CN107834587B - 一种基于全桥mmc的子模块电容电压平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法。本发明的有益效果在于，以常用的最近电平逼近调制为前提，设计了全桥子模块动态分配均压控制策略，进而提出了全桥MMC子模块电容电压平衡方法。该方法实现了无需子模块电容电压的自均压控制，有效减小了控制器的计算量、降低了对传感器的实时性要求，同时既降低了对开关器件通流能力的要求，又在一定程度上减小了***的通态损耗。本发明所提出的方法对均压控制研究方向的研究者具有重要参考作用。

Description

一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，具体涉及一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由于具有不存在换相失败、可以独立调节有功和无功功率、便于模块化配置、谐波水平低、开关频率低、可向无源***供电和用于直流融冰等特点，在高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)领域发挥了重要作用，并且已在高压直流输电工程中得到了实际应用。

由于受制于现有开关器件和电力电子电容器的制造水平和经济实用性，子模块的设计电压提升空间有限，而且子模块器件的耐压、通流能力也尚未大幅提升。在这样的情况下，随着MMC工程向更高电压等级、更大容量方向发展，需要通过增加桥臂子模块数来满足需求，这样每个桥臂势必需要级联数量极为庞大的子模块。在有限的控制周期内，实时可靠地完成对大量子模块电容电压数据采集、传输和排序计算，需要传感器、光纤通道和运算器的精密配合，从而对二次***提出了严苛的要求。

MMC依靠子模块电容实现交直流能量的传递，子模块电容电压的均衡是***稳定运行的必要条件。目前，以冒泡排序法为代表的排序均压方法最为常用。为了降低排序复杂度并减小排序运算量，保持因子法、质因子分解法、随机选择法等陆续被提出。上述方法虽然可以不同程度降低排序计算量，但是当MMC电平数骤增，相当数量的排序算法仍不可避免。有文献提出无需排序的均压方法，但是新增的电压偏差量又引入了新的运算负担。此外，上述方法均需要子模块电容电压信息，对监测***较高实时性的要求依然存在。

另一方面，根据当前主流厂商提供的数据，IGBT的耐受电压和通流能力互为矛盾，耐压等级越高，最大通流能力越低。在工程中，考虑足够的裕度，一般倾向于选取耐压等级较高的IGBT，这可能导致单个IGBT的通流能力无法满足要求。

因此，随着现实工程的需求，如何实现大规模子模块电容电压的可靠平衡是控制***设计需要解决的重要问题。此外，子模块电容电压平衡方法与MMC器件开关频率密切相关，也影响到MMC的通态损耗，则保持电容电压平衡的同时降低***通态损耗也具有重要的实际意义。

发明内容

本发明提供一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法，该平衡方法包括以下几个步骤：

步骤1：基于最近电平逼近调制策略，检测到输出电平数指令n_ON的变化，根据该指令初步确定每个段中所含子模块的个数L₁

其中N表示桥臂子模块数，

表示向下取整函数，目的是优先保证电平数输出，以免溢出；

步骤2：判断N是否能被指令n_ON整除，若能整除，则从桥臂首端开始每L₁个子模块分为一段，将桥臂均等分配成n_ON个段；若是判断结果为不能整除，设余数为P₂，商为L₁，则将余数部分P₂个子模块一一分配给P₂个段，即从桥臂首端开始前P₁段每段包含L₁个子模块，然后后P₂段每段包含L₂个子模块，其中

P₁＝n_ON-P₂

L₂＝L₁+1

步骤3：按照步骤2的分段情况，子模块段内的子模块相互并联，段间相互串联，得到IGBT开关触发信号，完成动态分配均压控制。

附图说明

图1是电平数减少时拓扑开关情况示意图(其中开关元件表示一个IGBT及其反并联二极管构成的开关组)；

图2是动态分配均压控制流程图；

图3是动态分配均压控制分段原理图；

图4是以15电平(N＝14)MMC为例的动态分配均压控制示例图；

图5是子模块并联分段示意图；

图6是并联全桥子模块(P-FBSM)拓扑(图中T_i(i＝1～8)表示一个IGBT及其反并联二极管构成的开关组)。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的原理，以下结合附图对发明涉及的子模块电容电压平衡方法进行详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1为当监测到电平数较少时子模块内的开关示意图。根据对图6所示拓扑的开关组进行控制，从原本两个子模块串联输出2U_c电平，转换为由两个子模块并联形成的子模块段共同输出U_c电平，这样两个子模块共同分担桥臂电流，在保证电压输出和改善均压效果之外，还使其通流能力变强。

