一種適用于高電平mmc的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法,包括,根據電容電壓的最大值和最小值確定電壓分層容器,將所有子模塊的電容電壓放入等電壓間隔的電壓分層容器內;根據電容電壓大小將子模塊放入對應的電壓分層容器,根據橋臂電流方向和橋臂需投子模塊總個數進行優化排序;同時引入了是否進行電壓分層容器重新分層的判據。本方法既可提高高電平MMC子模塊電容電壓排序的速率,降低排序算法的復雜度,又能保證一定的均壓控制效果,降低子模塊IGBT的開斷頻率。
【專利說明】—種適用于高電平圖C的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于電力系統運行和控制【技術領域】,涉及一種適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法。
【背景技術】
[0002]模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)作為高壓直流輸電技術向高壓大功率方向發展的最新成果,其自從被提出后就受到了很大的關注。模塊化多電平換流器采用模塊化的子模塊進行疊加,達到輸出電壓和功率等級的靈活變化,具有可擴展性強,輸出電壓諧波小,開關頻率較低等優點。隨著模塊化多電平換流器電平數的增加和傳輸功率的提升,其橋臂上串聯的子模塊個數越來越多,這對高電平MMC系統的均壓控制帶來了一定的挑戰。
[0003]高電平MMC系統通常采用基于最近電平逼近的調制策略。基于最近電平逼近調制策略的MMC系統,其對應的均壓控制方法通常是對所有子模塊電容電壓進行排序,然后根據最近電平逼近調制計算出來的橋臂需投的子模塊總個數和橋臂電流的大小,選擇對應個數的子模塊進行投入。當橋臂電流大于O時,選擇電容電壓較小的子模塊進行投入;當橋臂電流小于O時,選擇電容電壓較大的子模塊進行投入。
[0004]但是,隨著電平數的上升,子模塊均壓控制復雜度大為增加,特別是在實際工程中,高電平數的MMC系統需要對分散串聯布置的子模塊電容電壓排序,其均壓控制更成為不可回避的問題。而且,對所有子模塊進行排序,頻繁地對所有子模塊進行運行狀態的改變,容易造成子模塊IGBT的開斷頻率過大,使得子模塊開關損耗大大增加。因此,對于高電平MMC系統的均壓控制,需要在保證子模塊具備較好的均壓效果基礎上,提高子模塊電容電壓排序的速率,優化子模塊的投切,降低IGBT的開斷頻率。
【發明內容】
[0005]本發明目的是針對最近電平逼近調制下的高電平MMC均壓控制排序問題,提出一種適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法。通過遍歷所有子模塊的電容電壓得到最大值和最小值,由此建立電壓分層容器,用來存放所有子模塊的電容電壓,該電壓分層容器內部分為若干層,每一層有對應的電壓范圍。將不同電壓范圍的子模塊放入不同層的電壓分層容器內,根據橋臂需投子模塊總個數和橋臂電流的方向來選擇對應的子模塊投入。同時,引入電壓分層容器是否重新分層的判據,當任一投入子模塊的電容電壓變化值小于電壓容器的電壓間隔,則無需重新進行分層,這不僅能夠降低算法的時間復雜度,而且能夠在選擇子模塊的過程中優化子模塊的投切,降低IGBT的開斷頻率。
[0006]本發明的技術方案是,一種適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法,包括下列步驟:
[0007]步驟1:遍歷橋臂所有子模塊的電容電壓,得到電容電壓的最大值和最小值,根據電容電壓的最大值和最小值確定電壓分層容器,所述電壓分層容器的層數由排序的計算復雜度和均壓控制效果決定,電壓分層容器層與層之間的電壓間隔相等,將所有子模塊的電容電壓放入等電壓間隔的電壓容器內;
[0008]步驟2:為了降低算法的復雜度,引入電壓容器重新劃分的判據。當任一個投入子模塊的電容電壓變化值小于容器的電壓間隔時,不重新分層;當任一投入子模塊的電容電壓變化值大于容器的電壓間隔時,重新分層;
