TWI796697B - 模組化多電位換流器的控制方法及控制系統與輸電系統 - Google Patents

模組化多電位換流器的控制方法及控制系統與輸電系統 Download PDF

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Abstract

一種模組化多電位換流器的控制方法包括：計算模組化多電位換流器的子模組的實際電容電壓；計算子模組的基準電容電壓；將多個子模組劃分為多個模組，同一模組內子模組的基準電容電壓相同，不同模組間子模組的基準電容電壓不同；進行組內排序獲得第一電壓序列；進行組間排序獲得第二電壓序列；根據子模組充放電狀態、第一和第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直至模組化多電位換流器內橋臂的實際電位與期望電位相一致，實際電位對應於處於切入狀態的多個子模組的實際電容電壓之和，期望電位是以第一預設值為臺階進行跳變。

Description

模組化多電位換流器的控制方法及控制系統與輸電系統
本案涉及輸配電技術領域，具體涉及一種模組化多電位換流器(MMC)的控制方法及控制系統與輸電系統。
模組化多電位換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)最早由R.Marquardt教授提出並申請專利，具有對開關器件一致性要求低，開關頻率低，開關損耗小，等效電位數多，諧波含量低，易於冗餘設計等優點，因此MMC成為柔性直流輸電系統中的一種重要的換流器拓撲。
MMC可由A、B、C三相組成，每一相包括有橋臂電路，其例如可含有上、下兩個橋臂，或者只有一個上橋臂/下橋臂，每個橋臂可由一個電感L和N個子模組串聯連接組成。每個子模組可由一個或多個串聯連接的功率變換電路組成，每個功率變換電路可包括一電容C，通過控制子模組的切入與切出可擬合出相應的交流輸出電壓。
MMC的直流母線電壓Udc是由相互獨立的子模 組各自的電容串聯支撐的。為了保證交流側輸出電壓波形的品質，減小相間環流並保證各功率半導體器件承受相同的電壓應力，必須保證各子模組電容電壓波動在一定範圍內維持穩定。
在電壓等級很高，需要子模組數量較大時，MMC可以採用電壓等級不相同的混合子模組，這樣可以減小硬體驅動以及通信線等，簡化電路，降低成本，提高系統可靠性。而針對此種電路，不僅要保證相同電壓等級的子模組之間的電容電壓平衡，而且要保證不同電壓等級的子模組之間的電容電壓平衡。
現有的MMC的功率變換電路的電容電壓的均壓方法主要有以下幾種： 採用硬體均壓電路，例如專利公開號為CN105897019A的專利申請，但是這種方法在MMC中的串聯子模組數目較少時容易實現，但是在中高壓系統中，隨著MMC的串聯子模組數目的增多，必然會增加系統的複雜程度以及系統的成本。
採用軟體控制均壓，一種方法是提供子模組分類均壓控制策略，這種方法可以減小排序次數，但是只能使電壓等級相同的子模組實現均壓，並不適用於電壓等級不同的混合子模組。
另一種方法是針對電壓等級不相同的子模組的均壓控制策略，但是這種方法要求每個子模組都有相應的均壓控制環，在MMC的子模組數量巨大的情況下，控制極 其複雜。
因此，需要一種新的MMC的控制方法和控制系統，可以實現電壓等級不同的混合子模組的電容電壓均衡控制。
本案目的在於提供一種模組化多電位換流器(MMC)的控制方法及控制系統與輸電系統，可有效解決現有技術的至少一缺陷。
為了實現上述目的，本案提供一種模組化多電位換流器的控制方法，所述模組化多電位換流器包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組，每個所述子模組包括一個或多個串聯連接的功率變換電路，每個所述功率變換電路包括一電容，其特點在於，該控制方法包括以下步驟：檢測每個所述子模組中每個所述功率變換電路的所述電容的實際電壓，並據此計算每個所述子模組的實際電容電壓；根據每個所述子模組中每個所述功率變換電路的所述電容的基準電壓，計算每個所述子模組的基準電容電壓；根據所述基準電容電壓，將所述橋臂中所述多個子模組劃分為多個模組，其中，同一模組內的各個子模組的基準電容電壓相同，不同模組間的子模組的基準電容電壓不同；在同一模組內，對該模組內的各個子模組的實際電容電壓進行組內排序，以獲得第一電壓序列；在不同模組間，通過將每個所述子模 組的實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓，並對所述橋臂中所有子模組的歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列；以及根據每個子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直至所述橋臂的實際電位與期望電位相一致，其中所述橋臂的實際電位對應於所述橋臂內處於切入狀態的多個子模組的實際電容電壓之和，並且，所述期望電位是以第一預設值為臺階進行跳變。
在本案的一實施例中，根據每個所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組的步驟包括：當所述橋臂的初始電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入；當所述橋臂的初始電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出。
在本案的一實施例中，在確定需要切入的子模組的步驟後還包括以下步驟：根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行 切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
在本案的一實施例中，在確定需要切出的子模組的步驟後還包括以下步驟：根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出，直至所述橋臂的 實際電位小於或等於所述期望電位；當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列將選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
在本案的一實施例中，在根據每個子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組的步驟後，進一步還包括步驟：在所述多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列以及所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
在本案的一實施例中，在所述多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列以及所述第 二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換的步驟包括：當電流對所述子模組充電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組充電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
