CN105024574A - 适用于载波移相调制的mmc子模块电容电压平衡控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，该方法是在传统载波移相调制的基础上，将一个载波周期内的脉冲拆分为前半周期脉冲和后半个周期脉冲，得到半个载波周期内的脉冲占空比的排序规律，每半个载波周期对所有子模块电容电压进行一次动态排序，依据电容电压的大小将半个载波周期内的脉冲重新进行分配，实现子模块电容电压的动态平衡。本发明在不改变原有调制波的条件下实现子模块电容电压平衡，在调制效果上实现与载波移相调制的完全等效；在实现子模块电容电压平衡的同时，不产生额外环流，保证输出电流质量。

Description

适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统中柔性直流输电、电力电子技术领域，具体地，涉及一种MMC子模块电容电压平衡控制方法。

背景技术

模块化多电平变换器(modular multilevel converter，MMC)广泛应用在柔性直流输电领域，是一种适用于高压大功率应用的电力电子变换器，可扩展性强，子模块中功率开关的电压应力小，具有较多的电平数，输出电能质量较高。子模块电容电压平衡控制是MMC关键控制技术之一，MMC需要采用适当的子模块电容电压平衡控制方法使各子模块电容电压保持一致，避免子模块电容电压发散。

模块数较少的MMC常采用载波移相调制方法，可以获得较高的等效开关频率和较小的谐波，各子模块工作状态相对均衡。

目前适用于这种调制方法的子模块电容电压平衡控制技术可以分为两类：

1、调制波修正

该方法采样桥臂中各子模块电容电压的大小和桥臂电流方向，采用特定的算法在各子模块的调制波中加入一定的修正分量，实现各个子模块的电容电压平衡。该方法的缺陷是：修正分量使原调制波产生畸变，在输出电压、电流中产生了非理想分量，影响了MMC输出电能的质量；另一方面，该方法需要进行大量的实时计算，对控制器硬件资源要求较高。

2、载波相位修正

该方法的载波采用不均等移相角，并对子模块电容电压进行排序，根据子模块电容电压的大小分配由不同载波所产生的脉冲，实现子模块电容电压平衡。该方法的缺陷是：不均等移相的载波在桥臂中形成环流，该环流会体现在MMC的直流侧电流或交流侧电流中，影响了MMC输出电流质量。

经检索，“采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制”(中国电机工程学报，第31卷，第21期，2011)，该文献中为了实现电容电压平衡控制，设计了多个控制器对子模块的调制波进行修正；修正后的调制波产生的畸变会对MMC直流侧、交流侧输出产生影响，使电流谐波变大、环流增加；每个子模块都需要多个独立控制器，算法较为复杂，当MMC子模块数增加时，需要进行大量的实时计算，实现起来具有一定难度。“采用载波移相调制的模块化多电平换流器电容电压平衡控制”(中国电机工程学报，第32卷，第9期，2012)，该文献在子模块参考电压上引入带有桥臂电流相位的附加参考电压，本质上仍是通过修正调制波来达到均衡电容电压的目的，修正后的调制波产生的畸变会对MMC直流侧、交流侧输出产生影响，使电流谐波变大、环流增加，这是该类方法的固有问题。“A Control Method for Voltage Balancing in Modular MultilevelConverters”(IEEE transactions on power electronics,vol.29,no.1,2014)，该文献采用的载波移相调制中各个载波移相角不等，在桥臂中产生了一个频率高于载波的环流，利用该环流对电容的充放电实现电容电压的均衡，该方法的缺陷在于桥臂中高频环流会体现在MMC的直流电流或交流电流中，使电流谐波变大，是这种方法难以回避的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，该方法在不改变原有调制波的条件下实现子模块电容电压平衡，在调制效果上实现与载波移相调制的完全等效；在实现子模块电容电压平衡的同时，不产生额外环流，保证输出电流质量。

为实现以上目的，本发明提供一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，该方法是在传统载波移相调制的基础上，将一个载波周期内的脉冲拆分为前半周期脉冲和后半个周期脉冲，得到半个载波周期内的脉冲占空比的排序规律，每半个载波周期对所有子模块电容电压进行一次动态排序，依据电容电压的大小将半个载波周期内的脉冲重新进行分配，实现子模块电容电压的动态平衡；

所述方法包括如下步骤：

步骤1：对半个载波周期内的脉冲占空比进行排序；

步骤2：每隔半个采样周期对子模块电容电压值进行采样和排序；

步骤3：根据桥臂电流方向和子模块电容电压排序结果进行脉冲分配。

优选地，步骤1中，具体的：

任意选取一个载波作为基准载波，记为C₁，相位依次滞后的N-1个载波记为C₂、C₃……C_N，由N个载波产生的脉冲分别记为P₁、P₂……P_N；以载波C₁两个峰值之间的区域定义为一个周期区间，载波C₁由峰值降为最小值的区间为前半个载波周期区间，载波C₁由最小值增大为峰值的区间为后半个载波周期区间；由于调制波频率远低于载波频率，可以认为调制波在一个周期区间内近似不变；