图2为动态分配均压控制流程图，根据该流程图进行分段处理，得出图3所示的动态分配均压控制分段情况原理图。

下面以15电平(N＝14)MMC为例解释本发明的平衡方法(如图4所示)：

1、当输出电平数指令值n_ON＝1时，将所有子模块并联成一个段，共同输出一个电平；

2、当输出电平数指令值n_ON＝2时，初步确定每个段所含子模块个数

能够整除，则从桥臂首端开始每L₁＝7个子模块为一段，共P₁＝2个段；

3、当n_ON＝3时，

不能整除，P₂＝2、P₁＝n_ON-P₂＝3-2＝1、L₂＝L₁+1＝4+1＝5，即从桥臂首端起第1个段包含4个子模块，后面2个段每段包含5个子模块；

4、当n_ON＝4时，

不能整除，P₂＝2、P₁＝2、L₂＝4，即从桥臂首端起前2个段每段包含3个子模块，后2个段每段包含4个子模块；

5、当n_ON＝5时，

不能整除，P₂＝4、P₁＝1、L₂＝3，即从桥臂首端起第1个段包含2个子模块，后4个段每段包含3个子模块；

6、当n_ON＝6时，

不能整除，P₂＝2、P₁＝4、L₂＝3，即从桥臂首端起前4个段每段包含2个子模块，后2个段每段包含3个子模块；

7、以此类推。

根据上述步骤原理可知，每一个控制周期，处理器执行一次判断、一次除法运算、两次加减运算以及相应分段标记和子模块开关指令，动态分配均压的计算复杂度与当前电平数n_ON有关：

T＝N+n_ON+4

考察一段时间的平均水平，由于每个工频周期n_ON平均值为0.5N，可得平均计算复杂度为

T＝1.5N+4

由上式可知，该平衡方法的计算复杂度随电平数的增加呈线性增长趋势，相比传统排序均压具有显著优势。

此外，根据图5所示，图中为一个桥臂(为示意电容连接关系，图中以电容表示子模块，省去所有开关器件)，按子模块段连接，各段包含子模块数为m_i(i＝1～n_ON，m₁+m₂+...+m_nON＝N)。设每个子模块的通态电阻为r，则桥臂等效电阻

可以证明，当且仅当m₁＝m₂＝...＝m_nON，即m_i＝N/n_ON时，R取得最小值。所以根据上述原理进行分段，既能达到最佳的均压效果，又能达到最小的通态损耗。

Claims (5)

1.一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法，其特征在于，通过开关函数以及拓扑并联结构的配合，将子模块电容尽可能均等的并联形成一个个子模块段，每个子模块段中的电容共同输出U_c电平，在不改变电压输出的前提下，将所有子模块电容利用起来，既分担桥臂电流，又直接改善均压效果，该方法包括以下步骤：

步骤1：基于最近电平逼近调制策略，检测到输出电平数指令n_ON的变化，根据该指令初步确定每个段中所含子模块的个数；

步骤2：判断桥臂子模块数N是否能被指令n_ON整除，若能整除，则从桥臂首端开始每过N/n_ON个子模块分为一段，将桥臂均等分配成n_ON个段；若是判断结果为不能整除，设余数为P₂，商为L₁，则将P₂个子模块一一分配到P₂个段中，即从桥臂首端开始先按照每L₁个子模块分为一个段，这样的段共分n_ON-P₂个，然后每L₁+1个子模块为一个段，共P₂个段；

步骤3：按照步骤2的分段情况，子模块段内的子模块相互并联，段间相互串联，得到IGBT开关触发信号，完成动态分配均压控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法，其特征在于：使得被旁路的子模块电容充分利用起来，利用元件并联特性，实现电容间的动态自均压；直接改善了均压效果，并且省去了排序均压环节。

3.根据权利要求1所述的一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法，其特征在于：步骤1、2和3是一个整体内容，三个步骤环环相扣，不可分割，并且有相应的执行秩序。

4.根据权利要求1所述的一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法，其特征在于：在不改变电压输出的前提下，通过子模块的并联方式，将桥臂电流分配给多个子模块，使得对开关器件的通流能力要求减小，同时由于并联连接的特点，使桥臂等效电阻达到最小，进而降低了***的通态损耗。

5.根据权利要求1所述的一种基于全桥MMC的子模块电容电压平衡方法，其特征在于：不仅能通过多电平电压源换流器将该方法直接应用于柔性直流输电领域，也能够通过静止同步补偿器(STATCOM)、统一潮流控制器(UPFC)将该方法应用于柔***流输电领域。

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