在本案的一實施例中，在不同模組間，是根據每個模組對應的子模組的基準電容電壓，計算得到一歸一化係數，並根據所述歸一化係數將每個所述子模組的實際電容 電壓轉換為對應的所述歸一化電壓。
在本案的一實施例中，所述第一預設值為所述多個模組的子模組的基準電容電壓的最小公倍數的整數倍。
為了實現上述目的，本案另提供一種模組化多電位換流器的控制系統，所述模組化多電位換流器包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組，每個所述子模組包括一個或多個串聯連接的功率變換電路，每個所述功率變換電路包括一電容，其特點在於，該控制系統包括：檢測與分組單元，其是用於檢測每個所述子模組中的每個所述功率變換電路的所述電容的實際電壓，並據此計算每個所述子模組的實際電容電壓；同時根據每個所述子模組中的每個所述功率變換電路的所述電容的基準電壓，計算每個所述子模組的基準電容電壓；並且，根據所述基準電容電壓，將所述橋臂中所述多個子模組劃分為多個模組，其中，同一模組內的各個子模組的基準電容電壓相同，不同模組間的子模組的基準電容電壓不同；排序單元，其是用於在同一模組內，對該模組內的各個子模組的實際電容電壓進行組內排序，以獲得第一電壓序列；在不同模組間，通過將每個所述子模組的實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓，並對所述橋臂中所有子模組的歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列；調製演算法單元，其是用於根據每個子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列、以及所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直至所述橋臂的實際 電位與期望電位相一致，其中，所述橋臂的實際電位對應於所述橋臂內處於切入狀態的多個子模組的實際電容電壓之和，所述期望電位是以一第一預設值為臺階進行跳變。
在本案的另一實施例中，所述調製演算法單元用於：在所述橋臂的初始電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入；在所述橋臂的初始電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出。
在本案的另一實施例中，所述調製演算法單元進一步用於：在確定需要切入的子模組後，根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對 至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
在本案的另一實施例中，所述調製演算法單元進一步用於：在確定需要切出的子模組後，根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於等於所述期望電位；當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電 壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
在本案的另一實施例中，所述控制系統還包括：置換單元，其是用於在所述多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列、以及所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
在本案的另一實施例中，所述置換單元具體用於：當電流對所述子模組充電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組充電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多 個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
在本案的另一實施例中，所述排序單元還用於根據每個模組對應的子模組的基準電容電壓，計算得到一歸一化係數，並根據所述歸一化係數將每個所述子模組的實際電容電壓轉換為對應的所述歸一化電壓。
在本案的另一實施例中，所述第一預設值為所述多個模組的子模組的基準電容電壓的最小公倍數的整數倍。
在本案的另一實施例中，所述模組化多電位換流器中，每一所述功率變換電路的輸出端並聯有旁路開關，當所述旁路開關閉合時對應的所述功率變換電路是處於旁路模式，當所述旁路開關斷開時對應的所述功率變換電路是處於接入模式；所述子模組的基準電容電壓等於處於接入模式的所述功率變換電路的所述電容的基準電壓之和。
在本案的另一實施例中，在同一所述子模組中，所有處於接入模式的所述功率變換電路採用相同的驅動信號。
為了實現上述目的，本案又提供一種輸電系統，其特點在於，包括：模組化多電位換流器，所述模組化多電位換流器包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組，每個所述子模組包括一個或多個串聯連接的功率變換電路，每個所述功率變換電路包括一電容；以及如上所述的控制系統。
本案通過控制演算法解決了MMC中串接的不同電壓等級的子模組的電容電壓均衡問題，且不增加硬體均壓電路，成本較低。
本案的額外方面和優點將部分地在下面的描述中闡述，並且部分地將從描述中變得顯然，或者可以通過本案的實踐而習得。
A,B,C:三相
L:電感
10,20,30:橋臂電路
11:上橋臂
12:下橋臂
21:上橋臂
22:下橋臂
31:上橋臂
32:下橋臂
Udc:直流母線電壓
51,52:直流母線
40:子模組
41:功率變換電路
Q1~QM:常開開關
C:電容
Uci:基準電容電壓
S1,S2,S3,S4:開關
Uj:第j個子模組的基準電容電壓
Uup_limit:電壓上限
Udown_limit:電壓下限
UMk_x:第k個模組中第x個子模組的實際電容電壓
LCM:歸一化係數
L1~L2:線
UMk:第k個模組的基準電容電壓
100:模組化多電位換流器
200:控制系統
201:檢測與分組單元
202:排序單元
203:調製演算法單元
900:方法
S901~S906:步驟