[0009]步驟3:根據電容電壓大小將子模塊放入所述分層容器的對應層,根據橋臂電流方向和橋臂需投子模塊總個數進行優化排序,確定需要投入的子模塊。將需要投入子模塊的上IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)觸發脈沖設置為1,下IGBT觸發脈沖設置為O。
[0010]進一步地:
[0011]步驟I通過遍歷所有子模塊的電容電壓,得到電容電壓的最大值和最小值,確定電壓分層容器,然后根據排序的計算復雜度和均壓控制效果討論電壓分層容器的分層個數。
[0012]步驟1.1:電壓分層容器的確定
[0013]遍歷所有子模塊的電容電壓,取得子模塊電容電壓的最大值Umax和最小值Umin,將所有子模塊電容電壓分成M層,每層高度為Λν:
[0014]Δν = --—(I)
M
[0015]每個分層區間作為一個容器,對于第i個容器,其電壓上下限記做Umax,JPUmiiu,那么:
ΓUmin' / = Umin + {I — I)傘 Al7,、
[0016][Um,-,,., =Umin+ i^ Av
[0017]如果當前橋臂需要投入子模塊的個數為η_,基于最近電平逼近調制的MMC系統的橋臂投入子模塊個數na?可以用下式計算獲得,
[0018]
——round(——),上橋臂
_ 2'tW
Ylarm — 15/
—+ round (―^-),下橋臂
、2Ucref
[0019]其中,以Umj表示a、b、c三相的調制波(j = a,b,c),N為每個橋臂子模塊的總個數,round(x)為向下取整函數,Ucref為子模塊電容電壓額定值。
[0020]第i個容器用來放置電容電壓介于Umaju和Umitu之間的子模塊,設每個容器內子模塊的個數為nlay
erl、 ^■layer2 Λ 、^-1ayerM0 ^arm 和 n;|_ayer1、niayer2、 、?--^ayerJy 間存在如下式的關系:
k ^:+1
[0021]Σ Tllayeri < Harm ^〉: JVayeri
i=l /=1
[0022]則將容器I到容器k中的子模塊全部投入,并將第k+Ι個容器所有子模塊視為具有同等優先級別,任意取n_t個子模塊投入即可,其中n_t的取值為:
[0023]Ylrest — Harm _〉:1llaveri(5)
[0024]通過這種分層處理,只需將所有子模塊根據各個容器的電壓上下限,放入對應電壓范圍的容器內即可。避免了排序所產生的大量計算,又能保證一定的均壓效果。
[0025]步驟1.2:子模塊電壓容器分層數M的確定
[0026]子模塊電壓容器的分層數M依排序算法的時間復雜度和均壓控制效果決定。
[0027]步驟1.2.1時間復雜度的確定
[0028]對于N+1電平的MMC系統,用T1 (N)表示采用冒泡排序法對每個橋臂子模塊電容電壓進行排序的時間復雜度,則有:
[0029](b)
[0030]采用本申請提出的子模塊電容電壓分層處理時,首先需要獲得所有子模塊電容電壓的最大值和最小值,然后根據各子模塊容器電壓上下限將各子模塊放入對應容器,對應的時間復雜度T2(N)可以表示為:
[0031]T2 (N) = 2N+M*N = (M+2) N(7)
[0032]因此,為了減少算法的時間復雜度,分層個數M的選擇至少應滿足T2 (N)〈1\ (N),即M應滿足:
[0033]M <(8)
[0034]步驟1.2.2均壓控制效果的確定
[0035]MMC系統穩定時,子模塊的電容電壓總是運行在額定值U_f附近充放電。因此,采用子模塊電容電壓偏離額定值Ucref最大值作為衡量均壓效果的指標。
[0036]盡管冒泡排序法時間復雜度很高,但冒泡排序法均壓效果最好。假設采用冒泡排序法時,子模塊電容電壓允許偏差量為k%,則有:
[0037]丨隊 Uue> 丨 < k%(9)
Ucrej
[0038]其中,Uei為第i個子模塊的電容電壓。
[0039]采用步驟I提出的電容電壓分層的方法,在減小時間復雜度的同時,可能影響電容電壓波動范圍。如果為了減小計算量而能夠接受的電壓波動量不能超過(k+Ak) % ,則在最惡劣的情況下,M的取值應滿足:
