CN114499125B - 一种载波移相脉宽调制方法及控制器、mmc级联系统 - Google Patents

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CN114499125B CN202210336740.7A CN202210336740A CN114499125B CN 114499125 B CN114499125 B CN 114499125B CN 202210336740 A CN202210336740 A CN 202210336740A CN 114499125 B CN114499125 B CN 114499125B
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Abstract

一种载波移相脉宽调制方法及控制器、MMC级联系统，应用于三个MMC桥臂的拓扑，每个MMC桥臂包括两个半桥臂，每个半桥臂包括多个子模块，该方法包括：获取目标谐波的谐波频率以及拓扑的工作信息。根据谐波频率，确定目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数，并根据目标调制波谐波阶数和拓扑的工作信息，确定抑制目标谐波时的半桥臂载波相位差。根据目标载波谐波阶数、目标调制波谐波阶数以及半桥臂载波相位差，确定抑制目标谐波时的相间载波相位差。根据相间载波相位差和半桥臂载波相位差，确定各个子模块对应的载波初相位，并根据载波初相位控制子模块工作，从而实现对MMC输出电压中指定频率谐波的抑制作用。

Description

一种载波移相脉宽调制方法及控制器、MMC级联系统
技术领域
本申请涉及输电工程技术领域，特别涉及一种载波移相脉宽调制方法及控制器、MMC级联系统。
背景技术
模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）具有易扩展、模块化设计、开关损耗低、可靠性高等优点，被广泛应用于高压直流输电工程、中压直流配电网、可再生能源并网以及电机驱动等领域。目前适用于MMC的调制方法主要是载波移相脉宽调制方法(carrier phase-shifted PWM，CPS-PWM)，但传统的CPS-PWM方法无法抑制MMC输出电压中的指定高频谐波，还需要增加额外的滤波装置或者改进控制策略，因此增加了MMC的设计难度。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种载波移相脉宽调制方法及控制器、MMC级联系统，能够抑制MMC输出电压中指定频率的谐波，降低MMC设计难度。
根据本申请的第一方面实施例的一种载波移相脉宽调制方法，所述方法应用于三个MMC桥臂的拓扑，每个MMC桥臂包括两个半桥臂，每个半桥臂包括多个子模块，所述方法包括：
获取目标谐波的谐波频率以及所述拓扑的工作信息；
根据所述谐波频率，确定目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数；
根据所述目标调制波谐波阶数和所述工作信息，确定抑制所述目标谐波时的半桥臂载波相位差，所述半桥臂载波相位差用于表示同一MMC桥臂上不同半桥臂之间对应的载波相位差；
根据所述目标载波谐波阶数、目标调制波谐波阶数以及所述半桥臂载波相位差，确定抑制所述目标谐波时的相间载波相位差，所述相间载波相位差用于表示不同MMC桥臂之间对应的载波相位差；
根据所述相间载波相位差和所述半桥臂载波相位差，确定各个所述子模块对应的载波初相位，并根据所述载波初相位控制所述子模块工作。
根据本申请实施例的一种载波移相脉宽调制方法，至少具有如下有益效果：
本申请实施例中，通过获取目标谐波的谐波频率，可以确定与谐波频率对应的目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数，通过获取拓扑的工作信息，并结合目标调制波谐波阶数，可以基于拓扑的实际工作情况确定抑制目标谐波时的目标半桥臂载波相位差。基于此，再将目标半桥臂载波相位差与目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数相结合，直接确定抑制目标谐波时的目标相间载波相位差，从而根据目标半桥臂载波相位差和目标相间载波相位差确定各个子模块对应的载波初相位，以实现载波移相脉宽调制，既能够灵活适应不同拓扑的实际工作情况，抑制MMC输出电压中的指定频率谐波，又无需增加额外的滤波装置或改进控制策略，降低了MMC的设计难度。
根据本发明第二方面实施例的控制器，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如本发明第一方面实施例所述的一种载波移相脉宽调制方法。
根据本发明第三方面实施例的MMC级联系统，包括至少一个MMC桥臂组以及至少一个控制器，每个MMC桥臂组包括三个MMC桥臂，每个所述MMC桥臂包括多个依次连接的子模块，所述控制器分别与各个子模块连接以根据如本发明第一方面实施例所述的一种载波移相脉宽调制方法以控制各个子模块运行。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
图1为本申请实施例中一种MMC桥臂组的拓扑结构示意图；
图2为本申请实施例中一种半桥臂的原理结构示意图；
图3为本申请实施例中一种子模块的电路示意图；
图4为本申请实施例公开的一种载波移相脉宽调制方法的流程示意图；
图5为本申请实施例中一种三相MMC桥臂拓扑的输出电压频谱图；
图6为本申请实施例中各半桥臂对应的调制信号以及载波信号的波形示意图；
图7为本申请实施例中图5所应用三相MMC桥臂拓扑采用载波移相脉宽调制方法后的输出电压频谱图；
图8为图5所应用三相MMC桥臂拓扑的输出电压波形图；
图9为本申请实施例中图5所应用三相MMC桥臂拓扑采用载波移相脉宽调制方法后的输出电压波形图；
图10为本申请实施例公开的一种控制器的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本申请实施例公开一种载波移相脉宽调制方法及控制器、MMC级联系统，能够抑制MMC输出电压中指定频率的谐波，同时降低MMC的设计难度。以下结合附图进行详细描述。
为了更好的理解本申请实施例公开的载波移相脉宽调制方法，以下先对本申请实施例所应用的系统进行描述。