參照後續段落中的實施方式以及下列圖式，當可更佳地理解本案的內容：第1圖為根據本案一些實施例繪示的模組化多電位換流器(MMC)的一種結構示意圖；第2A圖為根據本案一些實施例繪示的第1圖中橋臂電路的一個橋臂的一較佳實施例的結構，其中所述橋臂的一個子模組包括M個功率變換電路； 第2B圖為根據本案一些實施例繪示的第1圖中橋臂電路的一個橋臂的另一較佳實施例的結構，其中每個子模組裡的功率變換電路具有可以實現旁路功能的旁路開關；第3A圖為根據本案一些實施例繪示的一較佳的功率變換電路的結構，其中所述功率變換電路是為半橋結構；第3B圖為根據本案一些實施例繪示的另一較佳的功率變換電路的結構，其中所述功率變換電路是為全橋結構；第3C圖為根據本案一些實施例繪示的功率變換電路的電容的基準電容電壓和實際電容電壓的關係；第4圖為根據本案一些實施例繪示的MMC的一個子模組中的功率變換電路的旁路開關的不同狀態，其中當所述旁路開關斷開時對應的功率變換電路是處於接入模式，當所述旁路開關閉合時對應的功率變換電路是處於旁路模式，且所述子模組的基準電容電壓是等於處於接入模式的功率變換電路的電容的基準電壓之和；第5圖為根據本案一些實施例繪示的子模組對應的歸一化電壓的控制狀態示意，其中是要將第k個模組內部的第x個子模組的實際電容電壓UMk_x的LCM/UMk倍(即UMk_x*LCM/UMk)控制在一定的電壓上下限範圍之內；第6A圖為根據本案一些實施例繪示的一較佳的功率變換電路的切入狀態，此時的子模組也處於切入狀態；第6B圖為根據本案一些實施例繪示的一較佳的功率變換電路的切出狀態，此時的子模組也處於切出狀態；第7A圖為根據本案一些實施例繪示的一較佳的功率變換 電路的充電狀態，此時的子模組也處於充電狀態；第7B圖為根據本案一些實施例繪示的一較佳的功率變換電路的放電狀態，此時的子模組也處於放電狀態；第8圖為根據本案一些實施例繪示的輸電系統的結構示意圖，其中所述輸電系統包括模組化多電位換流器(MMC)及其控制系統；第9圖為根據本案一些實施例繪示的模組化多電位換流器(MMC)的控制方法的示意圖；第10A圖為根據本案一些實施例繪示的一較佳的模組化多電位換流器(MMC)的控制方法的流程示意圖；第10B圖為根據本案一些實施例繪示的第10A圖中的調製演算法步驟的一較佳實施例的流程；第10C圖為根據本案一些實施例繪示的第10A圖中的置換步驟的一較佳實施例的流程；第11A圖為根據本案一些實施例繪示的調製演算法步驟中電位升高的期望電位的跳變方式；第11B圖為根據本案一些實施例繪示的調製演算法步驟中電位降低的期望電位的跳變方式；第11C圖為根據本案一些實施例繪示的調製演算法步驟的一較佳的電位跳變方式，其中線L1表示期望電位以及期望電位的跳變，線L2表示實際電位從初始電位到計算電位的跳變，期望電位以LCM為臺階跳變；第11D圖為根據本案一些實施例繪示的第11C圖所示的跳變方式對應的調製演算法的流程示意圖； 第11E圖為根據本案一些實施例繪示的調製演算法步驟的另一較佳的電位跳變方式，其中線L1表示期望電位以及期望電位的跳變，線L2表示實際電位從初始電位到計算電位的跳變，期望電位以LCM為臺階跳變；第11F圖為根據本案一些實施例繪示的第11E圖所示的跳變方式對應的調製演算法的流程示意圖；第12A圖為根據本案一些實施例繪示的置換步驟的流程示意圖；第12B圖為根據本案一些實施例繪示的第12A圖所示的置換方法所產生的效果示意圖；以及第13圖為根據本案一些實施例繪示的通過本案的控制方法進行控制之後的效果示意圖。
現在將參考附圖更全面地描述示例實施方式。然而，示例實施方式能夠以多種形式實施，且不應被理解為限於在此闡述的實施方式；相反，提供這些實施方式使得本案將全面和完整，並將示例實施方式的構思全面地傳達給本領域的技術人員。圖中相同的附圖標記表示相同或類似的結構，因而將省略它們的詳細描述。
在介紹這裡所描述和/或圖示的要素/組成部分/等時，用語“一個”、“一”、“該”、“所述”和“至少一個”用以表示存在一個或多個要素/組成部分/等。術語“包含”、“包括”和“具有”用以表示開放式的包括在內的意思並且是 指除了列出的要素/組成部分/等之外還可存在另外的要素/組成部分/等。此外，權利要求書中的術語“第一”、“第二”等僅作為標記使用，不是對其物件的數位限制。
本案的模組化多電位換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組。每個所述子模組可包括一個或多個串聯連接的功率變換電路。每個所述功率變換電路可包括一電容。
如第1圖所示，本案一較佳的模組化多電位換流器(MMC)100例如是由A、B、C三相組成。每一相可包括一橋臂電路，例如可包括橋臂電路10、20、30，且每一橋臂電路(10、20、30)可含有上、下兩個橋臂。更具體地，橋臂電路10是含有上橋臂11和下橋臂12，橋臂電路20是含有上橋臂21和下橋臂22，橋臂電路30是含有上橋臂31和下橋臂32。每個橋臂(11、12、21、22、31、32)例如可由一個電感L和N個子模組40串聯連接組成。
在本案中，A、B、C三相的交流側例如可連接至一電網，而兩個橋臂的直流側例如可分別連接至直流母線51、52，其中Udc是直流母線51、52之間的直流母線電壓。
值得注意的是，每一橋臂電路還可以只包含一個橋臂，例如只有一個上橋臂或只有一個下橋臂。
在本案中，如第2A圖所示，每個子模組40可包含至少M個(M
Figure 110118734-A0305-02-0020-30
1)功率變換電路41。
在本案中，如第2B圖所示，每個子模組40裡的功率變換電路41可以通過並聯一旁路開關實現旁路功能，例如可在每個功率變換電路41的輸出端並聯一常開開關Q，例如在第2B圖中，以子模組j為例，在功率變換電路1~M的輸出端分別並聯常開開關Q1~QM。在本案中，所述常開開關可以是晶閘管、IGBT、機械開關或其他可受控於控制信號的開關。並且，當所述常開開關閉合時，對應的功率變換電路41是處於旁路模式；當所述常開開關斷開時，對應的功率變換電路41是處於接入模式。進一步的，在同一個子模組中，所有處於接入模式的功率變換電路41可採用相同的驅動信號。
在本案中，所述功率變換電路41可以採用多種電路拓撲，例如可採用半橋結構(如第3A圖所示)或全橋結構(如第3B圖所示)。如第3A圖所示，以功率變換電路i(即第i個功率變換電路)為例，所述功率變換電路41包括電容C以及由開關管S1、S2組成的半橋結構。如第3B圖所示，以功率變換電路i(即第i個功率變換電路)為例，所述功率變換電路41包括電容C以及由開關管S1、S2、S3、S4組成的全橋結構。為描述方便，後文將主要以半橋結構的功率變換電路41為例進行說明，但並不作為對本案的限制，合先敘明。
如第3C圖所示，其示出了本案的功率變換電路的 電容C的基準電容電壓和實際電容電壓的關係。在本案中，將功率變換電路的電容C的基準電容電壓命名為Uci(i=1,2,......M，表示第i個功率變換電路)。並且，每個子模組中的M個功率變換電路的基準電容電壓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。由第3C圖可看出，本案的功率變換電路的電容C的實際電容電壓是在基準電容電壓附近波動。
如第4圖所示，將子模組j中處於接入模式下的功率變換電路的基準電容電壓之和(ΣUci，表示第i個處於接入模式下的功率變換電路)稱為子模組j的基準電容電壓，定義為Uj(j=1,2......N，表示第j個子模組)。換言之，在本案中，子模組的基準電容電壓是等於對應的處於接入模式的功率變換電路的電容的基準電壓之和，即Uj=ΣUci，其中i表示處於接入模式的功率變換電路。
在本案中，是將同一橋臂內基準電容電壓相同的子模組分成一組，即稱為模組(Module)。如下表一所示，一個橋臂內例如可包括有R個模組，將第k個模組內的子模組基準電容電壓定義為UMk(其中，k=1,2......R，表示第k個模組)，將模組k中的子模組實際電容電壓定義為UMk_x(其中，k=1,2......R，表示第k個模組；x=1,2......，表示模組裡的第x個子模組)。在本案中，不同的模組內的子模組的數量可能相同，也可能不相同。
