CN109951097A

CN109951097A - 一种基于子模块重组并具备容错性的mmc空间矢量调制方法

Info

Publication number: CN109951097A
Application number: CN201910220489.6A
Authority: CN
Inventors: 白志红; 陈浩奇; 马皓
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-22
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-03-22
Also published as: CN109951097B

Abstract

本发明公开了一种基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，包括以下步骤：(1)将MMC中每相任意两个或者两个以上子模块进行组合，形成若干个新的三相控制单元，称为子单元；(2)当MMC正常运行时，采用空间矢量调制策略对每个子单元进行独立控制，将每个子单元的采样时刻相互错开，通过子单元内部子模块以及子单元间的开关信号轮换来保持每个子模块电容电压的平衡；(3)当MMC子模块发生开路故障时，根据故障情况对MMC的结构进行再重组，并利用冗余矢量作用于子单元来保证MMC的容错运行。利用本发明，能在不增加额外的冗余备份和***电路情况下，通过重组和空间矢量调制的灵活性实现MMC的容错运行。

Description

一种基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法

技术领域

本发明属于电力电子设备调制策略领域，尤其是涉及一种基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法。

背景技术

MMC被学者们认为是未来最典型的应用于中高压场合的电力电子变换拓扑之一，目前已经在柔性直流输电领域取得了突飞猛进的发展。MMC不仅具备高度模块化结构、开关频率低、输出谐波含量低、功率等级易扩展的优点之外，更重要的是它的直流侧可以通过公共直流母线供电，不需要笨重昂贵的移相变压器，从而***整体结构更加简单。

调制策略是MMC正常工作的基础，对MMC输出电压谐波有直接影响。目前常用于MMC的调制策略有最近电平逼近法、基于多载波的脉宽调制和空间矢量调制。

最近电平逼近法利用阶梯波瞬时值来逼近正弦波，比较适合子模块数量较大的场合，当子模块数量较少时，最近电平逼近法输出电压阶梯数过少导致输出畸变较为严重。

基于多载波的脉宽调制有较低的开关谐波，适合于子模块数量较少的场合，但是变换器的开关模式比较固定，灵活性较低，并且直流利用率不高。

空间矢量调制主要是对变换器不同开关状态的电压矢量加以组合，从而实现对给定电压的矢量跟踪，具有数字实现简单、输出谐波小、可实现冗余容错以及直流利用率高等优点。但是随着MMC子模块数量的增加，基础矢量的数量成三次方倍增加，这大大增加了调制的复杂度。常用是矢量分解法和引入两电平空间矢量调制的方法。矢量分解法，即将参考电压矢量进行一系列复杂分解，最后在两电平空间矢量分布中完成最后的合成，但是分解过程复杂，计算量大；引入两电平空间矢量调制的方法(如申请号为201710092797.6和201810913697.X的专利)能够较好引入空间矢量调制方法，提高直流电压利用率，但是局限于两电平空间矢量，没有冗余矢量，对子模块控制较为固定，无法发挥空间矢量调制策略的灵活性和冗余性。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，能在不增加额外的冗余备份和***电路情况下，通过重组和空间矢量调制的灵活性实现MMC的容错运行。

一种基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，包括以下步骤：

(1)将MMC中每相任意两个或者两个以上子模块进行组合，形成若干个新的三相控制单元，称为子单元；

(2)当MMC正常运行时，采用空间矢量调制策略对每个子单元进行独立控制，将每个子单元的采样时刻相互错开，通过子单元内部子模块以及子单元间的开关信号轮换来保持每个子模块电容电压的平衡；

(3)当MMC子模块发生开路故障时，根据故障情况对MMC的结构进行再重组，并利用冗余矢量作用于子单元来保证MMC的容错运行。

本发明将同桥臂同相两个或两个以上的子模块组合起来，形成新的三相控制单元，称为“子单元”，既方便对子模块集中控制，又简化了空间矢量调制算法的实现；本发明通过轮换每个子单元内部子模块的开关信号以及轮换同一桥臂子单元的开关信号达到子模块电容电压平衡；本发明在MMC故障后对其进行再重组，利用冗余矢量，使得MMC***具有一定的容错特性。

作为优选，步骤(1)中，将MMC中同相同桥臂的两个子模块进行两两组合，形成若干个子单元。以每相两个子模块组合为例，每个子单元每相能够输出2U_cap、U_cap和0三种电压，分别对应P、O、N三种开关状态。每相多个子模块组合的情况和调制方法依次类推。

