CN108387768A - 一种基于主从结构的混合型mmc模块电容电压测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，属于涉及模块化多电平变换器子模块电容电压测量的技术领域。该方法根据桥臂输出电压电平变化规律及各子模块运行状态对采样时刻进行分类，并利用主从电压传感器测量数据及其变化量、相邻采样时刻的子模块开关状态及开关状态发生变化的子模块电容电压变化量对每类采样时刻提出了准确性较高的子模块电容电压计算方法，对附加电路能量损耗引起的电压跌落进行补偿，在降低***的硬件复杂度的同时提高了子模块电容电压测量精度。该方法在子模块预充电阶段不仅实现了电压测量功能而且可以检测单个模块的短路故障；主从结构在清除直流短路故障过程中能够可靠测量，从而保证设备安全。

Description

一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法

技术领域

本发明公开了一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，属于涉及模块化多电平变换器子模块电容电压测量的技术领域。

背景技术

目前，在高压大功率场合，模块化多电平技术以其模块化、高扩展性和灵活性的特点吸引了广泛关注。模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)通过调整子模块的串联个数可以实现电压及功率等级的灵活变化且可以扩展到任意电平输出，减小了电磁干扰和输出电压的谐波含量，因此，模块化多电平变换器在高压直流输电(High-Voltage Direct Current，HVDC)等场合获得了广泛应用。

如何处理直流短路故障是MMC应用中需要解决的一个重要问题，直流短路故障指的是MMC直流侧母线所发生的短路故障，在发生故障引起换流器闭锁后交流侧存在极大的注入故障电流以及桥臂电感的续流电流，这对子模块内部的开关器件(二极管)来说极为不利，尤其是当接地电阻较小时，电感电流衰减较慢，会导致器件承受长时间的过电流，并且延长故障清除时间，对MMC的稳定运行不利。目前，处理MMC直流短路故障的主要方案是改进子模块的拓扑结构。

在MMC常用的子模块拓扑结构中，半桥子模块不具备直流故障穿越能力，而全桥子模块具备直流故障穿越能力，但是全桥子模块所需开关器件数量为半桥子模块的两倍，因此为降低开关器件数量，全桥-半桥子模块混合型MMC是具有直流故障穿越能力的常用拓扑结构。当发生直流侧短路故障时，由于直流测短路故障清除过程时间极短且短路电流数值非常大，所有全桥子模块的电容电压值接近且均大于所有半桥子模块的电容电压值，为保证设备安全，全桥子模块的电容电压值需要可靠实时地监控。

在全桥-半桥子模块混合型MMC中，为实现***的安全稳定运行，各子模块的电容电压值要保持平衡，为了达到上述控制目的，就要对子模块电容电压值进行测量。目前，主要采用直接测量法，即每一个子模块交流侧连接一个电压传感器，但是这种方法需要大量的电压传感器，不仅增加了***的硬件复杂度，而且增大了硬件故障的风险。

采用减少电压传感器数量的间接测量方法已受到很多学者的关注，研究主要集中于三个方面：一是使用基于数学模型的子模块电容电压估计算法，但这类方法缺少电压校正步骤，会导致子模块电容电压计算存在误差，不利于控制***设计；二是同样基于数学模型对子模块电容电压进行估计的方法，通过在串联子模块的交流侧测得的电压值对估计方法进行校正，但这类方法增加了控制***的计算复杂度，同时也造成其他投入的子模块电容电压计算出现累计误差；三是通过测量桥臂输出电压并利用相邻采样时刻间的电压变化量对子模块进行电容电压估计的方法，尽管这种方法降低了硬件复杂度且计算简单易于实现，但是该方法的测量误差会随着桥臂输出电压电平的变化而变化，且该种方法子模块电容电压更新频率并不是固定值，不利于子模块电容电压的平衡控制。因此，提出一种既能降低***硬件复杂度，又能提升子模块电容电压计算准确度的可靠电压测量方法就显得尤为重要。

发明内容

本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，实现了预充电阶段的子模块故障检测以及直流侧短路故障下全桥子模块的可靠监控，提高子模块电容电压测量精度的同时降低***的硬件复杂度，解决了现有的根据相邻采样时刻间电压变化量对子模块进行电容电压估计的方法存在测量误差随桥臂输出电压变化而变化以及现有混合型MMC模块电容电压测量方法在子模块故障以及直流侧短路故障时可靠性不佳的技术问题。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，针对每相桥臂串联了至少一个全桥子模块以及至少一个半桥子模块的混合型模块化多电平变换器，采用一个主电压传感器测量每个桥臂的输出电压，采用一个从电压传感器测量每个桥臂内一个全桥子模块的输出电压，在模块预充电阶段根据桥臂电流方向和主从电压传感器的测量值计算各子模块电容电压并诊断单个子模块的故障，在混合型MMC正常工作时计算各子模块的电容电压，在混合型MMC发生直流侧短路故障时由从电压传感器直接测量与其连接的全桥子模块的电容电压。