Figure 110118734-A0305-02-0021-1
Figure 110118734-A0305-02-0022-2
在本案中，在同一模組內，對該模組內的各個子模組的實際電容電壓進行組內排序，可以獲得第一電壓序列。在不同模組間，可通過將每個子模組的實際電容電壓轉換為一歸一化電壓，並對橋臂中所有子模組的歸一化電壓進行組間排序，可以獲得第二電壓序列。較佳地，例如可根據每個模組對應的子模組的基準電容電壓，計算得到一歸一化係數，並根據該歸一化係數，將每個子模組的實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓。本案對歸一化係數的計算方法並不加以限定，在一個實施例中，例如可通過計算多個模組的子模組的基準電容電壓的最小公倍數得到。當然，可以理解的是，在其他實施例中，本案也可以通過其他歸一化處理方法來實現歸一化，而並不局限於通過歸一化係數來進行歸一化。
舉例而言，以上述表一為例，本案可通過對第k個模組內部的子模組的實際電容電壓UMk_x進行組內排序，以獲得第一電壓序列。本案可通過先找到R個模組的子模組基準電容電壓UM1，UM2......UMR之間的最小公倍數(LCM)，並將LCM定義為歸一化係數，然後通過將第 k個模組內部的子模組的實際電容電壓UMk_x擴大LCM/UMk倍(也可以稱之為電壓歸一化)，得到第k個子模組相對應的歸一化電壓(即UMk_x*LCM/UMk)，進而對同一橋臂內所有子模組的歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列。
如第5圖所示，本案是要將第k個模組內的第x個子模組對應的歸一化電壓(即UMk_x*LCM/UMk)控制在一定的電壓上下限範圍之內，即控制在電壓上限Uup_limit和電壓下限Udown_limit之內。
第6A圖示出了本案以半橋結構為例的功率變換電路的切入狀態，其中是將開關管S1導通，開關管S2關斷稱為“功率變換電路切入”，此時功率變換電路中的電流流通路徑如圖中虛線所示。由於在同一個子模組中，所有處於接入模式的功率變換電路是採用相同的驅動信號，因此，此時的子模組也處於切入狀態，即可稱為“子模組切入”。
第6B圖示出了本案以半橋結構為例的功率變換電路的切出狀態，其中是將開關管S2導通，開關管S1關斷稱為“功率變換電路切出”，此時功率變換電路中的電流流通路徑如圖中虛線所示。由於在同一個子模組中，所有處於接入模式的功率變換電路是採用相同的驅動信號，因此，此時的子模組也處於切出狀態，即可稱為“子模組切出”。
第7A圖示出了本案以半橋結構為例的功率變換 電路的充電狀態，其中，在切入狀態下，此時的電流方向(如第7A圖中虛線所示)是使功率變換電路的電容C處於充電狀態，即稱為“功率變換電路充電”。由於在同一個子模組中，所有處於接入模式的功率變換電路是採用相同的驅動信號，因此，此時的子模組也處於充電狀態，即可稱為“子模組充電”。
第7B圖示出了本案以半橋結構為例的功率變換電路的放電狀態，其中，在切入狀態下，此時的電流方向(如第7B圖中虛線所示)是使功率變換電路的電容C處於放電狀態，即稱為“功率變換電路放電”。由於在同一個子模組中，所有處於接入模式的功率變換電路是採用相同的驅動信號，因此，此時的子模組也處於放電狀態，即可稱為“子模組放電”。
如第8圖所示，本案的輸電系統可包括有模組化多電位換流器(MMC)100及控制系統200。其中，所述模組化多電位換流器100的結構例如可具有如第1圖所示的結構。所述控制系統200是與所述模組化多電位換流器100相連接，並用以對其進行控制。
在本案中，所述控制系統200例如可進一步包括檢測與分組單元201、排序單元202以及調製演算法單元203。
所述檢測與分組單元201是用於檢測每個子模組中的每個功率變換電路的電容的實際電壓，並據此計算每個子模組的實際電容電壓；同時，根據每個子模組中的每 個功率變換電路的電容的基準電壓，計算每個子模組的基準電容電壓；並且，根據所述基準電容電壓，將橋臂中多個子模組劃分為多個模組，其中，同一模組內的各個子模組的基準電容電壓相同，不同模組間的子模組的基準電容電壓不同。
所述排序單元202是用於在同一模組內，對該模組內的各個子模組的實際電容電壓進行組內排序，以獲得第一電壓序列；在不同模組間，通過將每個子模組的實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓，並對橋臂中所有子模組的歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列。
所述調製演算法單元203是用於根據每個子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列、以及所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直至橋臂的實際電位與期望電位相一致，其中，橋臂的實際電位是對應於橋臂內處於切入狀態的多個子模組的實際電容電壓之和，期望電位是以一第一預設值為臺階進行跳變。較佳地，所述第一預設值例如可為所述多個模組的子模組的基準電容電壓的最小公倍數的整數倍。
相應地，如第9圖所示，本案的模組化多電位換流器(MMC)的控制方法主要包括以下步驟：於步驟S901中，檢測每個子模組中每個功率變換電路的電容的實際電壓，並據此計算每個子模組的實際電容電壓；於步驟S902中，根據每個子模組中每個功率變換 電路的電容的基準電壓，計算每個子模組的基準電容電壓；於步驟S903中，根據基準電容電壓，將橋臂中多個子模組劃分為多個模組，其中，同一模組內的各個子模組的基準電容電壓相同，不同模組間的子模組的基準電容電壓不同；於步驟S904中，在同一模組內，對該模組內的各個子模組的實際電容電壓進行組內排序，以獲得第一電壓序列；於步驟S905中，在不同模組間，通過將每個子模組的實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓，並對橋臂中所有子模組的歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列；以及於步驟S906中，根據每個子模組的充放電狀態、第一電壓序列和第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直至橋臂的實際電位與期望電位相一致，其中橋臂的實際電位對應於橋臂內處於切入狀態的多個子模組的實際電容電壓之和，並且，期望電位是以一第一預設值為臺階進行跳變。