在本申请实施例中，MMC级联系统包括至少一个MMC桥臂组以及至少一个控制器，而每个MMC桥臂组包括三个MMC桥臂，每个MMC桥臂包括多个依次连接的子模块，对MMC桥臂组、每个MMC桥臂上的子模块以及控制器的数目不做具体限定。控制器可分别与各个子模块连接以根据下述载波移相脉宽调制方法以控制各个子模块运行。
请参阅图1，图1为本申请实施例中一种MMC桥臂组的拓扑结构示意图。以图1为例进行说明，该MMC桥臂组包括三个MMC桥臂100，即第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂。每个MMC桥臂100可以具体包括两个串联的半桥臂110，分为上半桥臂和下半桥臂，因此图1总共包括：第一桥臂的第一半桥臂
Figure 254028DEST_PATH_IMAGE001
和第二半桥臂
Figure 357113DEST_PATH_IMAGE002
，第二桥臂的第三半桥臂
Figure 251120DEST_PATH_IMAGE003
和第四半桥臂
Figure 631417DEST_PATH_IMAGE004
，第三桥臂的第五半桥臂
Figure 460833DEST_PATH_IMAGE005
和第六半桥臂
Figure 910269DEST_PATH_IMAGE006
。第一半桥臂
Figure 860163DEST_PATH_IMAGE007
的一端通过桥臂电感与第二半桥臂
Figure 344234DEST_PATH_IMAGE008
的一端连接，第一半桥臂
Figure 344551DEST_PATH_IMAGE009
的另一端与直流电正极连接，第二半桥臂
Figure 297595DEST_PATH_IMAGE010
的另一端与直流电负极连接。第三半桥臂
Figure 533404DEST_PATH_IMAGE011
的一端通过桥臂电感与第四半桥臂
Figure 747348DEST_PATH_IMAGE012
的一端连接，第三半桥臂
Figure 292468DEST_PATH_IMAGE013
的另一端与直流电正极连接，第四半桥臂
Figure 982075DEST_PATH_IMAGE014
的另一端与直流电负极连接。第五半桥臂
Figure 896941DEST_PATH_IMAGE015
的一端通过桥臂电感与第六半桥臂
Figure 371916DEST_PATH_IMAGE016
的一端连接，第五半桥臂
Figure 838670DEST_PATH_IMAGE017
的另一端与直流电正极连接，第六半桥臂
Figure 359781DEST_PATH_IMAGE018
的另一端与直流电负极连接。基于此，
Figure 714889DEST_PATH_IMAGE019
为第一桥臂的输出电压，
Figure 28059DEST_PATH_IMAGE020
为第二桥臂的输出电压,
Figure 806659DEST_PATH_IMAGE021
为第三桥臂的输出电压。
请参阅图2-3，图2为本申请实施例中一种半桥臂的原理结构示意图，图3为本申请实施例中一种子模块的电路示意图。如图2-3所示，半桥臂110包括多个串联连接的子模块111，而子模块111可以是常规的半桥MMC子模块或者全桥MMC子模块，例如半桥MMC子模块由两个绝缘栅双极晶体管（insulate-gate bipolar transistor，IGBT）功率部件以及并联的电容构成，每个IGBT功率部件还可以并联有二极管部件，且由控制器控制IGBT功率部件的通断。
可见，各桥臂上的子模块具有轮换对称性，易于实现对各子模块的均压控制，有利于MMC的运行稳定性。此外，各子模块的等效导通时间一致，因此各子模块的损耗一致，还有利于后期维护。
采用上述MMC桥臂组的拓扑，具有易于拓展、可靠性高，高压接入性好、结构灵活、输出特性好以及开关频率低的特点。并且，基于子模块串联的结构，单个子模块结构一致，因此有利于子模块批量生产，降低成本，以及拓展MMC结构规模。此外，子模块化结构还便于冗余旁路设计，提高了可靠性，进而通过大量子模块的串联，提高了接入高压电网的能力，并通过多个输出电压电平保证了良好的输出特性。
可以理解的是，上述MMC桥臂组的拓扑适用于本申请实施例公开的载波移相脉宽调制方法。下面对本申请实施例所公开的载波移相脉宽调制方法进行详细描述。请参阅图4，图4为本申请实施例公开的一种载波移相脉宽调制方法的流程示意图。如图4所示，该方法具体包括以下步骤S400-S440。
步骤S400：获取目标谐波的谐波频率以及拓扑的工作信息。
在本申请实施例中，目标谐波是待抑制的谐波，其谐波频率可以是人为指定的频率值。拓扑的工作信息可以包括拓扑的配置信息以及拓扑工作时的工作参数，配置信息表示拓扑的具体组成结构，比如每个半桥臂对应的子模块数量，工作参数包括拓扑工作时的输出电压频谱信息以及输入信号参数，比如载波频率、调制波频率、直流母线电压以及载波与调制波的调制比等，上述配置信息和工作参数均可以根据实际需求调整，不做具体限定。
其中，输出电压频谱信息用于表示拓扑的谐波幅值与谐波阶数的对应关系，而输出电压频谱信息具体可以是输出电压频谱图，如图5所示，图5为本申请实施例中一种三相MMC桥臂拓扑的输出电压频谱图，输出电压频谱图的横坐标为谐波阶数，纵坐标为谐波幅值。可见，根据输出电压频谱图，容易获得不同谐波阶数对应的谐波幅值。
步骤S410：根据谐波频率，确定目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数。
作为一种可选的实施方式，在积累大量实验数据的情况下，可以通过实验数据确定谐波频率与谐波阶数的对应关系，实际应用中，直接根据谐波频率与谐波阶数的对应关系，对目标谐波的谐波频率以及当前拓扑的工作信息进行匹配，得到谐波频率对应的目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数。
作为另一种可选的实施方式，步骤S410具体也可以包括以下步骤S411-S414，即：
步骤S411：根据载波频率、调制波频率以及子模块数量，确定多个第一载波群的谐波频率范围。
可以理解，对于三相MMC桥臂拓扑，其输出电压的谐波成组出现，故可以确定多个第一载波群，每个第一载波群对应于不同载波谐波阶数，且每个第一载波群还对应于不同的谐波阶数范围以及谐波频率范围。
步骤S412：根据多个第一载波群的谐波频率范围，确定谐波频率所属的谐波频率范围，并根据谐波频率所属的谐波频率范围，确定目标载波群。