作为基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法的进一步优化方案，按照如下方法在模块预充电阶段根据桥臂电流方向和主从电压传感器的测量值计算各子模块电容电压并诊断单个子模块的故障，

对于预充电不可控阶段：

当桥臂电流小于零时，与从电压传感器直接连接的全桥子模块的电容电压和从电压传感器的测量值相等，其它未由电压传感器直接测量的全桥子模块电容电压由主电压传感器测量值与桥臂内全桥子模块数量的比值确定，半桥子模块电容电压保持不变，由主电压传感器的测量值和该桥臂内被从电压传感器测量的全桥子模块电容电压的比值确定该桥臂内保持投入状态的全桥子模块的数目，在该桥臂内保持投入状态的全桥子模块数目少于桥臂内串联的全桥子模块总数时，判定该桥臂中有一个全桥子模块发生短路故障，

当桥臂电流大于零时，与从电压传感器直接连接的全桥子模块的电容电压和从电压传感器的测量值相等，将从电压传感器的测量值作为其它未由电压传感器直接测量的全桥子模块电容电压，从电压传感器的测量值可视为其他未由电压传感器直接测量的全桥子模块电容电压，半桥子模块电容电压由主电压传感器的测量值与该桥臂全桥子模块总电容电压值的差与该桥臂内串联的半桥子模块总数的比值得到，该桥臂全桥子模块总电容电压值由从电压传感器测量值和该桥臂内串联的全桥子模块总数的乘积得到，在相邻采样时刻间该桥臂内半桥子模块电容电压的变化量超过该桥臂内半桥子模块电容电压变化量时，判定该桥臂中有一个子模块发生短路故障；

对于对半桥子模块和全桥子模块分别进行分组充电的预充电可控阶段：

当投入全桥子模块分组进行充电时，每个全桥子模块分组中各子模块电容电压由主电压传感器的测量值与每个全桥子模块分组中的子模块数量的比值得到，从电压传感器测量的全桥子模块所在全桥子模块分组中各全桥子模块电容电压值可视为与从电压传感器测量值相等，由主电压传感器的测量值与从电压传感器的测量值的比值确定该桥臂内保持投入状态的全桥子模块的数目，在该桥臂内保持投入状态的全桥子模块的数目少于该分组所包含的模块数时，判定该分组中有一个全桥子模块发生短路故障，

当投入半桥子模块分组进行充电且桥臂电流大于零时，每个半桥子模块分组中各子模块电容电压由主电压传感器的测量值与每个半桥子模块分组中的子模块数量的比值得到，由主电压传感器的测量值与该分组所包含的模块数的比值确定该分组中各半桥子模块电容电压的计算值，在相邻采样时刻间该分组中各半桥子模块电容电压的变化量超过该桥臂内半桥子模块电容电压变化量时，判定该分组中有一个半桥子模块发生短路故障。

作为基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法的进一步优化方案，在混合型MMC正常工作时计算各子模块的电容电压的方法为：根据桥臂输出电压电平的变化规律以及各子模块的工作状态对采样时刻进行分类，利用相邻采样时刻的子模块开关状态、相邻采样时刻间开关状态发生变化的子模块电容电压变化量、主电压传感器测量数据和相邻采样时刻间主电压传感器测量数据的变化量、从电压传感器测量数据和相邻采样时刻间从电压传感器测量数据的变化量计算各子模块的电容电压，对由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落进行补偿以修正采样周期后相邻采样时刻间开关状态保持不变且未被电压传感器直接测量的子模块的电容电压。

作为基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法的再进一步优化方案，根据桥臂输出电压电平的变化规律以及各子模块的工作状态对采样时刻进行分类的方法为：

将桥臂输出电压电平为1时表征的仅有一个子模块处于投入状态的采样时刻划分为第一类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升后但桥臂输出电压电平非2且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第二类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降后但桥臂输出电压电平非2且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第三类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间由切除状态转为投入状态的采样时刻划分为第四类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间由投入状态转为切除状态的采样时刻划分为第五类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持切除状态的采样时刻划分为第六类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持切除状态的采样时刻划分为第七类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升至2后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第八类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降至2后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第九类采样时刻。

作为基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法的再进一步优化方案，该测量方法的采样频率和各子模块电容电压更新频率均为两倍的桥臂输出电压等效开关频率。

作为基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法的更进一步优化方案，利用相邻采样时刻的子模块开关状态、相邻采样时刻间开关状态发生变化的子模块电容电压变化量、主电压传感器测量数据和相邻采样时刻间主电压传感器测量数据的变化量、从电压传感器测量数据和相邻采样时刻间从电压传感器测量数据的变化量计算各子模块的电容电压的方法为：

