本發明涉及一種模塊化多電平變換器子模塊電容電壓均衡控制方法,屬于電壓源換流器技術領域和直流輸電技術領域。
背景技術:
模塊化多電平變換器(mmc)是一種新型的電壓變換電路,它通過將多個子模塊級聯的方式,減少了每個子模塊中開關器件所承受的電壓應力,并且變換器具有輸出諧波少、模塊化程度高等特點,因而在電力系統中具有廣泛的應用前景,特別在高壓直流輸電場合中具有優勢。目前很多直流輸電工程都采用mmc拓撲或者其衍生拓撲結構,直流側電壓等級越來越高,橋臂上的子模塊數量也越來越多。
雖然mmc有眾多優點,但它也有一定的缺陷。在mmc中每一個子模塊都有一個儲能電容,如果電容的能量不均衡,那么就會造成上下橋臂能量的不均衡,從而影響變換器的正常工作,因此需要控制各個子模塊電容電壓區域平衡。而橋臂上的子模塊數量眾多,導致儲能電容的數目龐大,具有較高的控制難度,因此尋找一種合適的電容電壓均衡控制方法已成為人們關注的熱點。
現有的mmc子模塊電容電壓均衡控制方法一般采用一種傳統排序方法,其步驟為:計算出當前時刻每一個橋臂上需要投入的子模塊數目n,對每一個橋臂上的所有子模塊電容電壓進行排序。當橋臂電流大于0時選擇電容電壓最低的n個子模塊進行投入;當橋臂電流小于0時選擇電容電壓最高的n個子模塊進行投入。這種方法雖然能取得較好的均衡效果,但是子模塊的投切頻率較高,造成開關器件的損耗較大。
之后有人對傳統排序方法進行了改進,提出一種多變量排序法。這種方法在傳統排序方法的基礎上,引入一個電壓調整范圍,即電壓上限和電壓下限。當橋臂電流大于0時,將當前處于旁路狀態且電容電壓小于電壓下限的子模塊和已經投入的子模塊乘以一個小于1的系數,以增大其被投入的概率;如果橋臂電流小于0,將當前處于旁路狀態且電容電壓大于電壓上限的子模塊和已經投入的子模塊乘以一個大于1的系數,以增大其被投入的概率。這種方法雖能在一定程度上減小子模塊的投切頻率,但是由于變量眾多,參數選擇困難,使控制相對復雜。若參數選擇不當,就會嚴重影響控制效果,影響系統正常工作。
技術實現要素:
本發明的目的是提出一種模塊化多電平變換器子模塊電容電壓均衡控制方法,對每一個橋臂當前處于投入狀態的子模塊和處于旁路狀態的子模塊按照電容電壓值分別進行排序,根據每一個橋臂電流的方向、當前時刻需要投入的子模塊數量和上一時刻需要投入的子模塊數量的差值以及電容電壓排序結果,控制每一個橋臂上子模塊投入和切除的數量,達到子模塊電容電壓均衡的效果。
本發明提出的模塊化多電平變換器子模塊電容電壓均衡控制方法,包括以下步驟。
(1)設定模塊化多電平變換器每一個橋臂上級聯的子模塊數目為n,通過一定的調制方式,計算出當前一個控制周期內一個橋臂上所要投入的子模塊數目m1,并保存上一個控制周期內同一橋臂所要投入的子模塊數目m2。
(2)根據上述步驟(1)計算出當前控制周期內橋臂所投入的子模塊數目與上一個控制周期內同一橋臂所投入的子模塊數目的差值k,其中k=m1-m2,并通過分析得出k只可能為0、1或-1,并設定當前處于投入狀態的p1個子模塊為集合a1,處于切除狀態的p2個子模塊為集合a2。
(3)檢測當前橋臂的電流方向iarm,并確定一個投切因子l,限定l的范圍為(0,n/2)。
(4)根據上述步驟(2)所得出的k、a1、a2以及步驟(3)所得出的iarm和l進行判斷,如果k=1,則說明當前時刻橋臂上需要投入一個子模塊,對a2中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,若iarm>0,則當l大于等于p2時,投入集合a2的全部p2個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最高的p2-1個子模塊,當l小于p2時,投入集合a2中電容電壓最低的l個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最高的l-1個子模塊,如果iarm<0,則當l大于等于p2時,投入集合a2中所有p2個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最低的p2-1個子模塊,當l小于p2時,投入集合a2中電容電壓最高的l個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最低的l-1個子模塊。
(5)根據上述步驟(2)所得出的k、a1、a2以及步驟(3)所得出的iarm和l進行判斷,如果k=-1,則說明當前時刻橋臂上需要切除一個子模塊,對a2中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,若iarm>0,則當l大于等于p2時,投入集合a2的全部p2個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最高的p2+1個子模塊,當l小于p2時,投入集合a2中電容電壓最低的l個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最高的l+1個子模塊,若iarm<0,則當l大于等于p2時,投入集合a2中所有p2個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最低的p2+1個子模塊,當l小于p2時,投入集合a2中電容電壓最高的l個子模塊,對集合a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a2中電容電壓最低的l+1個子模塊。
