一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略制造技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略，与传统策略不同，本发明专利技术在投入子模块时考虑了子模块当前的投切状态和电容电压，并将投入优先度较高的子模块标记为1，切除优先度较高的子模块标记为0，然后分别对两种标记的子模块进行排序和投切操作，在保证电容电压波动较小的前提下，降低了子模块的投切频率，并减少了电容电压排序所占用的时间，可使换流器在较低的子模块投切频率下，完成子模块电容电压平衡控制。

A capacitor voltage balancing control strategy for modular multilevel converters

The invention discloses a capacitor voltage balance control strategy of a modular multilevel converter, different with the traditional method, the invention in sub modules into sub module current switching state and the capacitor voltage, and will put into the higher priority sub module is marked as 1, removing the higher priority the sub module mark is 0, then the two marker module for sorting and switching operations, while ensuring the capacitor voltage fluctuation is small, reducing the switching frequency of the sub module, and reduces the voltage of capacitor sorting the time can make the converter in the lower module of investment cut frequency, sub module capacitor voltage balance control.

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略
本专利技术属于电力电子系统
，具体涉及一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略。
技术介绍
随着电力电子技术的蓬勃发展，基于模块化多电平换流器(modularmultilevelconverter，MMC)的高压直流输电(highvoltagedirectcurrent，HVDC)技术被认为是最适合进行中高压输电的技术之一。和其他电压源型换流器拓扑相比，模块化多电平换流器具有显著优势；由于采用基本运行子模块级联的形式，该拓扑避免了大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题，减少了设备的制造难度；该拓扑同时还拥有较低的开关频率和换流器损耗，具有很强的经济性，因此近年来该拓扑被迅速应用到新能源并网、海上风电送出等场合。换流器的子模块电容电压平衡控制一直是实际工程中关注的重点，典型的三相MMC换流器的系统结构如图1所示，换流器共包含6个桥臂，其中每桥臂均包含N个子模块以及一个桥臂电抗。令桥臂电流正方向如图1所示，当桥臂电流为正，投入状态的子模块电容被充电，当桥臂电流为负，投入状态的子模块被放电。各子模块电容互相独立，而子模块的充放电时间和电容的差异将会使其电容电压出现不均衡，影响换流器整体的正常运行。传统的电容电压平衡控制策略为：先检测桥臂电流方向和每个子模块的电容电压并进行排序；如果桥臂电流对子模块电容充电，则按照电容电压从低到高的顺序投入对应数量的子模块；如果桥臂电流对子模块电容放电，则按照电容电压从高到低的顺序投入相应的子模块。该方法的问题在于没有考虑子模块的初始状态，极大地增大了运行过程中的子模块投切频率，这将导致电力电子器件的开关频率和开关损耗的上升，从而降低了模块化多电平换流器的运行效率。除此之外，当电压等级上升时，桥臂子模块数量会大大增加，使得对所有子模块进行排序会占用较多的时间，在触发控制中引入较大的延迟。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略，能在保证电容电压波动较小的前提下，降低子模块的投切频率，并减少电容电压排序所占用的时间。一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略，包括如下步骤：(1)对于换流器的任一桥臂，将当前桥臂中处于投入状态的子模块标记为1，处于切除状态的子模块标记为0；(2)计算桥臂中每个子模块电容电压的波动分量，进而求得整个桥臂的电容电压波动率ε；(3)比较电容电压波动率ε与波动率阈值εm的大小：若ε≥εm，则进入步骤(4)；若ε＜εm，则直接跳转至步骤(5)；(4)确定子模块电容电压的上下限值，令桥臂电流从高压端流向低压端的方向为正，反之为负；进而根据桥臂电流方向以及子模块电容电压与上下限值区间的关系，对子模块标记进行更新；(5)根据公式ΔNon＝Non-Nmark计算出桥臂子模块的投入偏差量ΔNon，Nmark为统计出当前标记为1的桥臂子模块个数，Non为控制系统通过相应算法(最近电平逼近调制算法)计算得到的当前桥臂所需投入子模块数量；(6)根据投入偏差量ΔNon以及桥臂电流对桥臂子模块进行投切控制。所述步骤(2)中根据以下算式计算桥臂中每个子模块电容电压的波动分量：Δuc,i＝uc,i-Ucn其中：Δuc,i为桥臂中第i个子模块电容电压的波动分量，uc,i为桥臂中第i个子模块的电容电压，Ucn为子模块电容电压额定值且Ucn＝Udc/N，Udc为换流器的直流侧额定电压，i为自然数且1≤i≤N，N为桥臂中的子模块个数。所述步骤(2)中根据以下算式计算整个桥臂的电容电压波动率ε：所述步骤(3)中的波动率阈值εm设定为5％～10％。所述步骤(4)中根据以下算式确定子模块电容电压的上下限值：Uup＝Ucn(1+εm)Ulow＝Ucn(1-εm)其中：Uup和Ulow分别为子模块电容电压的上限值和下限值，Ucn为子模块电容电压额定值且Ucn＝Udc/N，Udc为换流器的直流侧额定电压，N为桥臂中的子模块个数。所述步骤(4)中对子模块标记进行更新的标准如下：若桥臂电流≥0，则将桥臂中电容电压大于上限值的子模块标记为0，电容电压小于下限值的子模块标记为1，电容电压在上下限值区间内的子模块保持原标记不变；若桥臂电流＜0，则将桥臂中电容电压大于上限值的子模块标记为1，电容电压小于下限值的子模块标记为0，电容电压在上下限值区间内的子模块保持原标记不变。所述步骤(6)中对桥臂子模块进行投切控制的标准如下：当ΔNon＞0时：若桥臂电流≥0，则将桥臂中所有标记为1的子模块投入并从标记为0的子模块中投入电容电压最低的ΔNon个子模块，同时将剩余的子模块全部切除；若桥臂电流＜0，则将桥臂中所有标记为1的子模块投入并从标记为0的子模块中投入电容电压最高的ΔNon个子模块，同时将剩余的子模块全部切除；当ΔNon＜0时：若桥臂电流≥0，则从标记为1的子模块中投入电容电压最低的Non个子模块，同时将剩余的子模块全部切除；若桥臂电流＜0，则从标记为1的子模块中投入电容电压最高的Non个子模块，同时将剩余的子模块全部切除；当ΔNon＝0时：则将桥臂中所有标记为1的子模块投入，所有标记为0的子模块切除。与传统策略不同，本专利技术在投入子模块时考虑了子模块当前的投切状态和电容电压，并将投入优先度较高的子模块标记为1，切除优先度较高的子模块标记为0，然后分别对两种标记的子模块进行排序和投切操作，在保证电容电压波动较小的前提下，降低了子模块的投切频率，并减少了电容电压排序所占用的时间，可使换流器在较低的子模块投切频率下，满足子模块电容电压的平衡要求。因此，本专利技术的有益技术效果总结如下：(1)本专利技术控制策略简单高效地实现了大量子模块的电容电压均衡。(2)本专利技术控制策略在不明显增加子模块电容电压不平衡度和波动率的前提下，显著降低了子模块的投切频率和电力电子器件的开关损耗。(3)本专利技术控制策略可通过设定电容电压波动阈值，来调控被控桥臂的子模块投切频率和电容电压波动率。附图说明图1为模块化多电平换流器的结构示意图。图2为本专利技术电容电压平衡控制策略的流程示意图。图3为电容电压波动阈值为9％情况下A相上桥臂各子模块电容电压的仿真波形图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案及其相关原理进行详细说明。如图1所示，本实施例中模块化多电平换流器采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干个半桥子模块和一桥臂电抗器串联组成，用于将交流电网的三相交流电转换为直流电。半桥子模块输出电压存在正和零两种电平，桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件的作用。半桥子模块由两个IGBT管T1～T2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的输出端与IGBT管T2的输入端相连并构成半桥子模块的一端，IGBT管T1的输入端和电容C的一端相连，IGBT管T2的输出端与电容C的另一端相连并构成半桥子模块的另一端。针对上述换流器结构采用本专利技术电容电压平衡控制策略，具体过程如图2所示：(1)首先将此时处于投入状态的子模块标记为1，处于切除状态的子模块标记为0。(2)以A相上桥臂为例，利用下式计算每个子模块电容电压的波动分量：Δuc,i＝uc,i-Ucn(i＝1,2,…,N)其中，uc,i为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略，包括如下步骤：(1)对于换流器的任一桥臂，将当前桥臂中处于投入状态的子模块标记为1，处于切除状态的子模块标记为0；(2)计算桥臂中每个子模块电容电压的波动分量，进而求得整个桥臂的电容电压波动率ε；(3)比较电容电压波动率ε与波动率阈值εm的大小：若ε≥εm，则进入步骤(4)；若ε＜εm，则直接跳转至步骤(5)；(4)确定子模块电容电压的上下限值，令桥臂电流从高压端流向低压端的方向为正，反之为负；进而根据桥臂电流方向以及子模块电容电压与上下限值区间的关系，对子模块标记进行更新；(5)根据公式ΔNon＝Non‑Nmark计算出桥臂子模块的投入偏差量ΔNon，Nmark为统计出当前标记为1的桥臂子模块个数，Non为控制系统通过相应算法计算得到的当前桥臂所需投入子模块数量；(6)根据投入偏差量ΔNon以及桥臂电流对桥臂子模块进行投切控制。