較佳地，在本案中，根據每個子模組的充放電狀態、第一電壓序列和第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組的步驟包括：當橋臂的初始電位小於期望電位時，若電流對子模組充電，則根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模 組進行切入；若電流對子模組放電，則根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入；當橋臂的初始電位大於期望電位時，若電流對子模組充電，則根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出；若電流對子模組放電，則根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出。
更佳地，在本案中，在確定需要切入的子模組的步驟後還可進一步包括以下步驟：當進行切入後，根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到橋臂的計算電位，當計算電位小於期望電位時，若電流對子模組充電，則繼續根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入，直至橋臂的實際電位大於或等於期望電位；若電流對子模組放電，則繼續根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入，直至橋臂的實際電位大於或等於期望電位。特別是當橋臂的實際電位大於期望電位時，則還需要進行以下流程：當計算電位大於期望電位時，若電流對子模組充電，則根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對子模組放電，則根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至 少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出。
當橋臂的實際電位等於期望電位時，結束對子模組的切入和切出的控制。
例如，當計算電位大於期望電位時，若電流對子模組充電，則可根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓最低的模組內實際電容電壓最高的子模組進行切出，或者在一個實施例中，還可以根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓較高的模組內實際電容電壓最高的子模組進行切出並同時選擇對基準電容電壓較低的模組內實際電容電壓最低的子模組進行切入，以使橋臂的實際電位等於期望電位。若電流對子模組放電，則可根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓最低的模組內實際電容電壓最低的子模組進行切出，或者在一個實施例中，還可以根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓較高的模組內實際電容電壓最低的子模組進行切出並同時選擇對基準電容電壓較低的模組內實際電容電壓最高的子模組進行切入，以使橋臂的實際電位等於期望電位。當橋臂的實際電位等於期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
更佳地，在本案中，在確定需要切出的子模組的步驟後還可進一步包括以下步驟：當進行切出後，根據處於切入狀態的子模組的實際 電容電壓，得到橋臂的計算電位，當橋臂的計算電位大於期望電位時，若電流對子模組充電，則繼續根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出，直至橋臂的實際電位小於或等於期望電位；若電流對子模組放電，則繼續根據第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出，直至橋臂的實際電位小於或等於期望電位；特別是當橋臂的實際電位小於期望電位時，則還需要進行以下流程：當橋臂的計算電位小於期望電位時，若電流對子模組充電，則根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對子模組放電，則根據第一電壓序列和第二電壓序列將選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當橋臂的實際電位等於期望電位時，結束對子模組的切入和切出的控制。
例如，當橋臂的計算電位小於期望電位時，若電流對子模組充電，則可根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓最低的模組內實際電容電壓最低的子模組進行切入，或者在一個實施例中，可以根據第一電壓序 列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓較高的模組內實際電容電壓最低的子模組進行切入並同時選擇對基準電容電壓較低的模組內實際電容電壓最高的子模組進行切出；若電流對子模組放電，則可根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓最低的模組內實際電容電壓最高的子模組進行切入，或者在一個實施例中，可以根據第一電壓序列和第二電壓序列選擇對基準電容電壓較高的模組內實際電容電壓最高的子模組進行切入並同時選擇對基準電容電壓較低的模組內實際電容電壓最低的子模組進行切出。
實際上，子模組的切入和切出組合方式存在多種實施方式，本案對此並不加以限定，只要能實現橋臂的實際電位與期望電位相一致即可。
較佳地，為了實現更好的均壓控制效果，並保證所有子模組的電容電壓均在其允許的電壓範圍內，在本案中，在根據每個子模組的充放電狀態、第一電壓序列和第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組的步驟後，進一步還可包括：在多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據該子模組的充放電狀態、第一電壓序列以及第二電壓序列，從多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使橋臂的實際電位維持不變。
更佳地，進行置換的步驟具體可包括：當電流對子模組充電時，若處於切入狀態的多個子 模組中的一者的歸一化電壓高於電壓上限時，則將該者進行切出，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使橋臂的實際電位維持不變；當電流對子模組充電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於電壓下限時，則將該者進行切入，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使橋臂的實際電位維持不變；當電流對子模組放電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於電壓下限時，則將該者進行切出，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使橋臂的實際電位維持不變；當電流對子模組放電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於電壓上限時，則將該者進行切入，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使橋臂的實際電位維持不變。