对于第一类采样时刻：u_cd(t)＝u_{m_u}(t)；

对于第二类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠e,s，Δu_cj(t)＝Δu_cs(t)＝u_s(t)-u_s(t-1),j≠e,s，u_ce(t)＝Δu_m(t)-∑S_jΔu_cj(t),j≠e,s，

对于第三类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠f,s，Δu_cj(t)＝Δu_cs(t)＝u_s(t)-u_s(t-1),j≠f,s，u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t)，

对于第四类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠s，j≠s，u_cs(t)＝u_s(t)，

对于第五类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠s，j≠s，u_cs(t)＝u_s(t)，

对于第六类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠e,s，S_j(t)＝1，u_ce(t)＝Δu_m(t)-∑S_jΔu_cj(t),j≠e,s，

对于第七类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠f,s，S_j(t)＝1，u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t)，

对于第八类采样时刻：u_ce(t)＝Δu_m(t)-u_s(t)，e≠s，u_cs(t)＝u_s(t)，

对于第九类采样时刻：u_cr(t)＝Δu_m(t)-u_s(t),r≠f,s，u_cs(t)＝u_s(t)，u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t),f≠r,s，

其中，u_cd(t)为t采样时刻处于投入状态的第d个子模块的电容电压，d＝1,2,…,N,N为一个桥臂内串联的子模块数量，u_{m_u}(t)为t采样时刻主电压传感器测量的桥臂输出电压,u_cj(t-1)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块在t-1采样时刻的电容电压，u_cj(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块在t采样时刻的电容电压，Δu_cj(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块电容电压的变化量，S_j(t)为t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块的开关函数，S_j(t)＝1时表示t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块为投入状态，S_j(t)＝0时表示t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块为切除状态，s为桥臂内被从电压传感器测量的全桥子模块，u_cs(t)为桥臂内被从电压传感器测量的全桥子模块在t采样时刻的电容电压，Δu_cs(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间被从电压传感器测量的全桥子模块输出电压的变化量，u_s(t-1)、u_s(t)分别为t-1采样时刻、t采样时刻从电压传感器的测量值，u_ce(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由切除状态转为投入状态的未被电压传感器直接测量的子模块e在t采样时刻的电容电压，Δu_m(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间主电压传感器测量值的变化量，u_cf(t-1)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f在t-1采样时刻的电容电压，u_cf(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f在t采样时刻的电容电压，Δu_ecf(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f的电容电压变化量，u_cr(t)为t采样时刻及其前一采样时刻间除从电压传感器测量的子模块外且保持投入状态的子模块r在t采样时刻的电容电压，T_C为***采样周期，C_f为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f的电容值，i_{arm_u}(t-1)、i_{arm_u}(t)分别为t-1采样时刻、t采样时刻的桥臂电流，C_j为t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块的电容值。

作为基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法的再进一步的优化方案，对由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落进行补偿以修正采样周期后相邻采样时刻间开关状态保持不变且未被电压传感器直接测量的子模块的电容电压的方法为：

被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持工作状态不变时，相邻采样时刻间被从电压传感器测量的全桥子模块输出电压的变化量即为由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落，

被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间转为投入状态或转为切除状态时，将与当前采样时刻最接近且相邻采样时刻间被从电压传感器测量的全桥子模块处于切除状态的采样时刻从电压传感器测量数据的变化量作为由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落，

由表达式：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t)+(S_j(t)-1)Δu_ceb修正采样周期后相邻采样时刻间开关状态保持不变且未电压传感器直接测量的子模块的电容电压，Δu_ceb为由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明提出了一种基于主从结构的混合型模块化多电平变换器模块电压测量方法，通过主从结构的测量器件检测预充电阶段的故障子模块，通过主从结构的测量器件可靠监控直流侧故障下的全桥子模块数据以保证设备安全；

(2)本发明还针对正常工作的混合型MMC提出了一种子模块电容电压测量方法，根据桥臂输出电压电平的变化规律以及被测量全桥子模块的工作状态对采样时刻进行分类，利用相邻采样时刻的子模块开关状态、相邻采样时刻间开关状态发生变化的子模块电容电压变化量、主电压传感器测量数据和相邻采样时刻间主电压传感器测量数据的变化量、从电压传感器测量数据和相邻采样时刻间从电压传感器测量数据的变化量计算各子模块的电容电压，与现有测量方法相比，该方法适合应用于多种场合，不仅提高了子模块电容电压的测量精度，而且降低了***的硬件复杂度。

附图说明

图1为混合型模块化多电平变换器主电路拓扑结构和传感器连接位置的电路图。

图2为基于主从结构的混合型模块化多电平变换器模块电容电压测量方法的流程图。

图3为预充电阶段混合型模块化多电平变换器运行的示意图。

图4为发生直流短路故障时混合型模块化多电平变换器运行的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。

