侧电压更加均衡，从而减小相间环流。

步骤S3.1，根据控制系统给出的正弦调制波指令信号，在每个控制周期，根据下式计算三相上下桥臂需要投入的子模块个数分别为：

N_down＝N/2+round(u_sm/U_c)

N_up＝N-N_down＝N/2-round(u_sm/U_c)

式中：round(u_sm/u_c)表示最接近u_sm/u_c的整数。u_sm为交流侧调制信号；U_c为子模块电容电压额定值。

S3.2，根据计算出的需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块，产生最终的触发脉冲。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，其特征在于，所述调制方法包括以下步骤：

在每个控制周期，实时检测MMC各桥臂电流方向和子模块的电容电压，计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值；

根据电容电压的大小将子模块分成两组，将电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组；

根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式：

当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流大于零时，低值组和高值组一起按子模块电容电压从低到高进行排序；当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流小于零时，高值组和低值组一起按子模块电容电压从高到低进行排序；当上下桥臂电流方向相同，子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始；

计算需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块。

2.根据权利要求1所述的减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，其特征在于，计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值的过程包括以下步骤：

检测各桥臂电流，令i_jp为abc三相上桥臂电流，i_jn分别为abc三相下桥臂电流，j＝a，b，c表示abc三相；当桥臂电流大于零时，投入的子模块处于充电状态，当桥臂电流小于零时，投入的子模块处于放电状态；

检测各个子模块电容电压u_c，采用下述公式计算各桥臂子模块当前电容电压的平均值u_cjrave：

式中，u_cjrk表示j相r桥臂第k个子模块的电容电压，r＝p，n分别表示上桥臂和下桥臂，N为桥臂的子模块总数量；

根据电容电压的大小将子模块分成两组，将电容电压大于平均值的子模块存入高值组，电容电压小于平均值的子模块存入低值组。

3.根据权利要求1所述的减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，其特征在于，根据某相上下桥臂电流的方向，确定该桥臂子模块的排序方式的过程包括以下步骤：

当上下桥臂电流方向不同，且该桥臂电流大于零时，先将低值组内的子模块按电容电压从高到低排序，再将高值组内的子模块按电容电压从低到高排序；

当上下桥臂电流方向不同，当该桥臂电流小于零时，先将高值组内的子模块按电容电压从低到高排序，再将低值组内的子模块按电容电压从高到低排序；

当上下桥臂电流方向相同时，子模块的排序优先从接近于平均值的子模块开始。

4.根据权利要求1所述的减少相间环流的MMC最近电平逼近调制方法，其特征在于，计算需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块的过程包括以下步骤：

根据控制系统给出的正弦调制波指令信号，在每个控制周期，根据下式计算三相上下桥臂需要投入的子模块个数：

N_down＝N/2+round(u_sn/U_c)

N_up＝N-N_down＝N/2-round(u_sm/U_c)

式中，round(u_sm/u_c)表示最接近u_sm/u_c的整数，u_sm为交流侧调制信号；U_c为子模块电容电压额定值；

根据计算出的需要投入的子模块个数，按上述排序方法确定具体投入的子模块，产生最终的触发脉冲。

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