由载波移相调制规律推导出在基准载波C₁前半个载波周期内和后半个载波周期内的各个脉冲占空比由大到小的排序规律，根据N的具体数值可以分为四种情况：

1.N为奇数，为奇数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{3N+5}{4}}\≥P_{\frac{3N+1}{4}}\≥P_{\frac{3N+9}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+3}{2}}=P_{\frac{N+1}{2}}\≥P_1\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N-1}{4}}\≥P_{\frac{N+7}{4}}\≥P_{\frac{N+3}{4}}$

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{N+3}{4}}\≥P_{\frac{N+7}{4}}\≥P_{\frac{N-1}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+1}{2}}=P_{\frac{N+3}{2}}\≥P_1\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{3N+9}{4}}\≥P_{\frac{3N+1}{4}}\≥P_{\frac{3N+5}{4}};$

2.N为奇数，为偶数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{3N+3}{4}}\≥P_{\frac{3N+7}{4}}\≥P_{\frac{3N-1}{4}}\≥P_{\frac{3N+11}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+3}{2}}=P_{\frac{N+1}{2}}\≥P_1\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N-3}{4}}\≥P_{\frac{N+9}{4}}\≥P_{\frac{N+1}{4}}\≥P_{\frac{N+5}{4}}$

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{N+5}{4}}\≥P_{\frac{N+1}{4}}\≥P_{\frac{N+9}{4}}\≥P_{\frac{N-3}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+1}{2}}=P_{\frac{N+3}{2}}\≥P_1\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{3N+11}{4}}\≥P_{\frac{3N-1}{4}}\≥P_{\frac{3N+7}{4}}\≥P_{\frac{3N+3}{4}};$

3.N为偶数，为偶数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{3N+4}{4}}\≥P_{\frac{3N+8}{4}}\≥P_{\frac{3N}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+2}{2}}=P_1\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N}{4}}\≥P_{\frac{N+8}{4}}\≥P_{\frac{N+4}{4}}$

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{N+4}{4}}\≥P_{\frac{N}{4}}\≥P_{\frac{N+8}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+2}{2}}=P_1\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{3N+8}{4}}\≥P_{\frac{3N}{4}}\≥P_{\frac{3N+4}{4}};$

4.N为偶数，为奇数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{3N+2}{4}}\≥P_{\frac{3N+6}{4}}\≥P_{\frac{3N-2}{4}}=P_{\frac{3N+10}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+2}{2}}=P_1\≥P_{\frac{N-2}{4}}=P_{\frac{N+10}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+2}{4}}=P_{\frac{N+6}{4}}$

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

$P_{\frac{N+2}{4}}\≥P_{\frac{N+6}{4}}\≥P_{\frac{N-2}{4}}=P_{\frac{N+10}{4}}\≥\mathrm{...}\≥P_{\frac{N+2}{2}}=P_1\≥P_{\frac{3N-2}{4}}=P_{\frac{3N+10}{4}}\≥P_{\frac{3N+2}{4}}=P_{\frac{3N+6}{4}};$

一旦模块数N、基准载波C₁确定，则以上排序结果完全确定，属于静态排序。

优选地，步骤2中，具体的：

分别在基准载波C₁的最大值和最小值处对子模块电容电压进行采样，并进行排序。

优选地，步骤3中，具体的：

对桥臂电流进行采样，若桥臂电流向子模块模块电容进行充电，则占空比从大到小的N个脉冲依次分配给电容电压从小到大的N个模块；若桥臂电流对子模块电容进行放电，则占空比从大到小的N个脉冲依次分配给电容电压从大到小的N个模块。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1)子模块电容电压收敛速度快、均衡效果好；

2)只需对子模块电容电压每隔半个载波周期进行一次排序，算法简单，便于实现；

3)调制效果完全等效于载波移相调制，输出电压不产生任何畸变，不会产生额外的桥臂环流，输出电能质量较好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的采用半桥结构子模块的MMC结构示意图；

图2为传统载波移相调制示意图；

图3为本发明一实施例的半载波周期脉冲占空比排序示意图；

图4为本发明一实施例的脉冲生成流程图；

图5为本发明一实施例的MMC子模块电容电压平衡仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为采用半桥结构子模块的MMC，如图2所示为传统载波移相调制示意图，若MMC的一个桥臂中有N个子模块，则相应有N个三角载波，当调制波比载波大时输出脉冲为1，代表半桥子模块的上管开通、下管关断，子模块电容处于投入状态；当调制波比载波小时输出脉冲为0，代表半桥子模块的上管关断、下管开通，子模块电容处于切除状态。