本发明涉及的混合型模块化多电平变换器***主电路拓扑结构和传感器连接位置如图1所示。混合型MMC***的每相由上、下两桥臂构成，每个桥臂内由多组全桥子模块(Full Bridge Sub-Module，FBSM)与多组半桥子模块(HalfBridge Sub-Module，HBSM)串联组成。本发明提出的一种基于主从结构的混合型模块化多电平变换器模块电压测量方法(Master-Slave Structure Based Capacitor Voltage Measuring Technique，MS-MT)使用一个Master电压传感器测量每个桥臂的输出电压，使用一个Slave电压传感器测量每个桥臂内部任意一个全桥子模块的交流输出电压(以下简称该子模块为Slave子模块)，使用一个电流传感器测量每个桥臂电流。图1中，U_dc为***直流侧母线电压，u_a、u_b、u_c分别为三相交流输出电压，N为每个桥臂串联的子模块数量，i_{arm_au}和i_{arm_al}、i_{arm_bu}和i_{arm_bl}、i_{arm_cu}和i_{arm_cl}分别为***A相、B相、C相上、下桥臂的电流，L_au和L_al、L_bu和L_bl、L_cu和L_cl分别为***A相、B相、C相的桥臂电感，u_o为子模块的交流输出电压，C为子模块中与开关器件所并联的电容值，u_c为子模块电容电压。

为本发明公开的基于主从结构的混合型模块化多电平变换器模块电容电压测量方法如图2所示，在模块预充电阶段根据桥臂电流方向和主从电压传感器的测量值计算各子模块电容电压并诊断单个子模块的故障，在混合型MMC正常工作时计算各子模块的电容电压，在混合型MMC发生直流侧短路故障时由从电压传感器直接测量与其连接的全桥子模块的电容电压。

(一)在混合型MMC正常工作时计算各子模块的电容电压

①以载波移相调制策略为例，每个桥臂输出电压使用一个Master电压传感器进行测量，每个桥臂内部任意一个全桥子模块的交流输出电压使用一个Slave电压传感器进行测量，每个桥臂电流使用一个电流传感器进行测量，电压、电流采样时刻为所有模块载波的波峰和波谷时刻，该测量方法的采样频率和各子模块电容电压更新频率均为两倍的桥臂输出电压等效开关频率，Master电压传感器的电压测量范围需大于所测量桥臂内所有子模块均投入时的输出电压之和，Slave电压传感器的电压测量范围需大于单个FBSM的交流输出电压。

②根据桥臂输出电压电平的变化规律和各子模块的工作状态将采样时刻分为九类：第一类为桥臂输出电压电平为1时的采样时刻(此时仅有一个子模块处于投入状态)；第二类为桥臂输出电压电平上升后但桥臂输出电压电平非2且Slave子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻(此时桥臂内有一个非Slave子模块由切除状态转为投入状态)；第三类为桥臂输出电压电平下降后但桥臂输出电压电平非2且Slave子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻(此时桥臂内有一个非Slave子模块由投入状态转为切除状态)；第四类为桥臂输出电压电平上升后且Slave子模块在相邻采样时刻间由切除状态转为投入状态的采样时刻(此时仅有Slave子模块的开关状态发生变化)；第五类为桥臂输出电压电平下降后且Slave子模块在相邻采样时刻间由投入状态转为切除状态的采样时刻(此时仅有Slave子模块的开关状态发生变化)；第六类为桥臂输出电压电平上升后且Slave子模块在相邻采样时刻保持切除状态的采样时刻(此时桥臂内有一个非Slave子模块由切除状态转为投入状态)；第七类为桥臂输出电压电平下降后且Slave子模块在相邻采样时刻间保持切除状态的采样时刻(此时桥臂内有一个非Slave子模块由投入状态转为切除状态)；第八类为桥臂输出电压电平上升至2后且Slave子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻(此时桥臂内有一个非Slave子模块由切除状态转为投入状态)；第九类为桥臂输出电压电平下降至2后且Slave子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻(此时桥臂内有一个非Slave子模块由投入状态转为切除状态)。

③针对每一类采样时刻提出一种计算各子模块电容电压的方法：

a.对于第一类采样时刻，t采样时刻主电压传感器的测量值u_{m_u}(t)即为t采样时刻处于投入状态的第d个子模块电容电压的准确值u_cd(t)，如式(1)所示：

u_cd(t)＝u_{m_u}(t) (1)，

其它子模块均为切除状态，电压不变化；

b.对于第二类采样时刻，

首先，根据式(2)计算在两次相邻采样时刻间桥臂电压测量值的变化量Δu_m(t)：

Δu_m(t)＝u_{m_u}(t)-u_{m_u}(t-1) (2)，

其中，Δu_m(t)为采样时刻t与采样时刻t-1间Master电压传感器所测量的桥臂输出电压变化量，u_{m_u}(t)、u_{m_u}(t-1)分别为t采样时刻与t-1采样时刻Master电压传感器测量的桥臂输出电压；