(6)根據上述步驟(2)所得出的k、a1、a2以及步驟(3)所得出的iarm和l進行判斷,如果k=0,則說明當前時刻橋臂上投入的子模塊數量不變,若iarm>0,則當l大于等于p2時,投入集合a2中所有p2個子模塊,對a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最高的p2個子模塊,當l小于p2時,投入集合a2中電容電壓最低的l個子模塊,對a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最高的l個子模塊,如果iarm<0,則當l大于等于p2時,投入集合a2中所有p2個子模塊,對a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最低的p2個子模塊,當l小于p2時,投入集合a2中電容電壓最高的l個子模塊,對a1中的子模塊按照電容電壓大小進行排序,切除集合a1中電容電壓最低的l個子模塊。
(7)根據上述步驟(4)(5)(6)控制每一個橋臂上子模塊的投入與切除,實現模塊化多電平變換器子模塊電容電壓的均衡控制。
本發明所提出的模塊化多電平變換器子模塊電容電壓均衡控制方法,其優點和特點是,不僅降低了子模塊投切頻率,減小了開關損耗,還可以根據實際工程的需要,自主選擇投切因子l而改變子模塊的投切頻率,大大增加了靈活度,非常適合于較大電平數目的mmc。
附圖說明
圖1是本發明中模塊化多電平變換器的拓撲結構圖。
圖2是模塊化多電平變換器中子模塊的拓撲結構圖。
圖3是本發明方法的原理框圖。
具體實施方式
下面將結合附圖詳細說明本發明內容。圖1為本發明所涉及的模塊化多電平變換器(mmc)拓撲結構圖。mmc主要是由6個橋臂組成的,各橋臂電流參考方向已在圖1中標出。每個橋臂上有若干個級聯的子模塊,子模塊的拓撲結構如圖2所示,iarm為橋臂電流。因為mmc中的電容是并聯在每一個子模塊兩端的,因此必須通過控制輸入電容和輸出電容的能量來維持子模塊電容電壓的平衡。而對于同一個橋臂上的若干子模塊,還必須采用電容電壓均衡控制方法維持這些子模塊電容電壓的均衡。本發明所提出的一種模塊化多電平變換器子模塊電容電壓均衡控制方法具體實施方式如下。
(1)設定模塊化多電平變換器每一個橋臂上級聯的子模塊數量為n。通過最近電平逼近調制、載波層疊調制、載波移相調制等調制方式,可得到系統的調制波信號。對某一個橋臂進行分析。因為調制波信號為階梯波,所以階梯的級數即為目前該橋臂所需要投入的子模塊數目。計算出當前時刻該橋臂需要投入的子模塊數目m1(0<m1<n),并根據上一時刻橋臂上需要投入的子模塊數目m2(0<m2<n),計算出兩者的差值k。因為調制信號為階梯信號,所以k的取值只可能為0、1、-1三個值。
(2)采集該橋臂所有的子模塊電容電壓vi,i=1,2,3...n,并檢測橋臂電流iarm。對于該橋臂當前已經投入的子模塊,計算出其個數為p1(0≤p1≤n),組成集合a1,對于該橋臂當前被切除的子模塊,其個數p2=n-p1,組成集合a2。
(3)為了實現每個橋臂上子模塊電容電壓的平衡,需要每一個橋臂上的子模塊不斷投切。確定一個投切因數l(0<l<n/2),代表各個橋臂上每次需要投入的子模塊數目。
(4)判斷步驟(1)中k的值,并根據步驟(2)判斷iarm的正負。如果k=1且iarm>0,那么說明當前時刻該橋臂需要多投入一個子模塊。若l≥p2,那么先將集合a2中p2個還未被投入的子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最高的p2-1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多投入一個子模塊;如果l<p2,那么先對集合a2中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a2中電容電壓最低的l個子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最高的l-1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多投入一個子模塊。
(5)判斷步驟(1)中k的值,并根據步驟(2)判斷iarm的正負。如果k=1且iarm<0,那么說明當前時刻該橋臂需要多投入一個子模塊。若l≥p2,,那么先將集合a2中p2個還未被投入的子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最低的p2-1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多投入一個子模塊;如果l<p2,那么先對集合a2中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a2中電容電壓最高的l個子模塊投入集合a1,然后對a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最高的l-1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多投入一個子模塊。
