CN114793052A - 模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法 - Google Patents

模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法 Download PDF

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CN114793052A CN202210710149.3A CN202210710149A CN114793052A CN 114793052 A CN114793052 A CN 114793052A CN 202210710149 A CN202210710149 A CN 202210710149A CN 114793052 A CN114793052 A CN 114793052A
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寇福林
张小奇
孙永健
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刘剑宁
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Abstract

本发明提供了模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法，具体执行步骤为：判断本次换流所处阶段。计算并判断
Figure 11312DEST_PATH_IMAGE001
与
Figure 17314DEST_PATH_IMAGE002
的大小确定当前时刻桥臂子模块应直接旁路（或插入）还是不动作。重复2直至换流过程结束。通过加“一次延迟”的方式可以轻松的判断当前的子模块应该被旁路（或插入）还是不动作。此外，所提的方法可以快速的完成换流过程，因为我们总是让“一个延迟”尽可能的发生在换流过程的早期，从而使环流的变化最大，进而使环流尽快达到参考值，完成换流过程。

Description

模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法
技术领域
本发明涉及模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法，属于中压驱动、电力电子能量变换技术领域。
背景技术
模块化多电平变换器因其模块化和易于扩展的特性在中压电机驱动领域受到了广泛的关注。然而，由于拓扑自身固有的缺陷，模块化多电平变换器驱动电机低速运行时会引起较大的电容电压波动，从而导致系统无法稳定运行。传统的解决方案是注入高频环流和共模电压。然而，当系统工作在低速大负载的情况下，该方法无法对电容电压波动进行有效地抑制。一种更为有效的电压波动抑制方式是使模块化多电平变换器工作在准两电平模式。实现准两电平工作模式的难点在于上下桥臂的切换过程，即，如何保证在桥臂切换完成时其相应的桥臂电流达到参考值。
为此，学术界提出了两种解决方案来实现模块化多电平变换器的准两电平工作模式，即①内环高频脉宽调制方法和②开环延时控制方法。内环高频脉宽调制方法是利用更快的内环来对环流进行控制从而完成换流过程。环流通过比例或比例积分控制器进行控制从而得到相应的桥臂电压参考值。该电压参考值再经由高频脉宽调制方法合成最终实现换流过程。开环延时控制方法则是通过延缓一个桥臂（上桥臂或下桥臂）子模块的插入或旁路的时间来实现上下桥臂的换流过程。
①内环高频脉宽调制方法：该方法并不能保证以最快的方式完成换流，而这将引起换流过程中电容电压较大的波动。
②开环延时控制方法：该方法本质上是一种开环控制方法，通过提前计算好需要延时的周期数以及在第几个子模块采取延时来实现上下桥臂换流的同时相应的桥臂达到参考值。因为是开环控制，所以这种方法无法在换流的过程中根据当前的桥臂电流情况实时进行调整，而这会带来系统控制性能的下降。
发明内容
本发明目的是提供了模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法，保证了快速完成换流的同时对换流过程实现闭环控制从而提升系统在换流过程中的控制性能。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
步骤1：确定上桥臂子模块的行为模式为每个子模块将在每个延时周期逐步插入到电路中，在每个控制周期内判断下桥臂的子模块应该直接旁路还是延迟旁路，延迟旁路即当前周期不动作。
步骤2：将上桥臂的插入指数
Figure 113445DEST_PATH_IMAGE001
从当前的插入数
Figure 374794DEST_PATH_IMAGE002
变为
Figure 623372DEST_PATH_IMAGE003
，表示有一个子模块插入电路；而下臂
Figure 877636DEST_PATH_IMAGE004
的插入指数在直接旁路的情况下从当前插入数
Figure 160850DEST_PATH_IMAGE005
变为