步骤S413：根据目标载波群，确定目标载波谐波阶数。
步骤S414：根据载波频率、调制波频率、谐波频率、目标载波谐波阶数以及子模块数量，确定目标调制波谐波阶数。
可选的，确定多个第一载波群的谐波频率范围具体为：获取调制波谐波阶数的预设取值范围
Figure 690432DEST_PATH_IMAGE022
该预设取值范围是根据人为经验确定，比如，预设取值范围具体可以是[-13,13]。根据预设取值范围
Figure 212681DEST_PATH_IMAGE023
、载波频率
Figure 380357DEST_PATH_IMAGE024
、调制波频率
Figure 703760DEST_PATH_IMAGE025
以及子模块数量N，将第i个第一载波群的谐波频率范围确定为
Figure 465042DEST_PATH_IMAGE026
， i为正整数。可以理解，第i个第一载波群表示载波谐波阶数为i时对应的第一载波群，实际应用中，当谐波频率落入某一第一载波群的谐波频率范围内，则取该第一载波群为目标载波群，同时将目标载波群对应的载波谐波阶数确定为目标载波谐波阶数m。
基于此，将载波频率
Figure 650036DEST_PATH_IMAGE024
、调制波频率
Figure 688530DEST_PATH_IMAGE025
、谐波频率
Figure 808933DEST_PATH_IMAGE027
、目标载波谐波阶数m以及子模块数量N代入预设公式中,即可求得目标调制波谐波阶数n，预设公式具体可以为：
Figure 182145DEST_PATH_IMAGE028
。
可见，根据拓扑的实际工作情况，为不同载波谐波阶数确定相应的载波群，能够基于载波群的谐波频率特征，快速定位待抑制的谐波频率所属的载波群，进而获得与谐波频率对应的目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数。
步骤S420：根据目标调制波谐波阶数和拓扑的工作信息，确定抑制目标谐波时的半桥臂载波相位差。
在本申请实施例中，半桥臂载波相位差用于表示同一MMC桥臂上不同半桥臂之间对应的载波相位差。一种可选的实施方式中，步骤S420具体可以为：
首先，根据目标调制波谐波阶数n和子模块数量N，确定多个第二载波群的谐波频率范围，多个第二载波群中包括载波谐波阶数为奇数时对应的奇数载波群以及载波谐波阶数为偶数时对应的偶数载波群。比如，当i为奇数时，第i个第二载波群为奇数载波群；当i为偶数时，第i个第二载波群为偶数载波群。具体的，第i个第二载波群的谐波频率范围为
Figure 780617DEST_PATH_IMAGE029
之后，根据输出电压频谱信息和每个第二载波群的谐波阶数范围，确定第二载波群对应的谐波幅值信息，而谐波幅值信息包括第二载波群的谐波阶数范围中各个谐波阶数的谐波幅值。可选的，输出电压频谱信息具体包括：第一桥臂与第二桥臂之间的第一线电压频谱信息、第三桥臂与第一桥臂之间的第二线电压频谱信息以及第二桥臂与第三桥臂之间的第三线电压频谱信息，故第二载波群对应的谐波幅值信息可以指从第一线电压频谱信息、第二线电压频谱信息和第三线电压频谱中确定的所有第二载波群的谐波幅值信息。
在子模块数量N为偶数的情况下，若每个第二载波群对应的谐波幅值信息均包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为0；或者，若每个偶数载波群对应的谐波幅值信息包括非零的谐波幅值，且每个奇数载波群对应的谐波幅值信息不包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为
Figure 440662DEST_PATH_IMAGE030
。
在子模块数量N为奇数的情况下，若每个第二载波群对应的谐波幅值信息均包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为
Figure 591020DEST_PATH_IMAGE030
；或者，若每个偶数载波群对应的谐波幅值信息包括非零的谐波幅值，且每个奇数载波群对应的谐波幅值信息不包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为0。
可见，基于当前拓扑中不同载波群的幅频特征以及子模块数量的奇偶性，可以调整合适的半桥臂载波相位差，使得每个MMC桥臂上不同半桥臂之间对应的载波相位差满足抑制指定频率谐波的条件。
进一步的，一种可选的实施方式中，根据目标调制波谐波阶数和子模块数量，确定多个第二载波群的谐波阶数范围，包括：
根据载波频率
Figure 326895DEST_PATH_IMAGE024
、调制波频率
Figure 604424DEST_PATH_IMAGE025
和子模块数量N，确定第i个第二载波群对应的中心阶数q，第i个第二载波群表示载波谐波阶数为i时对应的第二载波群。根据中心阶数q和目标调制波谐波阶数n，将第i个第二载波群的谐波阶数范围确定为[q-n,q+n]。其中，可选的，中心阶数q可以满足：
Figure 335620DEST_PATH_IMAGE031
步骤S430：根据目标载波谐波阶数、目标调制波谐波阶数以及半桥臂载波相位差，确定抑制目标谐波时的相间载波相位差。
在本申请实施例中，相间载波相位差用于表示不同MMC桥臂之间对应的载波相位差。一种可选的实施方式中，相间载波相位差包括第一桥臂和第二桥臂之间的第一载波相位差以及第一桥臂与第三桥臂之间的第二载波相位差。则，步骤S430可以包括步骤S431-S433：
步骤S431：根据目标载波谐波阶数m以及目标调制波谐波阶数n，确定指定谐波阶数，并获取第一线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值为零时对应的第一相位差表达式。
其中，指定谐波阶数为
Figure 906147DEST_PATH_IMAGE032
，第一线电压为第一桥臂与第二桥臂之间的线电压Vab，即
Figure 863739DEST_PATH_IMAGE033
步骤S432：根据目标载波谐波阶数m以及目标调制波谐波阶数n，获取第二线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值为零时对应的第二相位差表达式。
其中，第二线电压为第三桥臂与第一桥臂之间的线电压Vca，即