步骤(2)的具体过程为：

(2-1)在MMC正常运行时，根据MMC拓扑，已知直流母线电压U_dc和输出相电压u_io(i＝u，v，w)，得到上、下桥臂每一相的输出参考电压，其中，u，v，w分别为三个相；例如u相上、下桥臂输出参考电压分别为：和

(2-2)对于上桥臂第一个子单元，根据输出参考电压合成参考电压矢量u_ref，并做Clark变换，得到参考电压矢量在α、β坐标下的值u_α、u_β，从而通过三角变换得到参考电压矢量与α轴的夹角

(2-3)将子单元空间矢量分布按基础矢量分为6个大扇区，每个大扇区进一步分为6个小区域，根据得到的夹角确定参考电压矢量所在的大扇区，并根据扇区对称性，将参考电压矢量统一归算到第I扇区。

基础矢量中，零矢量有3个，分别是(PPP)、(OOO)和(NNN)；小矢量有12个，分别为(POO)、(ONN)、(PPO)、(OON)、(OPO)、(NON)、(OPP)、(NOO)、(OOP)、(NNO)、(POP)和(ONO)；中矢量有6个，分别为(PON)、(OPN)、(NPO)、(NOP)、(ONP)和(PNO)；大矢量有6个，分别为(PNN)、(PPN)、(NPN)、(NPP)、(NNP)和(PNP)。将参考电压矢量统一归算到第I扇区的方式如下：

(2-3-1)若此时参考电压矢量位于第I扇区，不需要对u_α、u_β和进行归算，即u′_α＝u_α，u′_β＝u_β；

(2-3-2)若此时参考电压矢量位于第II扇区，归算到第I扇区，此时

(2-3-3)若此时参考电压矢量位于第III扇区，归算到第I扇区，此时

(2-3-4)若此时参考电压矢量位于第IV扇区，归算到第I扇区，此时u′_α＝-u_α，u′_β＝-u_β；

(2-3-5)若此时参考电压矢量位于第V扇区，归算到第I扇区，此时

(2-3-6)若此时参考电压矢量位于第V扇区，此时

(2-4)根据归算后的夹角以及归算后的坐标值u′_α和u′_β计算出参考电压矢量到达扇区边缘的距离，从而判断该参考电压矢量所在的小区域编号。令到α轴的距离为Axis0＝u′_β；到第I扇区左边缘距离为到第I扇区最远边缘的距离为参考距离

若Distance＜Axis0＜＝2*Distance，此时参考电压矢量位于小区域4；

若Distance＜Axis1＜＝2*Distance，此时参考电压矢量位于小区域3；

若0＜Axis2＜＝Distance且此时参考电压矢量位于小区域1；

若0＜Axis2＜＝Distance且此时参考电压矢量位于小区域5；

若0＜Axis0＜＝Distance且0＜Axis1＜＝Distance且Distance＜Axis2＜＝2*Distance且此时参考电压矢量位于小区域2；

若0＜Axis0＜＝Distance且0＜Axis1＜＝Distance且Distance＜Axis2＜＝2*Distance且此时参考电压矢量位于小区域6；

(2-5)在确定参考电压矢量所在的小区域后，运用伏秒平衡原理，选择最邻近的基础矢量进行合成；选择基础矢量作用顺序的原则为：任一相的开关状态尽量避免直接在P、N两状态间切换；电压空间矢量切换时，尽量保证仅有某一相的开关状态发生改变。以第I扇区为例：

当参考电压矢量位于小区域1时，矢量作用顺序为：(ONN)→(OON)→(OOO)→(POO)→(OOO)→(OON)→(ONN)；

当参考电压矢量位于小区域2时，矢量作用顺序为：(ONN)→(OON)→(PON)→(POO)→(PON)→(OON)→(ONN)；

当参考电压矢量位于小区域3时，矢量作用顺序为：(ONN)→(PNN)→(PON)→(POO)→(PON)→(PNN)→(ONN)；

当参考电压矢量位于小区域4时，矢量作用顺序为：(OON)→(PON)→(PPN)→(PPO)→(PPN)→(PON)→(OON)；

当参考电压矢量位于小区域5时，矢量作用顺序为：(OON)→(OOO)→(POO)→(PPO)→(POO)→(OOO)→(OON)；

当参考电压矢量位于小区域6时，矢量作用顺序为：(OON)→(PON)→(POO)→(PPO)→(POO)→(PON)→(OON)；

(2-6)由于参考电压矢量是一个旋转的空间矢量，为了达到更好的输出效果，同一桥臂不同子单元将对参考电压矢量错时采样，第n个子单元的初始采样时刻为其中，M为一个桥臂子单元个数，采样步长为Δt，T₁为第一个子单元的初始采样时刻；