Figure 327520DEST_PATH_IMAGE006
或在延迟旁路情况保持在
Figure 63395DEST_PATH_IMAGE007
，并在下个周期加入一个延迟。
步骤3：求得基于一个延迟的两种操作方式的环流最终值：
Figure 996716DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 259070DEST_PATH_IMAGE010
表示下臂子模块延时一个周期再依次旁路的环流最终值，
Figure 721275DEST_PATH_IMAGE011
表示下臂子模块当前周期先旁路并在下一控制周期延时一个周期后再依次旁路的环流最终值，
Figure 85392DEST_PATH_IMAGE012
N为每个桥臂所包含的子模块数量，
Figure 291245DEST_PATH_IMAGE013
是单位延时周期，
Figure 549051DEST_PATH_IMAGE014
为模块化多电平直流母线侧的电压，
Figure 572371DEST_PATH_IMAGE015
为桥臂电感，
Figure 282838DEST_PATH_IMAGE016
为当前时刻k的环流值，k表示当前时刻。
步骤4：求得环流最终值
Figure 899240DEST_PATH_IMAGE017
与期望值
Figure 11552DEST_PATH_IMAGE018
的误差，具体公式如下：
Figure 205773DEST_PATH_IMAGE019
式中：输出电流
Figure 403536DEST_PATH_IMAGE020
，如果
Figure 216771DEST_PATH_IMAGE021
说明下桥臂子模块应该延迟一个周期，而如果
Figure 58957DEST_PATH_IMAGE022
则表示当前子模块应该直接旁路。
步骤5：在当前的控制周期我们通过这种加入一次延迟的方式来判断当前的子模块是否应该被旁路还是延迟旁路，在接下来的控制周期，我们将以同样的方式重复这个判断过程直到换流过程结束。
优选的，所述步骤1中判断下桥臂的子模块应该直接旁路还是延迟旁路的方法如下，假设延迟一个周期再旁路该子模块，根据直接旁路和延迟一个周期再旁路两种操作下环流的最终值与期望值
Figure 299445DEST_PATH_IMAGE023
的误差，判断当前周期所要应用的控制方式，误差小的操作方式就是当前控制周期所要应用的控制方式。
本发明的优点在于：本发明可以快速（最快）完成上下桥臂的换流过程从而使换流过程中带来的能量波动最小；本发明是一种闭环的控制方法，这使得该方法相较于开环固定操作模式的换流方法控制性能更好，灵活性更强。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是当输出电流为正时模块化多电平变换器换流过程示意图。
图2是当输出电流为负时模块化多电平变换器换流过程示意图。
图3是本发明所提方法在换流过程中当前子模块是否需要延时插入或旁路的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为当输出电流为正时一个每臂具有N个子模块的模块化多电平变换器a相换流过程示意图。在当前情况下，输出电流
Figure 843559DEST_PATH_IMAGE024
为正，它可以表示为
Figure 460485DEST_PATH_IMAGE025
。环流
Figure 547390DEST_PATH_IMAGE026
被引入用以实现提出的换流方法。可以看出，在图1的阶段1，换流结束后，期望的状态是上桥臂电流
Figure 834146DEST_PATH_IMAGE027
变为0，输出电流完全由下桥臂提供，即
Figure 6501DEST_PATH_IMAGE028
应变为
Figure 755014DEST_PATH_IMAGE029
。由于换流周期相对较小，所以在这个时间段内我们可认为
Figure 306212DEST_PATH_IMAGE030
为常值。于是，控制目标就转变为将环流
Figure 154083DEST_PATH_IMAGE031
从
Figure 548155DEST_PATH_IMAGE032
控制为
Figure 631517DEST_PATH_IMAGE033
。环流的变化量
Figure 161856DEST_PATH_IMAGE034
可由a相总的插入电压
Figure 180627DEST_PATH_IMAGE035
和直流母线电压
Figure 940292DEST_PATH_IMAGE036
表示：
Figure 499449DEST_PATH_IMAGE037
这里
Figure 25239DEST_PATH_IMAGE038
是单位延时周期（也是换流内环的控制周期）。由式(1)和图1可以看出，a相总的插入电压
Figure 542808DEST_PATH_IMAGE039
应该大于直流母线电压一段时间才能使环流从
Figure 645894DEST_PATH_IMAGE040
变为
Figure 821791DEST_PATH_IMAGE041
。