其次，根据式(3)计算每个采样周期内相邻采样时刻间工作状态保持投入的未被电压传感器直接测量的第j个子模块的电容电压变化量Δu_cj(t)：

Δu_cj(t)＝Δu_cs(t)＝u_s(t)-u_s(t-1),j≠e,s (3)，

其中，下标s代表的是Slave子模块，Δu_cs(t)为Slave子模块电容电压在相邻采样时刻间的变化量，u_s(t-1)、u_s(t)分别为t-1采样时刻、t采样时刻Slave电压传感器的测量值，

在t采样时刻及t-1采样时刻间由切除状态转为投入状态的未被电压传感器直接测量的子模块e在t采样时刻的电容电压u_ce(t)由式(4)计算得到：

u_ce(t)＝Δu_m(t)-∑S_jΔu_cj(t),j≠e,s (4)，

其中，∑S_j(t)Δu_cj(t)为相邻采样时刻间保持投入状态且未被电压传感器直接测量子模块的电容电压变化量之和，S_j(t)为该类子模块的开关函数，当S_j(t)为1时，该类子模块为投入状态，当S_j(t)为0时，该类子模块为切除状态,

此时，相邻采样时刻间工作状态保持不变的未被电压传感器直接测量的第j个子模块的电容电压u_cj(t)可由式(5)计算得到：

u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠e,s (5)，

其中，u_cj(t-1)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块在采样时刻t-1的电容电压，；

c.对于第三类采样时刻，对于开关状态在相邻采样时刻间保持不变且未被电压传感器测量的子模块的电容电压u_cj(t)可由式(3)和(5)计算得到，在相邻采样时刻间被切除的且未被电压传感器测量的子模块f的电容电压在相邻采样时刻间的变化量Δu_ecf(t)可由式(6)得到：

其中，i_{arm_u}(t-1)为桥臂电流在采样时刻t-1时的值，T_C为采样周期，C_f为子模块f的电容值；

子模块f的电容电压按式(7)计算：

u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t) (7)，

其中，u_cf(t-1)为子模块f在t-1采样时刻的电容电压值；

d.对于第四类采样时刻，开关状态在相邻采样时刻保持投入且未被电压传感器测量的第j个子模块的电容电压变化量Δu_cj(t)可由式(8)计算得到：

子模块j的电容电压u_cj(t)可由式(5)和(8)计算得到，

由于在相邻采样时刻间开关状态发生改变的子模块为Slave子模块，因此其电容电压u_cs(t)与u_s(t)相等；

e.对于第五类采样时刻，开关状态在相邻采样时刻保持投入且未被电压传感器测量的第j个子模块的电容电压变化量Δu_cj(t)可由式(9)计算得到：

子模块j的电容电压u_cj(t)可由式(5)和(9)计算得到，

与d中类似，由于在相邻采样时刻间开关状态发生改变的子模块为Slave子模块，因此其电容电压u_cs(t)与u_s(t)相等；

f.对于第六类采样时刻，开关状态在相邻采样时刻保持投入且未被电压传感器测量的第j个子模块的电容电压变化量Δu_cj(t)可由式(10)计算得到：

其中，i_{arm_u}(t)和i_{arm_u}(t-1)为桥臂电流在采样时刻t和t-1时的值，C_j为t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块的电容值，

子模块j的电容电压u_cj(t)可由式(5)和(10)计算得到；

对于在相邻采样时刻间转为投入状态的且未被电压传感器直接测量的子模块e在t采样时刻的电容电压u_ce(t)可由式(11)计算得到：

u_ce(t)＝Δu_m(t)-∑S_jΔu_cj(t),j≠e,s (11)，

g.对于第七类采样时刻，开关状态在相邻采样时刻保持投入且未被电压传感器测量的第j个子模块的电容电压变化量Δu_cj(t)可由式(10)计算得到，子模块j的电容电压u_cj(t)可由式(5)和(10)计算得到，

对于在相邻采样时刻间切除的且未被电压传感器直接测量的子模块f的电容电压u_cf(t)可由式(6)和(7)计算得到；

h.对于第八类采样时刻，此时Slave子模块在相邻采样时刻保持投入状态，在相邻采样时刻间投入的子模块电容电压可由式(12)计算得到：

u_ce(t)＝Δu_m(t)-u_s(t) (12)，

此时，由于另一个在相邻采样时刻间保持投入状态的子模块为Slave子模块，因此，其电容电压u_cs(t)与u_s(t)相等；

i.对于第九类采样时刻，此时除Slave子模块外另一个在相邻采样时刻间保持投入状态的子模块r的电容电压可由式(13)计算得到：

u_cr(t)＝Δu_m(t)-u_s(t) (13)，

对于在相邻采样时刻间切除的子模块电容电压可由式(6)和(7)计算得到，

此时，由于另一个在相邻采样时刻间保持投入状态的子模块为Slave子模块，因此，其电容电压u_cs(t)与u_s(t)相等；

④针对由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗，将其产生的子模块电容电压跌落ΔU_ceb按下列类别分类计算：

a.Slave子模块保持切除状态时，此时ΔU_ceb可由式(14)计算：

Δu_ceb＝Δu_cs(t)＝u_s(t)-u_s(t-1) (14)，

b.Slave子模块保持投入状态，此时Δu_cs(t)已包含ΔU_ceb，同时ΔU_ceb保持不变，

c.Slave子模块被新投入或切除时，由于子模块电容电压不会发生突变，ΔU_ceb为不变量并可在与该时刻最接近的且Slave子模块处于切除状态的采样时刻计算得到，