Figure 459805DEST_PATH_IMAGE034
步骤S433：根据第一相位差表达式和第二相位差表达式，确定满足预设条件的第一载波相位差和第二载波相位差。
其中，预设条件至少包括：根据第一载波相位差和第二载波相位差，求得第二桥臂与第三桥臂之间的第三线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值为零，且第三线电压
Figure 796240DEST_PATH_IMAGE035
从而确保按照第一载波相位差和第二载波相位差对拓扑进行载波调制后，该拓扑针对待抑制的指定频率的谐波幅值均归零。
可见，基于待抑制频率谐波对应的谐波阶数特性以及半桥臂载波相位差，还可以调整合适的相间载波相位差，使得不同MMC桥臂之间对应的载波相位差满足抑制指定频率谐波的条件。
进一步的，一种可选的实施方式中，第三线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值
Figure 288401DEST_PATH_IMAGE036
满足：
Figure 998868DEST_PATH_IMAGE037
其中，
Figure 113805DEST_PATH_IMAGE038
为根据调制比M、直流母线电压Vdc、子模块数量N、目标载波谐波阶数m和目标调制波谐波阶数n确定的参数，
Figure 960538DEST_PATH_IMAGE039
为半桥臂载波相位差，
Figure 889180DEST_PATH_IMAGE040
为第一载波相位差，
Figure 696730DEST_PATH_IMAGE041
为第二载波相位差。
具体的，
Figure 244386DEST_PATH_IMAGE042
是目标调制波谐波阶数n与
Figure 70260DEST_PATH_IMAGE043
的贝塞尔系数。
相应的，步骤S431具体可以是：根据目标载波谐波阶数m和目标调制波谐波阶数n，确定第一线电压对应的第一函数，并在第一函数的取值为零时，确定第一相位差表达式，其中，第一函数为：
Figure 419070DEST_PATH_IMAGE044
为第一线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值，
Figure 572971DEST_PATH_IMAGE045
表示第一桥臂与第二桥臂之间的载波相位差。
步骤S432具体可以是：根据目标载波谐波阶数m和目标调制波谐波阶数n，确定第二线电压对应的第二函数，并在第二函数的取值为零时，确定第二相位差表达式，其中，第二函数为：
Figure 783372DEST_PATH_IMAGE046
为第二线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值，
Figure 480064DEST_PATH_IMAGE047
表示第三桥臂与第一桥臂之间的载波相位差。
可以理解，第一函数的取值为零时，
Figure 625875DEST_PATH_IMAGE048
，则令
Figure 391705DEST_PATH_IMAGE049
得到第一相位差表达式为：
Figure 657995DEST_PATH_IMAGE050
第一参数
Figure 333827DEST_PATH_IMAGE051
为正整数。第二函数的取值为零时，
Figure 40752DEST_PATH_IMAGE052
则令
Figure 44611DEST_PATH_IMAGE053
得到第二相位差表达式为：
Figure 737761DEST_PATH_IMAGE054
第二参数
Figure 392733DEST_PATH_IMAGE055
为正整数。基于此，获取
Figure 988668DEST_PATH_IMAGE045
和
Figure 870036DEST_PATH_IMAGE047
的设定取值范围，并根据设定取值范围，确定第一参数
Figure 960352DEST_PATH_IMAGE056
的第一取值范围和第二参数
Figure 220563DEST_PATH_IMAGE057
的第二取值范围。从第一取值范围中确定的第一参数
Figure 3712DEST_PATH_IMAGE056
第一整数值，以及从第二取值范围中确定第二参数
Figure 841218DEST_PATH_IMAGE055
的第二整数值，再将第一整数值代入第一相位差表达式，得到第一载波相位差，将第二整数值代入第二相位差表达式，得到第二载波相位差。
通常来说，设定取值范围可以是
Figure 981562DEST_PATH_IMAGE058
，则第一取值范围为：
Figure 611127DEST_PATH_IMAGE059
第二取值范围为
Figure 315909DEST_PATH_IMAGE060
步骤S440：根据相间载波相位差和半桥臂载波相位差，确定各个子模块对应的载波初相位，并根据载波初相位控制子模块工作。
在本申请实施例中，具体的，按照各个子模块对应的载波初相位，可以生成各个子模块的载波信号，以及，生成各个子模块的调制信号。对各个子模块的调制信号与载波信号进行波形比较，生成各个子模块的驱动信号，从而将驱动信号输入各个子模块对应的驱动电路，实现载波移相式脉宽调制。具体的，子模块包括上半IGBT功率部件和下半IGBT功率部件，可以将驱动信号作为上半IGBT功率部件的驱动门信号，比如将驱动信号输入图3中所示的a端口。以及，将上述驱动信号取反后作为下半IGBT功率部件的驱动门信号，比如将取反后的驱动信号输入图3中所示的b端口，从而驱动子模块输出电压。一个MMC桥臂上各个子模块的输出电压相叠加，即可得到该MMC桥臂的输出电压。
实际应用中，如果子模块的调制信号的波形幅值大于载波信号的波形幅值，则生成高电平驱动信号，如果子模块的调制信号的波形幅值小于载波信号的波形幅值，则生成低电平驱动信号，从而实现载波移相式脉宽调制。
示例性的，可以生成载波幅值为
Figure 640711DEST_PATH_IMAGE061
载波频率为预设的开关频率的正等腰三角载波信号，同时生成正弦调制信号。
一种可选的实施方式中，确定各个子模块对应的载波初相位，可以包括以下步骤：
确定第一桥臂的第一半桥臂
Figure 603987DEST_PATH_IMAGE062
中第一个子模块的目标载波初相位