Umax — Umin ^ ? n ,/irv、
[0040]———<Ak%(10)
ls4- XJcmf
[0041]考慮Umax與Umin的最極端情況,即:
[0042]彳,(11)
{Unin =Ucref* (1-k%)
[0043]將式(11)帶入式(10),可以得到:
6(,.,:,(1+/W) — LW(卜々%) 2*1<% …,/,
[0044]-------- =-< Α/<%(12)
M* UcrefM
[0045]因此,綜合時間復雜度和電容電壓均壓效果,滿足時間復雜度不高于冒泡法且均壓效果不差于(k+Λ k) %,那么子模塊電容電壓分層均壓控制的容器數M應滿足:
「 ? 24% …Ν-5/,οχ
[0046]-< M <--(、I Λ)
Μ%2
[0047]步驟2中,引入是否重新進行電壓分層的判據,當任一個投入子模塊的電容電壓變化值小于電壓容器的電壓間隔時,無需重新進行電壓分層;當任一個投入子模塊的電容電壓變化值大于電壓間隔時,重新進行電壓分層。
[0048]子模塊的電容充放電時,t時刻其電容電壓Ue(t)與經過的電流ie(t)的關系如下:
[0049]C 況;(,)=^(0(14)
dt
[0050]將式(14)差分處理可以得到:
八,
[0051 ] LjAl + Al) — = 2(、+ A,) + ,:‘(,)](1 j
[0052]其中,At為控制周期,C為子模塊的電容值。
[0053]橋臂中子模塊的串聯結構決定了流經子模塊的電流均相等,且一個橋臂上的子模塊的電容值C 一般情況下可認為均相等,因此在同一個電平持續的時間內,可以認為所有投入子模塊的電容電壓變化是相等的,其對應的變化值AU。如式(16)所示:
[0054]AU ==(?)?(I 6)
[0055]由式(I)和式(16)可以得到Λν和AU。的值,因此將Λ UcX Λ ν作為電壓分層容器是否重新分層的判據。當AUcXAv成立時,則無需對電壓容器進行重新分層,當AUcXAv不成立時,則重新對電壓容器進行分層。
[0056]如果AUcXAv,說明投入的子模塊的電容電壓變化值小于電壓分區間隔Λν,為了減少排序計算量,這種情況下保持現有容器及其對應的子模塊不變。這樣做的好處是減少了開關次數,進而降低開關損耗。
[0057]步驟3根據橋臂電流的方向和步驟I得到的橋臂需投子模塊總個數,從子模塊電壓分層容器中選擇對應的子模塊投入。
[0058]以充電為例,橋臂電流大于零,投入的子模塊處于充電狀態。假如前一個電平開始時,第I層容器到第1-Ι層容器中所有子模塊都投入,并且第i層容器中投入了 n_t個子模塊;下一個電平開始時,投入子模塊的電容電壓變化值AUcXAv,表明,如果根據子模塊電容電壓將所有子模塊重新放入當前容器中,則第i層容器內投入的子模塊可能被放至第i+Ι層容器中或者仍在第i層容器中。那么,采用不重新分層就相當于:a)如果第i層容器需投子模塊個數小于第i層容器的子模塊個數,則在第i層容器中取對應個子模塊投入山)如果第i層容器需投子模塊個數大于第i層容器內子模塊個數時,則從第i+Ι層容器中優先選擇剛從第i層容器充電至第i+Ι層容器的子模塊投入。
[0059]根據橋臂電流方向和橋臂需投子模塊總個數,選擇對應的子模塊進行投入,被選中的子模塊將其上IGBT狀態設置為1,下IGBT狀態設置為O。這樣既能減少不必要的重新分層,也能減少子模塊的開斷次數。
[0060]本發明的效果在于,提出一種適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法。傳統的基于最近電平逼近調制的均壓控制方法需要對所有子模塊的電容電壓進行排序,本發明通過對排序的均壓控制方法進行改進,將所有子模塊電容電壓進行分層,通過橋臂需投子模塊總個數和橋臂電流方向,從分層容器中選擇對應的子模塊投入,同時引入了是否進行電壓容器重新分層的判據,既能夠提高高電平MMC子模塊電容電壓排序的速率,降低排序算法的復雜度,又能夠保證一定的均壓控制效果,降低子模塊IGBT的開斷頻率。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0061]圖1最近電平逼近調制原理圖