每个子单元根据自己采样的结果，分别进行空间矢量调制运算，再分别控制相应子单元里的子模块；

(2-7)通过轮换子单元内部和子单元之间的开关信号，达到子模块电容电压平衡。轮换分为子单元内部轮换和子单元之间轮换两方面。

对于子单元内部轮换，以一个子单元每相由两个子模块组成为例，其中的两个子模块分别称为上子模块和下子模块。在每个开关频率下轮换上、下子模块的开关信号，即在第一个开关周期，控制器得到的上子模块的开关信号给上子模块，下子模块的开关信号给下子模块；但是下个开关周期，控制器得到的上子模块开关信号给下子模块，控制器得到的下子模块开关信号给上子模块，并循环。同一个子单元中，三相同时进行轮换。

对于子模块间的开关信号轮换，则是在每个工频周期轮换每个子单元的开关信号。在第一个工频周期，控制器得到的第一个子单元的开关信号给第一个子单元，控制器得到的第二个子单元的开关信号给第二个子单元，依次类推；但是在下一个工频周期，控制器得到的第一个子单元的开关信号实际上给第二个子单元，控制器得到的第二个子单元的开关信号实际上给子单元三，依次类推，控制器得到的最后一个子单元的开关信号给第一个子单元；最后每个工频周期依次递推轮换。

本发明步骤(3)中，以一个子单元每相由两个子模块组成为例，当子模块采用半桥结构时，每个子模块有两只功率开关管，因此每个子单元单相就有四只功率开关管，将其从上到下分别命名为T₁、T₂、T₃和T₄。当T₁或T₃功率开关管发生开路故障时，此时所在相没有P状态，仍有O、N状态，称为第I型故障；当T₂或T₄功率开关管发生开路故障时，此时所在相没有N状态，仍有P、O状态，称为第II型故障。

根据子模块故障情况，对MMC的结构进行再重组的具体方式如下：

(3-1)当子单元中仅有一个子模块发生故障时，不需要对子模块进行再重组；

(3-2)当子单元中有两个子模块发生故障时，若故障的两个子模块在同一相，则将两个同相的故障子模块分别再重组到不同的子单元中；

若故障的两个子模块不在同一相，如果两个故障子模块的故障类型相同，则不需要再重组；若两个故障子模块的故障类型不同，则需要将两个故障子模块再重组到不同子单元中。

(3-3)当子单元中有三个子模块发生故障时，若故障的三个子模块有两个在同一相，需要进行再重组，将同一相两个故障的子模块再重组到不同的子单元中；

若故障的三个子模块不在同一相，如果三个子模块的故障类型相同，则不需要再重组；如果有子模块故障类型不同，则需要将不同故障类型的子模块再重组到别的子单元中，并引入相同数量的无故障或故障类型相同的子模块。

再重组结束后，每个子单元继续运用空间矢量调制，并依旧错时采样，独立调制，不过需要根据每个子单元的故障类型，对于具体的作用矢量进行调整：

若再重组后的子单元均为第I型故障时，此时没有P状态，为了保证MMC的容错运行，将进行降额运行，即参考电压矢量的幅值变小，使参考电压矢量仅落在子单元空间矢量分布的中间小六边形里。依然根据伏秒平衡原理得到每个基础矢量作用的时间，每个扇区矢量作用顺序如下所示：

当参考电压矢量位于第I扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(ONN)→(OON)→(OOO)→(OON)→(ONN)→(NNN)；

当参考电压矢量位于第II扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(NON)→(OON)→(OOO)→(OON)→(NON)→(NNN)；

当参考电压矢量位于第III扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(NON)→(NOO)→(OOO)→(NOO)→(NON)→(NNN)；

当参考电压矢量位于第IV扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(NNO)→(NOO)→(OOO)→(NOO)→(NNO)→(NNN)；

当参考电压矢量位于第V扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(NNO)→(ONO)→(OOO)→(ONO)→(NNO)→(NNN)；

当参考电压矢量位于第VI扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(ONN)→(ONO)→(OOO)→(ONO)→(ONN)→(NNN)；