Figure 337326DEST_PATH_IMAGE063
并将第一半桥臂
Figure 337643DEST_PATH_IMAGE064
中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 274375DEST_PATH_IMAGE065
根据半桥臂载波相位差
Figure 260917DEST_PATH_IMAGE066
和目标载波初相位
Figure 599494DEST_PATH_IMAGE063
确定第一桥臂的第二半桥臂
Figure 770712DEST_PATH_IMAGE067
中第一个子模块的载波初相位
Figure 446938DEST_PATH_IMAGE068
并将第二半桥臂
Figure 486438DEST_PATH_IMAGE069
中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 430254DEST_PATH_IMAGE070
。具体的，
Figure 772374DEST_PATH_IMAGE071
根据第一载波相位差
Figure 949277DEST_PATH_IMAGE072
和目标载波初相位
Figure 41736DEST_PATH_IMAGE063
，确定第二桥臂的第三半桥臂
Figure 230272DEST_PATH_IMAGE073
中第一个子模块的载波初相位
Figure 867927DEST_PATH_IMAGE074
并将第三半桥臂
Figure 17279DEST_PATH_IMAGE073
中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 539528DEST_PATH_IMAGE075
。具体的，
Figure 707204DEST_PATH_IMAGE076
根据半桥臂载波相位差
Figure 785535DEST_PATH_IMAGE077
和第三半桥臂
Figure 812397DEST_PATH_IMAGE073
中第一个子模块的载波初相位
Figure 731812DEST_PATH_IMAGE074
确定第二桥臂的第四半桥臂
Figure 504727DEST_PATH_IMAGE078
中第一个子模块的载波初相位
Figure 890709DEST_PATH_IMAGE079
并将第四半桥臂
Figure 998342DEST_PATH_IMAGE080
中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 862393DEST_PATH_IMAGE075
。具体的，
Figure 519508DEST_PATH_IMAGE081
根据第二载波相位差
Figure 669866DEST_PATH_IMAGE082
和目标载波初相位
Figure 140162DEST_PATH_IMAGE063
，确定第三桥臂的第五半桥臂
Figure 683270DEST_PATH_IMAGE083
中第一个子模块的载波初相位
Figure 680045DEST_PATH_IMAGE084
并将第五半桥臂
Figure 142250DEST_PATH_IMAGE085
中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 476673DEST_PATH_IMAGE075
。具体的，
Figure 541581DEST_PATH_IMAGE086
根据半桥臂载波相位差
Figure 533808DEST_PATH_IMAGE077
和第五半桥臂
Figure 42281DEST_PATH_IMAGE085
中第一个子模块的载波初相位
Figure 611802DEST_PATH_IMAGE084
确定第三桥臂的第六半桥臂
Figure 355767DEST_PATH_IMAGE087
中第一个子模块的载波初相位
Figure 576402DEST_PATH_IMAGE088
并将第六半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 380410DEST_PATH_IMAGE075
。具体的，
Figure 437228DEST_PATH_IMAGE089
请参阅图6，图6为本申请实施例中各半桥臂对应的调制信号以及载波信号的波形示意图。如图6所示，以第一半桥臂
Figure 860250DEST_PATH_IMAGE064
为例，可以生成第一半桥臂
Figure 827069DEST_PATH_IMAGE090
上第一个子模块的载波信号
Figure 926612DEST_PATH_IMAGE091
第二个子模块的载波信号
Figure 451484DEST_PATH_IMAGE092
基于
Figure 802831DEST_PATH_IMAGE093
顺延相位
Figure 483211DEST_PATH_IMAGE075
，第三个子模块的载波信号
Figure 894601DEST_PATH_IMAGE094
基于
Figure 411164DEST_PATH_IMAGE092
顺延相位
Figure 159677DEST_PATH_IMAGE075
，以此类推。基于此，每个子模块的载波信号均与第一半桥臂
Figure 101088DEST_PATH_IMAGE095
的第一调制信号
Figure 57281DEST_PATH_IMAGE096
进行比较，获得各个子模块的驱动信号，用以驱动第一半桥臂
Figure 451353DEST_PATH_IMAGE064
输出电压。第二半桥臂
Figure 3557DEST_PATH_IMAGE097
与第一半桥臂
Figure 409262DEST_PATH_IMAGE064
满足半桥臂载波相位差
Figure 162454DEST_PATH_IMAGE077
。第三半桥臂
Figure 902877DEST_PATH_IMAGE098
与第一半桥臂
Figure 399718DEST_PATH_IMAGE099
满足第一载波相位差
Figure 161394DEST_PATH_IMAGE072
，且第四半桥臂
Figure 678963DEST_PATH_IMAGE100
与第三半桥臂
Figure 657414DEST_PATH_IMAGE101
满足半桥臂载波相位