[0062]圖2改進的均壓控制方法總體流程圖
[0063]圖3改進的均壓控制方法的分層示意圖
[0064]圖4MMC系統模型
[0065]圖5子模塊結構圖
[0066]圖6對所有子模塊排序的傳統均壓控制法的電容電壓波形
[0067]圖7改進均壓控制方法的電容電壓波形(分2層)
[0068]圖8改進均壓控制方法的電容電壓波形(分3層)
[0069]圖9改進均壓控制方法的電容電壓波形(分4層)
【具體實施方式】
[0070]下面結合附圖,對本發明進一步詳細說明,應該強調的是,下述說明僅僅是示例性的,而不是為了限制本發明的范圍及其應用。
[0071]基于最近電平逼近調制的傳統均壓控制方法,通過步驟I計算橋臂需投子模塊的總個數nOT,然后對所有子模塊進行排序。基于最近電平逼近調制的具體逼近過程如圖1所示,通過將正弦的調制波采用階梯波進行逼近,可以得到各個橋臂需投子模塊的總個數。子模塊的電容電壓在階梯波的電平變化時進行重新的排序,當階梯波的電平與上一時刻相同時,則不進行重新排序。
[0072]本發明適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法,其總體流程圖如圖2所示。
[0073]I)首先監測任一個投入子模塊的電容電壓變化值Λ U。,在階梯波電平變化時,如Δ U。滿足子模塊的電容電壓分層判據△ UcX Δ V,則無需對子模塊電壓容器重新進行分層,直接產生子模塊的觸發脈沖;如AU。不滿足子模塊的分層判據△&〈△ V,則子模塊電壓容器進行重新分層,直接產生子模塊的觸發脈沖。
[0074]2)子模塊電壓分層的電壓容器如圖3所示,將所有子模塊分為M層,每層子模塊電壓容器有電壓的上下限,每層容器的電壓間隔均為相等,根據子模塊電容電壓的值將所有子模塊的電容電壓放入M層的子模塊電壓容器內。然后從M層子模塊電壓容器內部選擇需投入的子模塊進行投入。被選擇投入的子模塊,只需要將其上IGBT設置為1,下IGBT設置為0,即圖5中IGBTl = 1,IGBT2 = O ;未被選擇的子模塊將其旁路,即圖5中IGBTl = 0,IGBT2 = I。
[0075]在PSCAD/EMTDC中搭建如圖4的21個電平單端MMC直流輸電系統仿真模型,每個橋臂有20個SM子模塊串聯,MMC系統為21個電平(電平數M和子模塊個數N的關系為M=N+1)。在系統仿真參數一致的情況下,對比對所有子模塊進行排序的傳統均壓控制方法和改進的均壓控制方法。系統仿真參數為表1:
[0076]表1仿真參數表
[0077]
【權利要求】
1.一種適用于高電平MMC的子模塊電容電壓分層的均壓控制方法,所述方法包括下列步驟: 步驟1:遍歷橋臂所有子模塊的電容電壓,得到電容電壓的最大值和最小值,根據電容電壓的最大值和最小值確定電壓分層容器,所述電壓分層容器層與層之間的電壓間隔相等,將所有子模塊放入等電壓間隔的電壓分層容器內; 步驟2:當任一個投入子模塊的電容電壓變化值小于所述容器的電壓間隔,則不重新分層;當任一個投入子模塊的電容電壓變化值大于所述容器的電壓間隔,則重新分層; 步驟3:根據電容電壓大小將子模塊放入分層容器的對應層,根據橋臂電流方向和橋臂需投子模塊總個數進行優化排序,確定需要投入的子模塊,將需要投入子模塊的上IGBT觸發脈沖設置為1,下IGBT觸發脈沖設置為O。
2.根據權利要求1所述的均壓控制方法,其中步驟I中,包括 步驟1.1:電壓分層容器的確定 遍歷所有子模塊的電容電壓,取得子模塊電容電壓的最大值Umax和最小值Umin,將所有子模塊電容電壓分成M層,每層高度為Λν:.XJfiax ~ Ufiin/ -.\Δν =--⑴
M 每個分層區間作為一個容器,對于第i個容器,其電壓上下限記做Umaju和Umiiu, IUmm, / = Umin + (/ — I) * Δν泛)
i — XJmin + Z* * Δν 如果當前橋臂需要投入子模塊的個數為η_,基于最近電平逼近調制的MMC系統的橋臂投入子模塊個數η_用下式計算獲得,
—-round{——),上橋臂
2Ucref/q\11 um = <{?)
