一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统，计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；根据子模块损耗差异确定投切子模块的调整区间；在确定的投切子模块的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，则根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。本发明专利技术不会造成子模块总损耗和变换器建设成本的增加，且可实现对子模块损耗分布的精准调节，具有更好的工况适应性和优化效果。具有更好的工况适应性和优化效果。具有更好的工况适应性和优化效果。

【技术实现步骤摘要】
一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统


[0001]本专利技术属于多电平电力电子变换器
，具体涉及一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统。

技术介绍

[0002]相比于半桥型模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter,MMC)和全桥型MMC，基于半桥子模块和全桥子模块的混合型MMC可兼顾运行效率和直流故障穿越能力，在可再生能源、高压直流输电、电力电子传动等领域得到了越来越广泛应用。混合型MMC内数量庞大的功率半导体器件是其主要的故障来源，且器件在实际运行中承受的热应力是导致其故障的主要原因之一。在热循环的作用下，功率半导体器件内部不同材料的热膨胀系数差异会导致材料分界面之间存在重复性的热应力。而器件损耗是热循环产生的主要来源，因此有必要通过改善子模块内部的损耗分布降低模块内器件的故障率，进而提高变换器的可靠性和运行寿命。
[0003]MMC桥臂电流存在固有的直流偏置分量，同时子模块不同输出模式的工作时间存在差异，这导致子模块内的损耗分布不均，即同一子模块内不同器件的损耗不同。由此导致，子模块内损耗集中的器件具有更高的故障率，进而增加了子模块和变换器的故障率，因为故障率最高的器件决定了其所在子模块和变换器的寿命。另外，混合型MMC内半桥子模块和全桥子模块的拓扑和控制方法不同，这导致它们的损耗分布特性也不同。因此，同时改善半桥和全桥子模块的损耗分布特性具有一定的难度，也是提高混合型MMC可靠性的关键。
[0004]目前，MMC内部子模块的损耗分布特性的改善方法主要包括特定环流分量注入、同模块内器件的非对称选型和电压调制波拉伸等。但是特定环流分量注入会增加子模块总损耗，同模块内器件的非对称选型会增加变换器的建设成本且对工况适应性较差。电压调制波拉伸只适用于低电压调制度的场合，且其在优化半桥子模块的损耗分布的同时，会造成全桥子模块损耗分布均衡性的恶化。因此，现仍需探索一种可以在不增加子模块总损耗和影响变换器输出特性的前提下，同时提高混合型MMC内半全桥子模块损耗分布均衡度的优化控制方法。