Figure 692366DEST_PATH_IMAGE077
。第五半桥臂
Figure 321931DEST_PATH_IMAGE102
与第一半桥臂
Figure 259668DEST_PATH_IMAGE090
满足第二载波相位差
Figure 850050DEST_PATH_IMAGE082
，且第六半桥臂
Figure 547747DEST_PATH_IMAGE103
与第五半桥臂
Figure 782551DEST_PATH_IMAGE104
满足半桥臂载波相位差
Figure 48447DEST_PATH_IMAGE077
。其他半桥臂均可参照对第一半桥臂
Figure 985179DEST_PATH_IMAGE099
的说明，不再赘述。
以图5所应用的三相MMC桥臂拓扑为例进行说明，假设该三相MMC桥臂拓扑中，子模块数量N为8，载波频率
Figure 732905DEST_PATH_IMAGE105
为250Hz，调制波频率
Figure 946849DEST_PATH_IMAGE106
为50Hz，目标谐波的谐波频率
Figure 508280DEST_PATH_IMAGE107
为1650Hz。根据步骤S411-S414，设调制波谐波阶数的预设取值范围
Figure 683041DEST_PATH_IMAGE108
可知第一个第一载波群的谐波频率范围为[1350Hz，2650Hz]，由于1650Hz∈[1350Hz，2650Hz]，故谐波频率
Figure 863487DEST_PATH_IMAGE109
属于第一个第一载波群，则目标载波谐波阶数m=1。将m=1代入预设公式
Figure 56570DEST_PATH_IMAGE110
中，得到目标调制波谐波阶数n=-7。根据步骤S420，由于子模块数量N为偶数，根据图5所示的输出电压频谱图可知，每个第二载波群对应的谐波幅值信息均包括非零的谐波幅值，故半桥臂载波相位差
Figure 664269DEST_PATH_IMAGE111
。
进一步的，根据步骤S430，为了使得
Figure 824861DEST_PATH_IMAGE112
以及
Figure 402473DEST_PATH_IMAGE113
求得第一载波相位差
Figure 856588DEST_PATH_IMAGE114
第二载波相位差
Figure 244975DEST_PATH_IMAGE115
由于
Figure 909175DEST_PATH_IMAGE116
和
Figure 431423DEST_PATH_IMAGE117
的范围为[0，
Figure 851296DEST_PATH_IMAGE118
），故
Figure 659852DEST_PATH_IMAGE119
又因为
Figure 155556DEST_PATH_IMAGE120
和
Figure 356861DEST_PATH_IMAGE121
取整数，故
Figure 379044DEST_PATH_IMAGE122
Figure 499447DEST_PATH_IMAGE123
则
Figure 121927DEST_PATH_IMAGE124
且
Figure 985977DEST_PATH_IMAGE040
和
Figure 862667DEST_PATH_IMAGE125
符合预设条件，即第三线电压在指定谐波阶数处的谐波幅值
Figure 294916DEST_PATH_IMAGE126
在确定半桥臂载波相位差θ、第一载波相位差
Figure 30791DEST_PATH_IMAGE040
、第二载波相位差
Figure 557587DEST_PATH_IMAGE125
之后，即可确定各个子模块对应的载波初相位。请参照表1，表1为本申请实施例中一种子模块载波初相位计算结果表。
表1 子模块载波初相位计算结果表
Figure 429728DEST_PATH_IMAGE127
为了更好地理解本申请实施例中载波移相脉宽调制方法的实际效果，以下结合实验结果进行描述。
示例性的，请参阅图5和图7，图7为本申请实施例中图5所应用三相MMC桥臂拓扑采用载波移相脉宽调制方法后的输出电压频谱图。已知1650Hz对应的指定谐波阶数为
Figure 262905DEST_PATH_IMAGE128
如图5所示，在未采用本申请实施例的载波移相脉宽调制方法时，三相MMC桥臂拓扑在谐波阶数为33时对应的谐波幅值不为零，说明输出电压中存在频率为1650Hz的谐波。而，如图7所示，在采用本申请实施例的载波移相脉宽调制方法之后，三相MMC桥臂拓扑在谐波阶数为33时对应的谐波幅值为零，说明输出电压中已不存在频率为1650Hz的谐波，实现了对指定谐波的消除效果。
此外，请参阅图8-9，图8为图5所应用三相MMC桥臂拓扑的输出电压波形图，图9为本申请实施例中图5所应用三相MMC桥臂拓扑采用载波移相脉宽调制方法后的输出电压波形图。如图8-9所示，输出电压波形图的横坐标为时间，纵坐标为线电压，Eab表示第一桥臂与第二桥臂之间的第一线电压波形，Eca表示第三桥臂与第一桥臂之间的第二线电压波形，Ebc表示第二桥臂与第三桥臂之间的第三线电压波形。可见，与图8所示三相MMC桥臂拓扑的输出电压波形情况相比，采用载波移相脉宽调制方法之后，不同桥臂之间的输出电压波形没有明显失真。同时，通过比较总谐波失真值（total harmonic distortion，THD），未采用载波移相脉宽调制方法时的THD为11.37%，采用载波移相脉宽调制方法时的THD为9.12%，9.12%＜11.37%，亦反映了三相MMC桥臂拓扑输出电压的总谐波失真未变差。
可见，实施本申请实施例的载波移相脉宽调制方法及控制器、MMC级联系统，能够灵活适应不同拓扑的实际工作情况，抑制MMC输出电压中的指定频率谐波，又无需增加额外的滤波装置或改进控制策略，降低了MMC的设计难度。
请参阅图10，图10为本申请实施例公开的一种控制器的结构示意图，包括：
至少一个存储器1010；
至少一个处理器1020，用于执行存储在存储器1010中的至少一个计算机程序，以执行上述各实施例中描述的方法。
需要说明的是，本实施例的具体实现过程可参见上述方法实施例所述的具体实现过程，在此不再叙述。
本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，该计算机指令运行时使计算机执行上述方法实施例所描述的载波移相脉宽调制方法。