Figure 592301DEST_PATH_IMAGE039
可以表示成：
Figure 687296DEST_PATH_IMAGE042
Figure 667890DEST_PATH_IMAGE043
和
Figure 772113DEST_PATH_IMAGE044
为上下桥臂的插入数。当输出电流
Figure 6916DEST_PATH_IMAGE045
为正时，上桥臂将会经历
Figure 538391DEST_PATH_IMAGE046
的时间来完成所有子模块的插入或者旁路（N为每个桥臂所包含的子模块数量），而下桥臂将会花费比上桥臂更长的时间来帮助完成整相的换流过程。
下面，不失一般性的以图1的阶段1为例说明本发明的技术方案如何完成换流使模块化多电平变换器工作在准两电平模式的。需要注意的是，在此情况下，上桥臂子模块的行为模式已经确定，即，每个子模块将在每个延时周期逐步插入到电路中。因此，我们只需要在每个控制周期内判断下桥臂的子模块应该直接旁路还是延迟旁路（即当前周期不动作）。值得注意的是，我们并不知道下桥臂子模块需要延迟多久再旁路，但与直接旁路的操作相比，只需要假设延迟一个周期再旁路该子模块即可。因为这样就足够在换流结束的环流最终值上对两种操作（直接旁路和延迟一个周期再旁路）进行判断。判断的原理是两种操作下环流的最终值与期望值
Figure 616069DEST_PATH_IMAGE047
的误差，误差小的操作方式就是当前控制周期所要应用的控制方式。这一判断过程在图3中得到了充分的展示。可以看出在第一个控制周期，选择延时一个周期再旁路得到的环流最终值更接近于期望值
Figure 648616DEST_PATH_IMAGE048
。所以在第一个控制周期，下桥臂子模块会先延迟一个周期再动作。而在第二个控制周期，可以发现下桥臂子模块先旁路再延迟会比直接延迟得到的环流最终值更接近于期望值。
根据我们提出的加入一个延时周期的原则，上桥臂的插入指
Figure 128139DEST_PATH_IMAGE001
数从当前的插入数
Figure 830516DEST_PATH_IMAGE002
变为
Figure 267926DEST_PATH_IMAGE003
，表示有一个子模块插入电路。而下臂
Figure 776267DEST_PATH_IMAGE004
的插入指数在直接旁路的情况下从当前插入数
Figure 375876DEST_PATH_IMAGE005
变为
Figure 858941DEST_PATH_IMAGE006
或保持在
Figure 176790DEST_PATH_IMAGE007
，（延迟旁路情况），并在下个周期加入“一个延迟”。直接旁路与延迟旁路这两种情况可参见图3。基于“一个延迟”的两种操作方式的环流最终值可以分别表示为：
Figure 19981DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 739675DEST_PATH_IMAGE051
表示下臂子模块延时一个周期再依次旁路的环流最终值，
Figure 518275DEST_PATH_IMAGE052
表示下臂子模块当前周期先旁路并在下一控制周期延时一个周期后再依次旁路的环流最终值，
Figure 198787DEST_PATH_IMAGE012
N为每个桥臂所包含的子模块数量，
Figure 721035DEST_PATH_IMAGE013
是单位延时周期，
Figure 154290DEST_PATH_IMAGE014
为模块化多电平直流母线侧的电压，
Figure 369371DEST_PATH_IMAGE015
为桥臂电感，
Figure 130653DEST_PATH_IMAGE016
为当前时刻k的环流值，k表示当前时刻；
而环流最终值与期望值的误差可以表示为
Figure 597538DEST_PATH_IMAGE053
如果
Figure 760666DEST_PATH_IMAGE054
说明下桥臂子模块应该延迟一个周期。而如果
Figure 146648DEST_PATH_IMAGE055
则表示当前子模块应该直接旁路。在当前的控制周期我们通过这种加入“一次延迟”的方式来判断当前的子模块是否应该被旁路还是延迟旁路。在接下来的控制周期，我们将以同样的方式（加入“一次延迟”）重复这个判断过程直到换流过程结束。阶段2，阶段3与阶段4也是相似的判断过程，这里不再赘述。
采用本方案完成换流过程使模块化多电平变换器尽快工作在准两电平工作模式的具体执行步骤为：1.判断本次换流所处阶段。2.计算公式(5)和(6)并判断
Figure 785440DEST_PATH_IMAGE056
与
Figure 477188DEST_PATH_IMAGE057
的大小确定当前时刻桥臂子模块应直接旁路（或插入）还是不动作。3.重复2直至换流过程结束。
通过加“一次延迟”的方式可以轻松的判断当前的子模块应该被旁路（或插入）还是不动作。此外，所提的方法可以快速的完成换流过程，因为我们总是让“一个延迟”尽可能的发生在换流过程的早期，从而使环流的变化最大，进而使环流尽快达到参考值，完成换流过程。