本实施例提供一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，该方法采用如图1所示的MMC结构，其额定功率30MW，桥臂中有20个子模块，每个模块电容的额定电压为2500V、载波频率为200Hz、直流侧电压为50000V、交流侧线电压有效值为15000V、频率为50Hz。所述方法在传统载波移相调制的基础上，将一个载波周期内的脉冲拆分为前半周期脉冲和后半个周期脉冲，如图3所示，得到半个载波周期内的脉冲占空比的排序规律，每半个载波周期对所有子模块电容电压进行一次动态排序，依据电容电压的大小将半个载波周期内的脉冲重新进行分配，实现子模块电容电压的动态平衡。

如图4所示，所述方法具体包括如下步骤：

步骤1、对半个载波周期内的脉冲占空比进行排序，具体的：

选取移相角为0的载波作为基准载波，记为C₁，相位依次滞后的19个载波记为C₂、C₃……C₂₀，由这20个载波产生的脉冲分别记为P₁、P₂……P₂₀；则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

P₁₆≥P₁₇＝P₁₅≥P₁₈＝P₁₄≥P₁₉＝P₁₃≥P₂₀＝P₁₂≥P₁₁＝P₁

≥P₁₀＝P₂≥P₉＝P₃≥P₈＝P₄≥P₅＝P₇≥P₆

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

P₆≥P₇＝P₅≥P₈＝P₄≥P₉＝P₃≥P₁₀＝P₂≥P₁₁＝P₁

≥P₂₀＝P₁₂≥P₁₉＝P₁₃≥P₁₈＝P₁₄≥P₁₅＝P₁₇≥P₁₆

步骤2：每隔半个采样周期对子模块电容电压值进行采样和排序

在载波C₁的最大值和最小值处分别对电容电压进行采样，并进行排序。

步骤3：根据桥臂电流方向和子模块电容电压排序结果进行脉冲分配

对桥臂电流进行采样，并根据电流方向和电容电压排序结果对脉冲进行分配，如图4所示，若桥臂电流向子模块模块电容进行充电，则占空比从大到小的20个脉冲依次分配给电容电压从小到大的20个模块；若桥臂电流对子模块电容进行放电，则占空比从大到小的20个脉冲依次分配给电容电压从大到小的20个模块。在RTLAB实时仿真平台中进行仿真，额定条件下A相上桥臂各模块电压如图5所示，该方案获得了很好的电容电压平衡效果。

本发明子模块电容电压收敛速度快、均衡效果好；只需对子模块电容电压每隔半个载波周期进行一次排序，方法简单，便于实现；本发明调制效果完全等效于载波移相调制，输出电压不产生任何畸变，不会产生额外的桥臂环流，输出电能质量较好。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，其特征在于，该方法是在传统载波移相调制的基础上，将一个载波周期内的脉冲拆分为前半周期脉冲和后半个周期脉冲，得到半个载波周期内的脉冲占空比的排序规律，每半个载波周期对所有子模块电容电压进行一次动态排序，依据电容电压的大小将半个载波周期内的脉冲重新进行分配，实现子模块电容电压的动态平衡。

2.根据权利要求1所述的一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1：对半个载波周期内的脉冲占空比进行排序；

任意选取一个载波作为基准载波，记为C₁，相位依次滞后的N-1个载波记为C₂、C₃……C_N，由N个载波产生的脉冲分别记为P₁、P₂……P_N；以载波C₁两个峰值之间的区域定义为一个周期区间，载波C₁由峰值降为最小值的区间为前半个载波周期区间，载波C₁由最小值增大为峰值的区间为后半个载波周期区间；

由载波移相调制规律推出：在基准载波C₁前半个载波周期内和后半个载波周期内的各个脉冲占空比由大到小的排序规律，根据N的具体数值分为四种情况：

1)N为奇数，为奇数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

2)N为奇数，为偶数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

3)N为偶数，为偶数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

4)N为偶数，为奇数，则

C₁前半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

C₁后半个载波周期内脉冲占空比由大到小的顺序为：

一旦模块数N、基准载波C₁确定，则以上排序结果完全确定，属于静态排序；

步骤S2：每隔半个采样周期对子模块电容电压值进行采样和排序；

步骤S3：根据桥臂电流方向和子模块电容电压值排序结果进行脉冲分配。

3.根据权利要求2所述的一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S2中，具体为：分别在基准载波C₁的最大值和最小值处对子模块电容电压进行采样，并进行排序。

4.根据权利要求2所述的一种适用于载波移相调制的MMC子模块电容电压平衡控制方法，其特征在于，步骤S3中，具体为：对桥臂电流进行采样，若桥臂电流向子模块电容进行充电，则占空比从大到小的N个脉冲依次分配给电容电压从小到大的N个模块；若桥臂电流对子模块电容进行放电，则占空比从大到小的N个脉冲依次分配给电容电压从大到小的N个模块。