本申请实施例还公开一种计算机程序产品，其中，当计算机程序产品在计算机上运行时，使得计算机执行如以上各方法实施例中的方法的部分或全部步骤。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多个变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种载波移相脉宽调制方法，其特征在于，所述方法应用于三个MMC桥臂的拓扑，每个MMC桥臂包括两个半桥臂，每个半桥臂包括多个子模块，所述方法包括：
获取目标谐波的谐波频率以及所述拓扑的工作信息；
根据所述谐波频率，确定目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数；
根据所述目标调制波谐波阶数和所述工作信息，确定抑制所述目标谐波时的半桥臂载波相位差，所述半桥臂载波相位差用于表示同一MMC桥臂上不同半桥臂之间对应的载波相位差；
根据所述目标载波谐波阶数、目标调制波谐波阶数以及所述半桥臂载波相位差，确定抑制所述目标谐波时的相间载波相位差，所述相间载波相位差用于表示不同MMC桥臂之间对应的载波相位差；
根据所述相间载波相位差和所述半桥臂载波相位差，确定各个所述子模块对应的载波初相位，并根据所述载波初相位控制所述子模块工作。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作信息中包括所述拓扑的输出电压频谱信息、所述半桥臂对应的子模块数量、载波频率和调制波频率；所述根据所述谐波频率，确定目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数，包括：
根据所述载波频率、所述调制波频率以及所述子模块数量，确定多个第一载波群的谐波频率范围；
从所述多个第一载波群的谐波频率范围中确定所述谐波频率所属的谐波频率范围，并根据所述谐波频率所属的谐波频率范围，确定目标载波群；
根据所述目标载波群，确定目标载波谐波阶数；
根据所述载波频率、所述调制波频率、所述谐波频率、所述目标载波谐波阶数以及所述子模块数量，确定目标调制波谐波阶数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述载波频率、所述调制波频率、所述谐波频率、所述目标载波谐波阶数以及所述子模块数量，确定目标调制波谐波阶数，包括：
将所述载波频率
Figure 902680DEST_PATH_IMAGE001
、所述调制波频率
Figure 556515DEST_PATH_IMAGE002
、所述谐波频率
Figure 313118DEST_PATH_IMAGE003
、所述目标载波谐波阶数m以及所述子模块数量N代入预设公式中,计算得到目标调制波谐波阶数n，所述预设公式为：
Figure 528461DEST_PATH_IMAGE004
。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作信息中包括所述拓扑的输出电压频谱信息和所述半桥臂对应的子模块数量N，N为正整数；所述根据所述目标调制波谐波阶数和所述工作信息，确定抑制所述目标谐波时的半桥臂载波相位差，包括：
根据所述目标调制波谐波阶数和所述子模块数量N，确定多个第二载波群的谐波阶数范围，所述多个第二载波群中包括载波谐波阶数为奇数时对应的奇数载波群以及载波谐波阶数为偶数时对应的偶数载波群；
根据所述输出电压频谱信息和每个所述第二载波群的谐波阶数范围，确定所述第二载波群对应的谐波幅值信息；
在所述子模块数量N为偶数的情况下，若每个第二载波群对应的谐波幅值信息均包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为0；或者，若每个偶数载波群对应的谐波幅值信息包括非零的谐波幅值，且每个奇数载波群对应的谐波幅值信息不包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为
Figure 370515DEST_PATH_IMAGE005
；
在所述子模块数量N为奇数的情况下，若每个第二载波群对应的谐波幅值信息均包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为
Figure 828041DEST_PATH_IMAGE005
；或者，若每个偶数载波群对应的谐波幅值信息包括非零的谐波幅值，且每个奇数载波群对应的谐波幅值信息不包括非零的谐波幅值，则将半桥臂载波相位差确定为0。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述工作信息还包括载波频率和调制波频率；所述根据所述目标调制波谐波阶数和所述子模块数量N，确定多个第二载波群的谐波阶数范围，包括：
根据所述载波频率、所述调制波频率和所述子模块数量，确定第i个第二载波群对应的中心阶数q，第i个第二载波群表示载波谐波阶数为i时对应的第二载波群，i为任意正整数；
根据所述中心阶数q和所述目标调制波谐波阶数n，将第i个第二载波群的谐波阶数范围确定为[q-n，q+n]。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述三个MMC桥臂包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述相间载波相位差包括所述第一桥臂和所述第二桥臂之间的第一载波相位差以及所述第一桥臂与所述第三桥臂之间的第二载波相位差；所述根据所述目标载波谐波阶数、目标调制波谐波阶数以及所述半桥臂载波相位差，确定抑制所述目标谐波时的相间载波相位差，包括：
根据所述目标载波谐波阶数以及目标调制波谐波阶数，确定指定谐波阶数；
获取第一线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值为零时对应的第一相位差表达式，以及获取第二线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值为零时对应的第二相位差表达式，其中，所述第一线电压为所述第一桥臂与所述第二桥臂之间的线电压，所述第二线电压为所述第三桥臂与所述第一桥臂之间的线电压；