Claims (2)

1.一种模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定上桥臂子模块的行为模式为每个子模块将在每个延时周期逐步插入到电路中，在每个控制周期内判断下桥臂的子模块应该直接旁路还是延迟旁路，延迟旁路即当前周期不动作；
步骤2：将上桥臂的插入指数
Figure 801586DEST_PATH_IMAGE001
从当前的插入数
Figure 624048DEST_PATH_IMAGE002
变为
Figure 235289DEST_PATH_IMAGE003
，表示有一个子模块插入电路；而下臂
Figure 903031DEST_PATH_IMAGE004
的插入指数在直接旁路的情况下从当前插入数
Figure 899806DEST_PATH_IMAGE005
变为
Figure 893170DEST_PATH_IMAGE006
或在延迟旁路情况保持在
Figure 381920DEST_PATH_IMAGE007
，并在下个周期加入一个延迟；
步骤3：求得基于一个延迟的两种操作方式的环流最终值：
Figure 463139DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 720945DEST_PATH_IMAGE010
表示下臂子模块延时一个周期再依次旁路的环流最终值，
Figure 619631DEST_PATH_IMAGE011
表示下臂子模块当前周期先旁路并在下一控制周期延时一个周期后再依次旁路的环流最终值，
Figure 454732DEST_PATH_IMAGE012
N为每个桥臂所包含的子模块数量，
Figure 464276DEST_PATH_IMAGE013
是单位延时周期，
Figure 451955DEST_PATH_IMAGE014
为模块化多电平直流母线侧的电压，
Figure 521542DEST_PATH_IMAGE015
为桥臂电感，
Figure 719305DEST_PATH_IMAGE016
为当前时刻k的环流值，k表示当前时刻；
步骤4：求得环流最终值
Figure 657174DEST_PATH_IMAGE017
与期望值
Figure 889573DEST_PATH_IMAGE018
的误差，具体公式如下：
Figure 864482DEST_PATH_IMAGE019
式中：输出电流
Figure 427837DEST_PATH_IMAGE020
，如果
Figure 44763DEST_PATH_IMAGE021
说明下桥臂子模块应该延迟一个周期，而如果
Figure 990722DEST_PATH_IMAGE022
则表示当前子模块应该直接旁路；
步骤5：在当前的控制周期我们通过这种加入一次延迟的方式来判断当前的子模块是否应该被旁路还是延迟旁路，在接下来的控制周期，我们将以同样的方式重复这个判断过程直到换流过程结束。
2.根据权利要求1所述的模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法，其特征在于，所述步骤1中判断下桥臂的子模块应该直接旁路还是延迟旁路的方法如下，假设延迟一个周期再旁路该子模块，根据直接旁路和延迟一个周期再旁路两种操作下环流的最终值与期望值
Figure 667691DEST_PATH_IMAGE023
的误差，判断当前周期所要应用的控制方式，误差小的操作方式就是当前控制周期所要应用的控制方式。
CN202210710149.3A 2022-06-22 2022-06-22 模块化多电平变换器工作在准两电平模式下的换流方法 Withdrawn CN114793052A (zh)

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