对于被切除子模块的电容电压的计算式式(5)可修正为式(15)：

u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t)+(S_j(t)-1)Δu_ceb (15)，

对于其它在投入状态的子模块的电容电压并不需要进行修正，因为该电压跌落已在计算其相邻采样时刻电压变化量时被考虑到；

(二)在模块预充电阶段根据主从电压传感器的测量值诊断单个子模块的故障

预充电阶段混合型模块化多电平变换器运行如图3所示，其中，R_l为每相预充电电阻，在子模块预充电阶段，主从结构分布的传感器可以检测单个子模块短路故障。针对子模块预充电环节的子模块电容电压测量，将该环节分为可控阶段和不可控阶段分别进行测量。

在不可控环节，所有触发脉冲被封锁，子模块电容电压由式(16)-(18)计算得到：

u_{c_F}＝u_cs (16)，

其中，u_{c_F}为某一个FBSM的电容电压，u_{c_H}为某一个HBSM的电容电压，n_F为一个桥臂内FBSM的数量，n_H为一个桥臂内HBSM的数量，u_{m_u}为Master电压传感器所测量的单个桥臂输出电压，u_{cs_F}为Slave电压传感器所测量的单个全桥子模块电容电压。在桥臂电流小于0时，半桥子模块的电容电压保持不变，在桥臂电流大于0时，Slave电压传感器的测量值可视为各全桥子模块的电容电压值。

在可控环节，对FBSM和HBSM分别进行分组，依次投入各组进行充电，式(17)和(18)修改为式(19)-(20)：

其中，n_gFn为每个FBSM分组中的子模块数量，u_{cj_F}为每个FBSM分组中各子模块的电容电压，n_gHn为每个HBSM分组中的子模块数量，u_{cj_H}为每个HBSM分组中各子模块的电容电压；

在不可控阶段，当桥臂电流小于0时，利用式(17)和两个传感器的测量值计算FBSM数量并与n_F比较，如果计算得到的值小于n_F则说明有一个FBSM发生了短路故障；当桥臂电流大于0时，利用式(18)、n_F、n_H和两个传感器的测量值计算HBSM的电压u_{c_H}(t)并与u_{c_H}(t-1)+(i_{arm_u}(t)+i_{arm_u}(t-1))*C/2比较，如果u_{c_H}(t)大于u_{c_H}(t-1)+(i_{arm_u}(t)+i_{arm_u}(t-1))*C/2，则说明有一个子模块发生了短路故障。

在可控阶段，当FBSM的分组被充电时，利用式(19)和两个传感器的测量值计算FBSM数量并与n_gFn比较，如果计算得到的值小于n_gFn则说明有分组中的FBSM发生了短路故障；当HBSM的分组被充电时，利用式(20)、n_gHn和Master传感器的测量值计算HBSM的电压u_{cj_H}(t)并与u_{cj_H}(t-1)+(i_{arm_u}(t)+i_{arm_u}(t-1))*C/2比较，如果u_{cj_H}(t)大于u_{cj_H}(t-1)+(i_{arm_u}(t)+i_{arm_u}(t-1))*C/2，则说明有一个HBSM发生了短路故障。当电压传感器发生故障时，其测量值一般为一个常数，当这一数值保持三个采样周期以上时，则该传感器故障。若Slave电压传感器发生故障，Master电压传感器可以完成剩余的预充电阶段电压测量过程，但若Master电压传感器出现故障，整个预充电环节必须停止；

(三)在混合型MMC发生直流侧短路故障时由从电压传感器直接测量与其连接的全桥子模块的电容电压

发生直流短路故障时，混合型模块化多电平变换器的运行如图4所示，其中，R₀、L₀分别为直流短路故障后直流侧母线等效电阻和等效电感，L_s、R_s分别为负载电感与电阻，u_sa、u_sb、u_sc分别为三相电网侧电压。当发生直流侧短路故障时，电压测量和故障测量方法与单个子模块故障检测方法相同，不同的是，由于直流侧短路故障清除过程时间极短，且短路电流数值非常大，所有FBSM的电容电压值接近，且均大于所有HBSM的电容电压值，为保证设备安全，全桥子模块的电容电压值由Slave电压传感器直接测得。