根据所述第一相位差表达式和所述第二相位差表达式，确定满足预设条件的第一载波相位差和第二载波相位差，其中，所述预设条件至少包括：根据所述第一载波相位差和所述第二载波相位差，求得所述第二桥臂与所述第三桥臂之间第三线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值为零。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述工作信息中包括所述拓扑的输出电压频谱信息、所述半桥臂对应的子模块数量N、载波频率和调制波频率、载波与调制波的调制比以及所述拓扑的直流母线电压；所述第三线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值满足：
Figure 704730DEST_PATH_IMAGE006
，其中，
Figure 88045DEST_PATH_IMAGE007
为所述第三线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值，m为所述目标载波谐波阶数，n为所述目标调制波谐波阶数，
Figure 682974DEST_PATH_IMAGE008
为所述半桥臂载波相位差，
Figure 944191DEST_PATH_IMAGE009
为所述第一载波相位差，
Figure 675387DEST_PATH_IMAGE010
为所述第二载波相位差，
Figure 560429DEST_PATH_IMAGE011
为根据所述调制比、所述直流母线电压、所述子模块数量N、所述目标载波谐波阶数m和所述目标调制波谐波阶数n确定的参数；
所述获取第一线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值为零时对应的第一相位差表达式，包括：
根据所述目标载波谐波阶数m和所述目标调制波谐波阶数n，确定第一线电压对应的第一函数，并在所述第一函数的取值为零时，确定第一相位差表达式，其中，所述第一函数为：
Figure 704971DEST_PATH_IMAGE012
，其中，
Figure 330731DEST_PATH_IMAGE013
为所述第一线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值，
Figure 978750DEST_PATH_IMAGE014
表示所述第一桥臂与所述第二桥臂之间的载波相位差；
所述获取第二线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值为零时对应的第二相位差表达式，包括：
根据所述目标载波谐波阶数m和所述目标调制波谐波阶数n，确定第二线电压对应的第二函数，并在所述第二函数的取值为零时，确定第二相位差表达式，其中，所述第二函数为：
Figure 237955DEST_PATH_IMAGE015
，
其中，
Figure 820859DEST_PATH_IMAGE016
为所述第二线电压在所述指定谐波阶数处的谐波幅值，
Figure 253240DEST_PATH_IMAGE017
表示所述第三桥臂与所述第一桥臂之间的载波相位差。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述工作信息中包括所述半桥臂对应的子模块数量N；所述三个MMC桥臂包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述相间载波相位差包括所述第一桥臂和所述第二桥臂之间的第一载波相位差以及所述第一桥臂与所述第三桥臂之间的第二载波相位差；所述根据所述相间载波相位差和所述半桥臂载波相位差，确定各个子模块对应的载波初相位，包括：
确定所述第一桥臂的第一半桥臂中第一个子模块的目标载波初相位，并将所述第一半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 316617DEST_PATH_IMAGE018
，其中，j为正整数，且
Figure 199254DEST_PATH_IMAGE019
；
根据所述半桥臂载波相位差和所述目标载波初相位，确定所述第一桥臂的第二半桥臂中第一个子模块的载波初相位，并将所述第二半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 583968DEST_PATH_IMAGE018
；
根据所述第一载波相位差和所述目标载波初相位，确定所述第二桥臂的第三半桥臂中第一个子模块的载波初相位，并将所述第三半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 371705DEST_PATH_IMAGE018
；
根据所述半桥臂载波相位差和所述第三半桥臂中第一个子模块的载波初相位，确定所述第二桥臂的第四半桥臂中第一个子模块的载波初相位，并将所述第四半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 89257DEST_PATH_IMAGE018
；
根据所述第二载波相位差和所述目标载波初相位，确定所述第三桥臂的第五半桥臂中第一个子模块的载波初相位，并将所述第五半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 454379DEST_PATH_IMAGE018
；
根据所述半桥臂载波相位差和所述第五半桥臂中第一个子模块的载波初相位，确定所述第三桥臂的第六半桥臂中第一个子模块的载波初相位，并将所述第六半桥臂中第j个子模块的载波初相位均相对于第j-1个子模块的载波初相位顺延
Figure 293766DEST_PATH_IMAGE018
。
9.一种控制器，其特征在于，包括：
至少一个处理器；
至少一个存储器，用于存储至少一个程序；
当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如权利要求1-8任一项所述的一种载波移相脉宽调制方法。
10.一种MMC级联系统，其特征在于，包括至少一个MMC桥臂组以及至少一个控制器，每个MMC桥臂组包括三个MMC桥臂，每个所述MMC桥臂包括多个依次连接的子模块，所述控制器分别与各个子模块连接以根据如权利要求1-8任一项所述的一种载波移相脉宽调制方法以控制各个子模块运行。
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