若再重组后的子单元均为第II型故障时，此时没有N状态，为了保证MMC的容错运行，将进行降额运行，即参考电压矢量的幅值变小，使参考电压矢量仅落在子单元空间矢量分布的中间小六边形里。依然根据伏秒平衡原理得到每个基础矢量作用的时间，每个扇区矢量作用顺序如下所示：

当参考电压矢量位于第I扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(PPO)→(POO)→(OOO)→(POO)→(PPO)→(PPP)；

当参考电压矢量位于第II扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(PPO)→(OPO)→(OOO)→(OPO)→(PPO)→(PPP)；

当参考电压矢量位于第III扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(OPP)→(OPO)→(OOO)→(OPO)→(OPP)→(PPP)；

当参考电压矢量位于第IV扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(OPP)→(OOP)→(OOO)→(OOP)→(OPP)→(PPP)；

当参考电压矢量位于第V扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(POP)→(OOP)→(OOO)→(OOP)→(POP)→(PPP)；

当参考电压矢量位于第VI扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(POP)→(POO)→(OOO)→(POO)→(POP)→(PPP)；

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明将空间矢量调制这一电压利用率高，使用灵活的一种调制方法引入到了MMC中，并且原理简单，易于扩展。

2、本发明不需要增加额外的硬件电路和冗余模块，仅需要调整控制对象和控制方法，便可以实现MMC容错运行。

3、本发明可以适用于MMC不同数量子模块开路故障下的容错运行，方法适应性强，易于扩展。

附图说明

图1为一种三相MMC电路及正常工作情况下的重组实例；

图2为子单元空间矢量分布图；

图3为上桥臂单子单元三个子模块故障后再重组过程示意图；

图4为第I型故障后子单元空间矢量分布图；

图5为第II型故障后子单元空间矢量分布图；

图6为MMC正常工作情况下桥臂中点到直流中点电压实验波形图；

图7为MMC正常工作情况下三相线电压实验波形图；

图8为MMC正常工作情况下输出相电流实验波形图；

图9为MMC正常工作情况下上、下桥臂两个子模块电容电压实验图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，为每桥臂N个子模块的MMC拓扑，以及最常规的一种重组方式。以每相两个子模块组合为例，两个子模块组成子单元的一相，三相组合起来便是一个完整的子单元。每个子单元可以输出2U_cap、U_cap和0三种电压，分别可以对应P、O、N三种状态，继而可以对每个子单元应用空间矢量调制。每个子单元采样时刻相互错开，根据自身采样参考独立应用空间矢量调制策略进行控制。最后通过子单元内部子模块和子单元间开关信号轮换来保持子模块电容电压平衡。

如图2所示，为子单元空间矢量分布图，并且还包含某个子模块某次采样的参考电压矢量。子单元空间矢量分布可以被基础矢量分为6个大扇区，每个大扇区又可以分为6个小区域。基础矢量中，零矢量有3个，分别是(PPP)、(OOO)和(NNN)；小矢量有12个，分别为(POO)、(ONN)、(PPO)、(OON)、(OPO)、(NON)、(OPP)、(NOO)、(OOP)、(NNO)、(POP)和(ONO)；中矢量有6个，分别为(PON)、(OPN)、(NPO)、(NOP)、(ONP)和(PNO)；大矢量有6个，分别为(PNN)、(PPN)、(NPN)、(NPP)、(NNP)和(PNP)。由于每个扇区的对称性，因此当参考电压矢量位于其他扇区时，都可以归算到第I扇区。图中的参考电压矢量位于第I扇区小区域4，因此基础矢量作用顺序为：(OON)→(PON)→(PPN)→(PPO)→(PPN)→(PON)→(OON)。

如图3所示，展示了一个子单元中三个子模块故障后的再重组过程，图中仅画出了三个子单元，其中中间子单元发生故障，SM_u3发生第I型故障，SM_v3发生第II型故障，SM_v4发生第II型故障。再重组后，SM_u3再重组到第一个子单元中，而SM_u2再重组到第二个子单元中；SM_v4再重组到第三个子单元中，而SM_v5再重组到第二个子单元中；SM_v3保持不动。而后三个子单元均降额运行。

如图4所示，为第I型故障后子单元空间矢量分布图，u相P状态消失，故损失了右边的大矢量和部分中矢量，此时为了保证MMC的容错运行，将进行降额运行，即参考电压矢量的幅值变小，使参考电压矢量仅落在子单元空间矢量分布的中间小六边形里。依然根据伏秒平衡原理得到每个基础矢量作用的时间，每个扇区矢量作用顺序如下所示：