如第10A圖所示，示出了本案的一較佳的模組化多電位換流器(MMC)的控制方法的流程，其主要由三部分組成：組內排序和組間排序、調製演算法和置換。其中，組內排序和組間排序在上文已有詳細描述，在此不再贅述。
如第10B圖所示，進一步示出了第10A圖中的調製演算法步驟的一較佳實施例的流程：首先得到期望電位，當實際電位小於期望電位時，根據電流方向對子模組的充放電以及組內排序結果(即第一電壓序列)和組間排序結果(即第二電壓序列)，確定切入哪些子模組；當實際電位大於期望電位時，根據電流方向對子模組的充放電以及組內排序結果(即第一電壓序列)和組間排序結果(即第二電壓序列)，確定切出哪些子模組。
如第10C圖所示，進一步示出了第10A圖中的置換步驟的一較佳實施例的流程：根據每個子模組對應的歸一化電壓是否超出預先設定的電壓上限Uup_limit或電壓下限Udown_limit、電流方向對子模組的充放電以及組間排序結果(即第二電壓序列)和組內排序結果(即第一電壓序列)，將歸一化電壓高於電壓上限Uup_limit(或低於電壓下限Udown_limit)的子模組與其餘的歸一化電壓較小(或較大)的子模組互換切入或切出狀態。
如第11A圖和第11B圖所示，分別示出了本案的調製演算法步驟中的電位升高和電位降低的期望電位的跳變方式。在本案中，調製演算法步驟的最終目標是使實際電位和期望電位相一致。並且，不管電位升高還是電位降低，期望電位的跳變臺階都是以第一預設值，例如為LCM或LCM的整數倍為基準的，在本實施例中，期望電位的跳變臺階為LCM。
如第11C圖和第11E圖所示，其分別示出了本案 的調製演算法步驟的兩種不同的電位跳變方式，其中線L1是表示期望電位以及期望電位以LCM為臺階進行跳變，線L2是表示實際電位從初始電位到計算電位的跳變。並且，在調製演算法步驟中，將初始電位和期望電位之間的差值稱為電位差。
在本案的調製演算法步驟中，根據子模組充放電狀態以及第一電壓序列和第二電壓序列，可以有多種方法切入或切出子模組。例如可包括以下方法：(1)根據初始電位和期望電位的大小來判斷，當初始電位小於期望電位時，需要切入與電位差相匹配的子模組，當初始電位大於期望電位時，需要切出與電位差相匹配的子模組；(2)僅根據期望電位的大小重新確定切入或切出哪些子模組。下面都以方法(1)為例進行說明，但不應作為對本案的限制。
如第11D圖所示，若初始電位小於期望電位，首先根據組間排序結果(即第二電壓序列)及電流對子模組的充放電狀態，判斷需要切入與電位差相匹配的子模組，根據判斷結果得到計算電位。但是由於不同模組間的子模組的基準電容電壓不一定和LCM相等，所以計算電位不一定和期望電位完全一致，若最後計算電位大於或小於期望電位，此時需要根據第一電壓序列或第二電壓序列以及電流對子模組的充放電狀態，來配合切出或切入或同時切入與切出一些子模組來進行調節，使得計算電位和期望電位一致，從而使得橋臂實際電位和期望電位一致。
如第11F圖所示，若初始電位大於期望電位，首 先根據組間排序結果(即第二電壓序列)及電流對子模組的充放電狀態，判斷需要切出與電位差相匹配的子模組，根據判斷結果得到計算電位。但是由於不同模組間的子模組基準電容電壓不一定和LCM相等，所以計算電位不一定和期望電位一致，導致最後計算電位小於或大於期望電位，此時需要通過根據第一電壓序列或第二電壓序列以及電流對子模組的充放電狀態，來配合切入或切出或同時切入與切出一些子模組來進行調節，使得計算電位和期望電位一致，從而使得橋臂實際電位和期望電位一致。
如第12A圖所示，其示出了本案的置換步驟的流程：(1)在電流對子模組充電(即子模組處於充電狀態)的前提下，若處於切入狀態的子模組對應的歸一化電壓高於電壓上限Uup_limit，則將該子模組切出，並根據第二電壓序列，將剩餘處於切出狀態的歸一化電壓較低的子模組切入，並保證所述橋臂的實際電位維持不變；(2)在電流對子模組充電(即子模組處於充電狀態)的前提下，若處於切出狀態的子模組對應的歸一化電壓低於電壓下限Udown_limit，則將該子模組切入，並根據第二電壓序列，將剩餘處於切入狀態的歸一化電壓較高的子模組切出，並保證所述橋臂的實際電位維持不變；(3)在電流對子模組放電(即子模組處於放電狀態)的前提下，若處於切入狀態的子模組的歸一化電壓低於電壓下限Udown_limit，則將該子模組切出，並根據第二電壓序列，將剩餘的處於切出狀態的歸一化電壓較高的子模組切入，並保證所述橋臂的實 際電位維持不變；(4)在電流對子模組放電(即子模組處於放電狀態)的前提下，若處於切出狀態的子模組的歸一化電壓高於電壓上限Uup_limit，則將該子模組切入，並根據第二電壓序列，將剩餘的處於切入狀態的歸一化電壓較低的子模組切出，並保證所述橋臂的實際電位維持不變。
如第12B圖所示，上述四種情況會產生以下兩種效果：(1)當模組內部的子模組(例如模組x內部)互換切入或切出狀態時，橋臂的實際電位不發生變化，置換結束；(2)當模組間的子模組(例如模組x和模組y)互換切入或切出狀態時，需要進一步切入或切出一些子模組，使得橋臂的實際電位維持不變。
下面將以R=2(即共有兩個模組：模組1和模組2)，UM1=1KV，UM2=2KV，LCM=2KV為例，具體說明如何通過本案的控制方法，實現子模組均壓控制。
於步驟1中：假設在一個橋臂內，模組1中子模組的個數為M1，模組2中子模組的個數為M2，模組1中子模組的基準電容電壓為UM1=1KV，模組2中子模組的基準電容電壓為UM2=2KV，所以計算得到2個模組的子模組基準電容電壓的最小公倍數LCM=2KV，將其定義為歸一化係數，並設定電壓上限為Uup_limit，電壓下限為Udown_limit； 於步驟2中：對模組1中的M1個子模組的實際電容電壓UM1_x(x=1,2......M1，表示模組1中第x個子模組)進行組內排序，得到第一電壓序列； 於步驟3中：對模組2中的M2個子模組的實際電容電壓UM2_x(x=1,2......M2，表示模組2中第x個子模組)進行組內排序，得到第一電壓序列；於步驟4中：根據歸一化係數LCM，將模組1的M1個子模組的實際電容電壓UM1_x分別轉換為相應的歸一化電壓，在本實施例中，將UM1_x與LCM/UM1相乘(即2*UM1_x)，以獲得M1個子模組各自對應的歸一化電壓；將模組2的M2個子模組的實際電容電壓UM2_x分別轉換為相應的歸一化電壓，在本實施例中，將UM2_x與LCM/UM2相乘(即1*UM1_x)，以獲得M2個子模組各自對應的歸一化電壓，進而對M1+M2個子模組的歸一化電壓進行組間排序，得到第二電壓序列；於步驟5中：生成以第一預設值為臺階的期望電位，其中，第一預設值為最小公倍數LCM的整數倍；於步驟6中：根據閉環控制得到期望電位，例如，期望電位可以是以LCM為臺階進行跳變的，並判斷初始電位和期望電位的大小，若初始電位小於期望電位，則執行步驟7；若初始電位大於期望電位，則執行步驟8；若初始電位等於期望電位，則執行步驟9；於步驟7中：根據電流對子模組的充放電狀態，以及第二電壓序列，選擇與電位差相匹配的子模組進行切入；並在切入後，根據切入的子模組的實際電容電壓得到計算電位，當計算電位大於或小於期望電位時，繼續根據第一電壓序列、第二電壓序列以及子模組的充放電狀態， 