(6)判斷步驟(1)中k的值,并根據步驟(2)判斷iarm的正負。如果k=-1且iarm>0,那么說明當前時刻橋臂該橋臂需要多切除一個子模塊。若l≥p2,那么先將集合a2中p2個還未被投入的子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,a1中電容電壓最高的p2+1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多切除一個子模塊;如果l<p2,那么先對集合a2中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a2中電容電壓最低的l個子模塊投入集合a1,然后對a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最高的l+1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多切除一個子模塊。
(7)判斷步驟(1)中k的值,并根據步驟(2)判斷iarm的正負。如果k=-1且iarm<0,那么說明當前時刻橋臂該橋臂需要多切除一個子模塊。若l≥p2,那么先將集合a2中p2個還未被投入的子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,a1中電容電壓最低的p2+1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多切除一個子模塊;如果l<p2,那么先對集合a2中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a2中電容電壓最高的l個子模塊投入集合a1,然后對a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最低的l+1個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂多切除一個子模塊。
(8)判斷步驟(1)中k的值,并根據步驟(2)判斷iarm的正負。如果k=0且iarm>0,那么說明當前時刻該橋臂需要投入的子模塊數量不變。若l≥p2,那么先將集合a2中p2個還未被投入的子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,a1中電容電壓最高的p2個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂被投入的子模塊數目不變;如果l<p2,那么先對集合a2中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a2中電容電壓最低的l個子模塊投入集合a1,然后對a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最高的l個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂被投入的子模塊數目不變。
(9)判斷步驟(1)中k的值,并根據步驟(2)判斷iarm的正負。如果k=0且iarm<0,那么說明當前時刻該橋臂需要投入的子模塊數量不變。若l≥p2,那么先將集合a2中p2個還未被投入的子模塊投入集合a1,然后對集合a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,a1中電容電壓最低的p2個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂被投入的子模塊數目不變;如果l<p2,那么先對集合a2中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a2中電容電壓最高的l個子模塊投入集合a1,然后對a1中的子模塊按電容電壓大小進行排序,將a1中電容電壓最低的l個子模塊切除,這樣保證當前時刻該橋臂被投入的子模塊數目不變。
(10)根據上述步驟(4)(5)(6)(7)(8)(9)控制每一個橋臂上子模塊的投入與切除,即可實現模塊化多電平變換器子模塊電容電壓的均衡控制。
本發明相對于原有的模塊化多電平變換器的子模塊電容電壓均衡控制方法具有許多優點。相比于上文背景技術中所敘述的傳統排序方法,本發明所提出的方法減少了子模塊不必要的投切,因此減小了投切頻率,進而降低了開關損耗;相比于上文背景技術中所敘述的多變量排序法,不僅減少了控制變量,降低了控制難度,也減小了投切頻率,降低了開關損耗。本發明還可以根據實際工程的需要,通過自主選擇投切因子而可以自主改變子模塊的投切頻率,大大增加了靈活度。當橋臂上子模塊的數目增多時,這種方法的優勢會越來越明顯,因此很適合于大電平數目的模塊化多電平變換器。