当参考电压矢量位于第VI扇区时，矢量作用顺序为：(NNN)→(ONN)→(ONO)→(OOO)→(ONO)→(ONN)→(NNN)。

如图5所示，为第II型故障后子单元空间矢量分布图，u相N状态消失，故损失了左边的大矢量和部分中矢量，为了保证MMC的容错运行，将进行降额运行，即参考电压矢量的幅值变小，使参考电压矢量仅落在子单元空间矢量分布的中间小六边形里。依然根据伏秒平衡原理得到每个基础矢量作用的时间，每个扇区矢量作用顺序如下所示：

当参考电压矢量位于第VI扇区时，矢量作用顺序为：(PPP)→(POP)→(POO)→(OOO)→(POO)→(POP)→(PPP)。

实验平台参数如表1所示。

表1

图6为MMC正常工作时，在此空间矢量调制策略下的桥臂中点到直流中点电压波形，可以看到一共有5个电平，每个电平为100V。

图7为三相线电压实验波形图，图8为输出相电流实验波形图，呈现良好的正弦状态，线电压幅值大约为380V，相电流接近9A，直流电压利用率为1.10。

图9为MMC正常工作时，在此重组思想下的上、下桥臂两个子模块电容电压波形，可以看到通过轮换策略，子模块电容电压能够保持平衡。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(1)中，将MMC中同相同桥臂的两个子模块进行两两组合，形成若干个子单元，每个子单元每相能够输出2U_cap、U_cap和0三种电压，分别对应P、O、N三种开关状态。

3.根据权利要求2所述的基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(2)的具体过程为：

(2-1)在MMC正常运行时，根据MMC拓扑，已知直流母线电压U_dc和输出相电压u_io(i＝u,v,w)，得到上、下桥臂每一相的输出参考电压，其中，u,v,w分别为三个相；

(2-3)将子单元空间矢量分布按基础矢量分为6个大扇区，每个大扇区进一步分为6个小区域，根据得到的夹角确定参考电压矢量所在的大扇区，并根据扇区对称性，将参考电压矢量统一归算到第Ⅰ扇区；

(2-4)根据归算后的夹角以及归算后的坐标值u′_α和u′_β计算出参考电压矢量到达扇区边缘的距离，从而判断该参考电压矢量所在的小区域编号；

(2-5)运用伏秒平衡原理，选择最邻近的基础矢量进行合成；

(2-6)同一桥臂不同子单元将对参考电压矢量错时采样，第n个子单元的初始采样时刻为其中，M为一个桥臂子单元个数，采样步长为△t，T₁为第一个子单元的初始采样时刻；

(2-7)通过轮换子单元内部和子单元之间的开关信号，达到子模块电容电压平衡。

4.根据权利要求3所述的基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(2-3)中，将参考电压矢量统一归算到第Ⅰ扇区的方式如下：

(2-3-1)若此时参考电压矢量位于第Ⅰ扇区，不需要对u_α、u_β和进行归算，即u′_α＝u_α，u′_β＝u_β；

(2-3-2)若此时参考电压矢量位于第Ⅱ扇区，归算到第Ⅰ扇区，此时

(2-3-3)若此时参考电压矢量位于第Ⅲ扇区,归算到第Ⅰ扇区，此时

(2-3-4)若此时参考电压矢量位于第Ⅳ扇区,归算到第Ⅰ扇区，此时u′_α＝-u_α，u′_β＝-u_β；

(2-3-5)若此时参考电压矢量位于第Ⅴ扇区，归算到第Ⅰ扇区，此时

(2-3-6)若此时参考电压矢量位于第Ⅴ扇区，此时

5.根据权利要求3所述的基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(2-5)中，在选择最邻近的基础矢量进行合成时，选择基础矢量作用顺序的原则为：任一相的开关状态避免直接在P、N两种开关状态间切换；电压空间矢量切换时，保证仅有某一相的开关状态发生改变。

6.根据权利要求2所述的基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述开路故障分为第Ⅰ型故障和第Ⅱ型故障，第Ⅰ型故障时，所在相没有P状态，仍有O、N状态；第Ⅱ型故障时，所在相没有N状态，仍有P、O状态；

对MMC的结构进行再重组后，如果子单元均为第Ⅰ型故障或均为第Ⅱ型故障，则对该子单元进行降额运行。

7.根据权利要求1所述的基于子模块重组并具备容错性的MMC空间矢量调制方法，其特征在于，步骤(3)中，对MMC的结构进行再重组的具体方式如下：