判斷需要切入或切出的子模組，直至橋臂的實際電位等於期望電位；當計算電位等於期望電位時，結束對子模組的切入和切出控制；執行步驟9；於步驟8中：根據電流對子模組的充放電狀態，以及第二電壓序列，選擇與電位差相匹配的子模組進行切出；並在切出後，根據切入的子模組的實際電容電壓得到計算電位，當計算電位大於或小於期望電位時，繼續根據第一電壓序列、第二電壓序列以及子模組的充放電狀態，判斷需要切出或切入的子模組，直至橋臂的實際電位等於期望電位；當計算電位等於期望電位時，結束對子模組的切入和切出控制；執行步驟9；接下來為限幅置換的步驟：於步驟9中：判斷處於切入和切出狀態的M1+M2個子模組對應的歸一化電壓是否超出電壓限值，具體的，當電流對子模組充電時，若處於切入狀態的一個子模組的歸一化電壓高於電壓上限，則執行步驟10，若處於切出狀態的一個子模組的歸一化電壓低於電壓下限，則執行步驟11；當電流對子模組放電時，若處於切入狀態的一個子模組的歸一化電壓低於電壓下限，則執行步驟12，若處於切出狀態的一個子模組的歸一化電壓高於電壓上限，則執行步驟13；於步驟10中：將該子模組切出，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從剩餘的處於切出狀態的子模組中選擇一個或多個歸一化電壓較低的子模組進行切入，並維 持橋臂的實際電位不變；執行步驟14；於步驟11中：將該子模組切入，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從剩餘的處於切入狀態的子模組中選擇一個或多個歸一化電壓較高的子模組進行切出，並維持橋臂的實際電位不變；執行步驟14；於步驟12中：將該子模組切出，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從剩餘的處於切出狀態的子模組中選擇一個或多個歸一化電壓較高的子模組進行切入，並維持橋臂的實際電位不變；執行步驟14；於步驟13中：將該子模組切入，並根據第一電壓序列和第二電壓序列，從剩餘的處於切入狀態的子模組中選擇一個或多個歸一化電壓較低的子模組進行切出，並維持橋臂的實際電位不變；執行步驟14；於步驟14中：結束。
採用本案的控制方法進行控制之後，模組內與模組間電容電壓經電壓平衡控制之後的效果如第13圖所示，其中，模擬是在R=2(即共有兩個模組)，UM1=45V，UM2=90V，LCM=90V，M1=4，M2=4為例的基礎上進行的，圖中下面的模擬波形表示的是模組1的實際電容電壓UM1_x，上面的模擬波形表示的是模組2的實際電容電壓UM2_x。根據第13圖可知，本案的控制演算法很好地解決了MMC中的不同電壓等級的子模組的電容電壓均衡問題，且不增加硬體均壓電路，降低成本。
以上具體地示出和描述了本案的示例性實施方式。 應該理解，本案不限於所公開的實施方式，相反，本案意圖涵蓋包含在所附權利要求的精神和範圍內的各種修改和等效佈置。
900:方法
S901~S906:步驟

Claims (19)

  1. 一種模組化多電位換流器的控制方法，所述模組化多電位換流器包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組，每個所述子模組包括一個或多個串聯連接的功率變換電路，每個所述功率變換電路包括一電容，其中，該控制方法包括以下步驟：檢測每個所述子模組中每個所述功率變換電路的所述電容的實際電壓，並據此計算每個所述子模組的實際電容電壓；根據每個所述子模組中每個所述功率變換電路的所述電容的基準電壓，計算每個所述子模組的基準電容電壓；根據所述基準電容電壓，將所述橋臂中所述多個子模組劃分為多個模組，其中，同一模組內的各個所述子模組的所述基準電容電壓相同，不同模組間的所述子模組的所述基準電容電壓不同；在同一模組內，對該模組內的各個所述子模組的所述實際電容電壓進行組內排序，以獲得第一電壓序列；在不同模組間，通過將每個所述子模組的所述實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓，並對所述橋臂中所有所述子模組的所述歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列；以及根據每個所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直 至所述橋臂的實際電位與期望電位相一致，其中所述橋臂的實際電位對應於所述橋臂內處於切入狀態的多個子模組的所述實際電容電壓之和，並且，所述期望電位是以第一預設值為臺階進行跳變。
  2. 如請求項1所述的控制方法，其中，根據每個所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組的步驟包括：當所述橋臂的初始電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入；及當所述橋臂的初始電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出。
  3. 如請求項2所述的控制方法，其中，在確定需要切入的子模組的步驟後還包括以下步驟：根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位小於所述期望電位時， 若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
  4. 如請求項2所述的控制方法，其中，在確定需要切出的子模組的步驟後還包括以下步驟： 根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於所述期望電位；當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列將選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
  5. 如請求項1所述的控制方法，其中，在根據每個子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組的步驟後，進一步還包括步驟：在所述多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列以及所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
  6. 如請求項5所述之控制方法，其中，在所述多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列以及所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換的步驟包括：當電流對所述子模組充電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組充電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序 列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