—+ round (―^),下橋臂
、IUcref 其中,Umj表示a、b、c三相的調制波,j = a, b,c,N為每個橋臂子模塊的總個數,round(x)為向下取整函數,Ucref為子模塊電容電壓額定值; 第i個容器用來放置電容電壓介于Umaju和Umiiu之間的子模塊,設每個容器內子模塊的個數為nlay
erl、^-1ayer2 Λ 、^-1ayerM ?^arm 矛口 ^-1ayerl Λ ^layer2 Λ...、niayerM 間存在如下式的關系:k k+\, 〉:fIlayeri < fIarm ^〉: fIhtyeri\4/ /=1 i=l 將容器I到容器k中的子模塊全部投入,并將第k+Ι個容器所有子模塊視為具有同等優先級別,任意取n_t個子模塊投入即可,其中n_t的取值為: k ,.Hrest — Ihtrm —.〉:1Vtiyen\5 /
/=1 步驟1.2:子模塊電壓容器分層數M的確定 子模塊電壓容器的分層數M依排序算法的時間復雜度和均壓控制效果決定, 步驟1.2.1時間復雜度的確定 對于N+1電平的MMC系統,用T1(N)表示采用冒泡排序法對每個橋臂子模塊電容電壓進行排序的時間復雜度, T'(N)= N、'-'、(6) 對應的時間復雜度T2(N)為:
T2 (N) =2N+M*N= (M+2) N (7) 分層數M的選擇應滿足T2 (N)〈1\ (N),即M應滿足:M<^(8)
2 步驟1.2.2均壓控制效果的確定 采用子模塊電容電壓偏離額定值Urarf的最大值作為衡量均壓效果的指標,所述額定值Ucref為MMC系統穩定時,子模塊電容電壓充放電運行的額定值; 采用冒泡排序法,子模塊電容電壓允許偏差量為k%,
(9)
Ucrei 其中,Uci為第i個子模塊的電容電壓,電壓波動量不能超過(k+Ak) %,子模塊電壓容器分層數M的取值滿足 υ",、Μ%(10)
M* Ucref 考慮Umax與Umin的最極端情況,即: ?U,?ar = Ucref *(\ + k%)(⑴
[Umin = Ucref* (1-k%) 將式(11)帶入式(10),得到: ^?/(l+/c%)-^?/(l-A-%) _ 2*/<% <M%/1 2)
M* UcefM ~ ?/0V 子模塊電壓容器分層數M滿足: 2 4% N-5Z1 -<M <----(13) ο Ak%2
3.根據權利要求2所述的均壓控制方法,其中步驟2中,子模塊的電容充放電時,t時亥ij其電容電壓υεα)與經過的電流込⑴的關系如下: cdim = j{i)(11)
di 將式(14)差分處理得到:
lji {l + Al ) — Ui (I ) = 2c [,、(, + Δ?) + ic{t)](15) 其中,At為控制周期,C為子模塊的電容值; 在同一個電平持續的時間內,所有投入子模塊的電容電壓變化是相等的,其對應的變化值Λ U。如式(16)所示: AU,- = U,(J 2) - f/, (/1)=去 J,;: /,(/)di(16) 由式(I)和式(16)得到Λν和AU。的值,當AUcXAv時,不對電壓容器進行重新分層,當AUcXAv不成立時,重新對電壓容器進行分層。
4.根據權利要求1所述的均壓控制方法,其中步驟3中,所述需要投入的子模塊按如下方法進行選擇: 橋臂電流大于零,使投入的子模塊處于充電狀態,當前一個電平開始時,第I層容器到第i_l層容器中所有子模塊都投入,并且第i層容器中投入n_t個子模塊;下一個電平開始時,如果投入子模塊的電容電壓變化值△ UcX Δ V,根據子模塊電容電壓將所有子模塊重新放入當前容器中,則第i層容器內投入的子模塊被放至第i+Ι層容器中或者仍在第i層容器中;此時采用不重新分層就相當于: a)如果第i層容器需投子模塊個數小于第i層容器的子模塊個數,則在第i層容器中取對應個子模塊投入; b)如果第i層容器需投子模塊個數大于第i層容器內子模塊個數,則從第i+Ι層容器中優先選擇剛從第i層容器充電至第i+Ι層容器的子模塊投入。
【文檔編號】H02M7/5387GK104135177SQ201410355801
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月24日 優先權日:2014年7月24日
【發明者】劉崇茹, 林周宏, 田鵬飛, 李海峰, 洪國巍, 郭龍 申請人:華北電力大學