综上，本发明提出的基于主从结构的混合型模块化多电平变换器模块电容电压测量方法，与现有测量方法相比，该方法适合应用于多种场合，不仅提高了子模块电容电压的测量精度，而且降低了***的硬件复杂度。同时，在子模块预充电阶段，所提方法不仅实现了电压测量功能，而且可以检测模块短路故障；在清除直流短路故障过程中，所提主从结构和测量方法能够可靠测量，从而保证设备安全。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应划入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，针对每相桥臂串联了至少一个全桥子模块以及至少一个半桥子模块的混合型模块化多电平变换器，采用一个主电压传感器测量每个桥臂的输出电压，采用一个从电压传感器测量每个桥臂内一个全桥子模块的输出电压，在模块预充电阶段根据桥臂电流方向和主从电压传感器的测量值计算各子模块电容电压并诊断单个子模块的故障，在混合型MMC正常工作时计算各子模块的电容电压，在混合型MMC发生直流侧短路故障时由从电压传感器直接测量与其连接的全桥子模块的电容电压。

2.根据权利要求1所述一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，按照如下方法在模块预充电阶段根据桥臂电流方向和主从电压传感器的测量值计算各子模块电容电压并诊断单个子模块的故障，

对于预充电不可控阶段：

当桥臂电流小于零时，与从电压传感器直接连接的全桥子模块的电容电压和从电压传感器的测量值相等，其它未由电压传感器直接测量的全桥子模块电容电压由主电压传感器测量值与桥臂内全桥子模块数量的比值确定，半桥子模块电容电压保持不变，由主电压传感器的测量值和该桥臂内被从电压传感器测量的全桥子模块电容电压的比值确定该桥臂内保持投入状态的全桥子模块的数目，在该桥臂内保持投入状态的全桥子模块数目少于桥臂内串联的全桥子模块总数时，判定该桥臂中有一个全桥子模块发生短路故障，

当桥臂电流大于零时，与从电压传感器直接连接的全桥子模块的电容电压和从电压传感器的测量值相等，将从电压传感器的测量值作为其它未由电压传感器直接测量的全桥子模块电容电压，半桥子模块电容电压由主电压传感器的测量值和该桥臂全桥子模块总电容电压值的差与该桥臂内串联的半桥子模块总数的比值得到，该桥臂全桥子模块总电容电压值由从电压传感器测量值和该桥臂内串联的全桥子模块总数的乘积得到，在相邻采样时刻间该桥臂内半桥子模块电容电压的变化量超过该桥臂内半桥子模块电容电压变化量时，判定该桥臂中有一个子模块发生短路故障；

对于对半桥子模块和全桥子模块分别进行分组充电的预充电可控阶段：

当投入全桥子模块分组进行充电时，每个全桥子模块分组中各子模块电容电压由主电压传感器的测量值与每个全桥子模块分组中的子模块数量的比值得到，从电压传感器测量的全桥子模块所在全桥子模块分组中各全桥子模块电容电压值可视为与从电压传感器测量值相等，由主电压传感器的测量值与从电压传感器的测量值的比值确定该桥臂内保持投入状态的全桥子模块的数目，在该桥臂内保持投入状态的全桥子模块的数目少于该分组所包含的模块数时，判定该分组中有一个全桥子模块发生短路故障，

当投入半桥子模块分组进行充电且桥臂电流大于零时，每个半桥子模块分组中各子模块电容电压由主电压传感器的测量值与每个半桥子模块分组中的子模块数量的比值得到，由主电压传感器的测量值与该分组所包含的模块数的比值确定该分组中各半桥子模块电容电压的计算值，在相邻采样时刻间该分组中各半桥子模块电容电压的变化量超过该桥臂内半桥子模块电容电压变化量时，判定该分组中有一个半桥子模块发生短路故障。

3.根据权利要求1所述一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，在混合型MMC正常工作时计算各子模块的电容电压的方法为：根据桥臂输出电压电平的变化规律以及各子模块的工作状态对采样时刻进行分类，利用相邻采样时刻的子模块开关状态、相邻采样时刻间开关状态发生变化的子模块电容电压变化量、主电压传感器测量数据和相邻采样时刻间主电压传感器测量数据的变化量、从电压传感器测量数据和相邻采样时刻间从电压传感器测量数据的变化量计算各子模块的电容电压，对由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落进行补偿以修正采样周期后相邻采样时刻间开关状态保持不变且未被电压传感器直接测量的子模块的电容电压。

4.根据权利要求3所述一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，根据桥臂输出电压电平的变化规律以及各子模块的工作状态对采样时刻进行分类的方法为：

将桥臂输出电压电平为1时表征的仅有一个子模块处于投入状态的采样时刻划分为第一类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升后但桥臂输出电压电平非2且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第二类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降后但桥臂输出电压电平非2且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第三类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间由切除状态转为投入状态的采样时刻划分为第四类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间由投入状态转为切除状态的采样时刻划分为第五类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持切除状态的采样时刻划分为第六类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持切除状态的采样时刻划分为第七类采样时刻，