  7. 如請求項要求1所述之控制方法，其中，在不同模組間，是根據每個模組對應的子模組的基準電容電壓，計算得到一歸一化係數，並根據所述歸一化係數將每個所述子模組的實際電容電壓轉換為對應的所述歸一化電壓。
  8. 如請求項1所述之控制方法，其中，所述第一預設值為所述多個模組的子模組的基準電容電壓的最小公倍數的整數倍。
  9. 一種模組化多電位換流器的控制系統，所述模組化多電位換流器包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組，每個所述子模組包括一個或多個串聯連接的功率變換電路，每個所述功率變換電路包括一電容，其中，該控制系統包括：檢測與分組單元，其是用於檢測每個所述子模組中的每個所述功率變換電路的所述電容的實際電壓，並據此計算每個所述子模組的實際電容電壓；同時根據每個所述子模組中的每個所述功率變換電路的所述電容的基準電壓，計算每個所述子模組的基準電容電壓；並且，根據所述基準電容電壓，將所述橋臂中所述多個子模組劃分為多個模組，其中，同一模組內的各個所述子模組的所述基準電容電壓相同，不同模組間的所述子模組的所述基準電容電壓不同；排序單元，其是用於在同一模組內，對該模組內的各個所述子模組的所述實際電容電壓進行組內排序，以獲得第一電壓序列；在不同模組間，通過將每個所述子模組的所述實際電容電壓轉換為對應的歸一化電壓，並對所述橋臂中所有所述子模組的所述歸一化電壓進行組間排序，以獲得第二電壓序列；及調製演算法單元，其是用於根據每個所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列、以及所述第二電壓序列，確定需要切入或切出的子模組，直至所述橋臂的實際電位與 期望電位相一致，其中，所述橋臂的實際電位對應於所述橋臂內處於切入狀態的多個子模組的所述實際電容電壓之和，所述期望電位是以一第一預設值為臺階進行跳變。
  10. 如請求項9所述之控制系統，其中，所述調製演算法單元用於：在所述橋臂的初始電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入；在所述橋臂的初始電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出。
  11. 如請求項10所述之控制系統，其中，所述調製演算法單元進一步用於：在確定需要切入的子模組後，根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位，當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切入，直至所述 橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切入，直至所述橋臂的實際電位大於或等於所述期望電位；當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
  12. 如請求項10所述之控制系統，其中，所述調製演算法單元進一步用於：在確定需要切出的子模組後，根據處於切入狀態的子模組的實際電容電壓，得到所述橋臂的計算電位， 當所述計算電位大於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最高的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於所述期望電位；若電流對所述子模組放電，則繼續根據所述第二電壓序列選擇歸一化電壓最低的子模組進行切出，直至所述橋臂的實際電位小於或等於所述期望電位；當所述計算電位小於所述期望電位時，若電流對所述子模組充電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內實際電容電壓高的子模組進行切出；若電流對所述子模組放電，則根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入，或者選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓高的子模組進行切入並同時選擇對至少一個模組內至少一個實際電容電壓低的子模組進行切出；當所述橋臂的實際電位等於所述期望電位時，結束對所述子模組的切入和切出的控制。
  13. 如請求項9所述之控制系統，其中，所述控 制系統還包括：置換單元，其是用於在所述多個子模組中的一者的歸一化電壓高於一電壓上限或低於一電壓下限時，根據所述子模組的充放電狀態、所述第一電壓序列、以及所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
  14. 如請求項13所述之控制系統，其中，所述置換單元用於：當電流對所述子模組充電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組充電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變；當電流對所述子模組放電時，若處於切入狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓低於所述電壓下限時，則將該者進行切出，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變； 當電流對所述子模組放電時，若處於切出狀態的多個子模組中的一者的歸一化電壓高於所述電壓上限時，則將該者進行切入，並根據所述第一電壓序列和所述第二電壓序列，從所述多個子模組中的剩餘者選擇至少其中之一與該者進行置換，以使所述橋臂的實際電位維持不變。
  15. 如請求項9所述之控制系統，其中，所述排序單元還用於根據每個模組對應的子模組的基準電容電壓，計算得到一歸一化係數，並根據所述歸一化係數將每個所述子模組的實際電容電壓轉換為對應的所述歸一化電壓。
  16. 如請求項9所述之控制系統，其中，所述第一預設值為所述多個模組的子模組的基準電容電壓的最小公倍數的整數倍。
  17. 如請求項9所述之控制系統，其中，所述模組化多電位換流器中，每一所述功率變換電路的輸出端並聯有旁路開關，當所述旁路開關閉合時對應的所述功率變換電路是處於旁路模式，當所述旁路開關斷開時對應的所述功率變換電路是處於接入模式；所述子模組的基準電容電壓等於處於接入模式的所述功率變換電路的所述電容的基準電壓之和。
  18. 如請求項17所述之控制系統，其中，在同 一所述子模組中，所有處於接入模式的所述功率變換電路採用相同的驅動信號。
  19. 一種輸電系統，其中，包括：模組化多電位換流器，所述模組化多電位換流器包括一橋臂電路，所述橋臂電路包括至少一橋臂，每一所述橋臂包括串聯連接的多個子模組，每個所述子模組包括一個或多個串聯連接的功率變換電路，每個所述功率變換電路包括一電容；以及如請求項9~18中任一項所述的控制系統。
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