技术实现思路

[0005]请参阅图1，本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统，用于解决由半桥和全桥子模块内的损耗不均衡分布所造成的混合型MMC可靠性和运行寿命降低的技术问题，在不增加子模块总损耗和不影响变换器输出特性的前提下，通过调整半桥和全桥子模块不同输出模式的分配来改善子模块级的损耗分布；改进的电容电压均衡算法根据半桥和全桥内部的损耗分布情况，在确定的投切子模块调整区间内，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块，进而将高损耗器件的损耗转移至其他器件。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，包括以下步骤：
[0008]S1、计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；
[0009]S2、根据步骤S1得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；
[0010]S3、在步骤S2确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
[0011]具体的，步骤S1中，半桥子模块的平均子模块级损耗差异ΔP
HBSM
为：
[0012][0013]其中，H表示桥臂内所包含的半桥子模块数量，P
HBSM,,k
表示第i个全桥子模块内开关管模块S
k
的损耗，k＝1,2，S1和S2分别表示全桥子模块左半桥的上开关管模块和下开关管模块；
[0014]全桥子模块的平均子模块级损耗差异ΔP
FBSM
为：
[0015][0016]其中，F表示桥臂内所包含的全桥子模块数量。
[0017]具体的，步骤S2中，以步骤S1所得出的半桥子模块的平均子模块级损耗差异ΔP
HBSM
或全桥子模块的平均子模块损耗差异ΔP
FBSM
作为PI控制器的输入，得到的输出为子模块调节区间阈值调节量Δi
arm,limit
，则可计算子模块调节区间阈值i
arm,limit
并得到投切子模块的调整区间。
[0018]进一步的，子模块调节区间阈值i
arm,limit
为：
[0019][0020]其中，i
arm,min
表示桥臂电流的最小值。
[0021]更进一步的，投切子模块调整区间内的桥臂电压和电流需满足以下条件：
[0022][0023]其中，i
arm
和v
arm
分别表示桥臂电流和桥臂电压。
[0024]具体的，步骤S3具体为：
[0025]S301、根据调制环节输出信号计算当前时刻所需的投入子模块数量N；
[0026]S302、根据当前时刻所需投入的子模块数量N和前一时刻所需投入的子模块数量N
pre
，确定子模块投切数变化量ΔN；
[0027]S303、当子模块投切数变化量ΔN不等于0时，根据桥臂电流和桥臂电压的符号、子模块投切数变化量以及是否在子模块调整区间内，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号。
[0028]进一步的，步骤S302中，判断当前时刻所需投入的子模块数量N和前一时刻所需投入的子模块数量N
pre
符合是否相同，当(N*N
pre
)≥0时：
[0029]ΔN＝N
‑
N
pre
[0030]当(N*N
pre
)<0时，将所有子模块切换至旁路状态：
[0031]ΔN＝N。
[0032]进一步的，步骤S303中，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号具体如下：
[0033]当N>0和ΔN>0时根据以下标准选择出ΔN个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态；
[0034]当N>0和ΔN<0时根据以下标准选择出ΔN个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态；
[0035]当N<0和ΔN>0时根据以下标准选择出ΔN个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态
[0036]当N<0和ΔN<0时根据以下标准选择出ΔN个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态。
[0037]更进一步的，当N>0和ΔN>0时根据以下标准选择出ΔN个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；S2、根据步骤S1得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；S3、在步骤S2确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。2.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤S1中，半桥子模块的平均子模块级损耗差异ΔP
HBSM
为：其中，H表示桥臂内所包含的半桥子模块数量，表示第i个半桥子模块内开关管模块S
k
的损耗，k＝1,2，S1和S2分别表示半桥子模块的上开关管模块和下开关管模块；全桥子模块的平均子模块级损耗差异ΔP
FBSM
为：其中，F表示桥臂内所包含的全桥子模块数量。3.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤S2中，以步骤S1所得出的半桥子模块的平均子模块级损耗差异ΔP
HBSM
或全桥子模块的平均子模块损耗差异ΔP
FBSM
作为PI控制器的输入，得到的输出为子模块调节区间阈值调节量Δi
arm,limit
，则可计算子模块调节区间阈值i
arm,limit
并得到投切子模块的调整区间。4.根据权利要求3所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，子模块调节区间阈值i
arm,limit
为：其中，i
arm,min
表示桥臂电流的最小值。5.根据权利要求4所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，投切子模块调整区间内的桥臂电压和电流需满足以下条件：其中，i
arm
和v
arm
分别表示桥臂电流和桥臂电压。6.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤S3具体为：S301、根据调制环节输出信号计算当前时刻所需的投入子模块数量N；S302、根据当前时刻所需投入的子模块数量N和前一时刻所需投入的子模块数量N
pre
，确定子模块投切数变化量ΔN；S303、当子模块投切数变化量ΔN不等于0时，根据桥臂电流和桥臂电压的符号、子模块
投切数变化量以及是否在子模块调整区间内，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号。7.根据权利要求6所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤S302中，判断当前时刻所需投入的子模块数量N和前一时刻所需投入的子模块数量N
pre
符合是否相同，当(N*N
pre
)≥0时：ΔN＝N
‑
N
pre
当(N*N
pre
)<0时，将所有子模块切换至旁路状态：ΔN＝N。8.根据权利要求6所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤S303中，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号具体如下：当N>0和ΔN>0时根据以下标准选择出ΔN个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态；当N>0和ΔN&a...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丰，夏镔冰，卓放，杨道远，勾雅婷，田嘉琛，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：