将桥臂输出电压电平上升至2后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第八类采样时刻，

将桥臂输出电压电平下降至2后且被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持投入状态的采样时刻划分为第九类采样时刻。

5.根据权利要求3所述一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，该测量方法的采样频率和各子模块电容电压更新频率均为两倍的桥臂输出电压等效开关频率。

6.根据权利要求4所述一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，利用相邻采样时刻的子模块开关状态、相邻采样时刻间开关状态发生变化的子模块电容电压变化量、主电压传感器测量数据和相邻采样时刻间主电压传感器测量数据的变化量、从电压传感器测量数据和相邻采样时刻间从电压传感器测量数据的变化量计算各子模块的电容电压的方法为：

对于第一类采样时刻：u_cd(t)＝u_{m_u}(t)；

对于第二类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠e,s，Δu_cj(t)＝Δu_cs(t)＝u_s(t)-u_s(t-1),j≠e,s，u_ce(t)＝Δu_m(t)-∑S_jΔu_cj(t),j≠e,s，

对于第三类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠f,s，Δu_cj(t)＝Δu_cs(t)＝u_s(t)-u_s(t-1),j≠f,s，u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t)，

对于第四类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠s，u_cs(t)＝u_s(t)，

对于第五类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠s，u_cs(t)＝u_s(t)，

对于第六类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠e,s，u_ce(t)＝Δu_m(t)-∑S_jΔu_cj(t),j≠e,s，

对于第七类采样时刻：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t),j≠f,s，u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t)，

对于第八类采样时刻：u_ce(t)＝Δu_m(t)-u_s(t)，e≠s，u_cs(t)＝u_s(t)，

对于第九类采样时刻：u_cr(t)＝Δu_m(t)-u_s(t),r≠f,s，u_cs(t)＝u_s(t)，u_cf(t)＝u_cf(t-1)+Δu_ecf(t),f≠r,s，

其中，u_cd(t)为t采样时刻处于投入状态的第d个子模块的电容电压，d＝1,2,…,N,N为一个桥臂内串联的子模块数量，u_{m_u}(t)为t采样时刻主电压传感器测量的桥臂输出电压,u_cj(t-1)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块在t-1采样时刻的电容电压，u_cj(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块在t采样时刻的电容电压，Δu_cj(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块电容电压的变化量，S_j(t)为t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块的开关函数，S_j(t)＝1时表示t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块为投入状态，S_j(t)＝0时表示t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块为切除状态，s为桥臂内被从电压传感器测量的全桥子模块，u_cs(t)为桥臂内被从电压传感器测量的全桥子模块在t采样时刻的电容电压，Δu_cs(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间被从电压传感器测量的全桥子模块输出电压的变化量，u_s(t-1)、u_s(t)分别为t-1采样时刻、t采样时刻从电压传感器的测量值，u_ce(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由切除状态转为投入状态的未被电压传感器直接测量的子模块e在t采样时刻的电容电压，Δu_m(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间主电压传感器测量值的变化量，u_cf(t-1)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f在t-1采样时刻的电容电压，u_cf(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f在t采样时刻的电容电压，Δu_ecf(t)为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f的电容电压变化量，u_cr(t)为t采样时刻及其前一采样时刻间除从电压传感器测量的子模块外且保持投入状态的子模块r在t采样时刻的电容电压，T_C为***采样周期，C_f为在t采样时刻及其前一采样时刻间由投入状态转为切除状态的未被电压传感器直接测量的子模块f的电容值，i_{arm_u}(t-1)、i_{arm_u}(t)分别为t-1采样时刻、t采样时刻的桥臂电流，C_j为t采样时刻及其前一采样时刻间开关状态保持不变的第j个未被电压传感器直接测量的子模块的电容值。

7.根据权利要求6所述一种基于主从结构的混合型MMC模块电容电压测量方法，其特征在于，对由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落进行补偿以修正采样周期后相邻采样时刻间开关状态保持不变且未被电压传感器直接测量的子模块的电容电压的方法为：

被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间保持工作状态不变时，相邻采样时刻间被从电压传感器测量的全桥子模块输出电压的变化量即为由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落，

被从电压传感器测量的全桥子模块在相邻采样时刻间转为投入状态或转为切除状态时，将与当前采样时刻最接近且相邻采样时刻间被从电压传感器测量的全桥子模块处于切除状态的采样时刻从电压传感器测量数据的变化量作为由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落，

由表达式：u_cj(t)＝u_cj(t-1)+S_j(t)Δu_cj(t)+(S_j(t)-1)Δu_ceb修正采样周期后相邻采样时刻间开关状态保持不变且未电压传感器直接测量的子模块的电容电压，Δu_ceb为由包含子模块平衡电阻和开关电源的附加电路产生的能量损耗所引起的子模块电容电压跌落。