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平换流器的电容电压平衡控制策略，包括如下步骤：(1)对于换流器的任一桥臂，将当前桥臂中处于投入状态的子模块标记为1，处于切除状态的子模块标记为0；(2)计算桥臂中每个子模块电容电压的波动分量，进而求得整个桥臂的电容电压波动率ε；(3)比较电容电压波动率ε与波动率阈值εm的大小：若ε≥εm，则进入步骤(4)；若ε＜εm，则直接跳转至步骤(5)；(4)确定子模块电容电压的上下限值，令桥臂电流从高压端流向低压端的方向为正，反之为负；进而根据桥臂电流方向以及子模块电容电压与上下限值区间的关系，对子模块标记进行更新；(5)根据公式ΔNon＝Non-Nmark计算出桥臂子模块的投入偏差量ΔNon，Nmark为统计出当前标记为1的桥臂子模块个数，Non为控制系统通过相应算法计算得到的当前桥臂所需投入子模块数量；(6)根据投入偏差量ΔNon以及桥臂电流对桥臂子模块进行投切控制。2.根据权利要求1所述的电容电压平衡控制策略，其特征在于：所述步骤(2)中根据以下算式计算桥臂中每个子模块电容电压的波动分量：Δuc,i＝uc,i-Ucn其中：Δuc,i为桥臂中第i个子模块电容电压的波动分量，uc,i为桥臂中第i个子模块的电容电压，Ucn为子模块电容电压额定值且Ucn＝Udc/N，Udc为换流器的直流侧额定电压，i为自然数且1≤i≤N，N为桥臂中的子模块个数。3.根据权利要求2所述的电容电压平衡控制策略，其特征在于：所述步骤(2)中根据以下算式计算整个桥臂的电容电压波动率ε：4.根据权利要求1所述的电容电压平衡控制策略，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆翌，李继红，裘鹏，徐政，徐雨哲，肖晃庆，
申请(专利权)人：国家电网公司，国网浙江省电力公司，国网浙江省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11