CN111900873B - 一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法及*** - Google Patents

一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，基于SiC器件低损耗、高开关频率的特性，仅仅修改了选取子模块投切部分的算法，保证每一次开关暂态过程都只有一对或者一个子模块进行投切，限制桥臂中所有位置的子模块对地电压跳变均为UC。该方法从控制角度出发，维持了子模块开关频率，不会降低输出波形质量；另外没有增加额外的功率器件，并不会对MMC上层控制造成影响；同时，不受子模块拓扑结构制约，适用于最基本的半桥拓扑结构，本发明所提方法应用场景丰富。

Description

一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法及***
技术领域
本发明属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法及***。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)以其模块化结构，具备灵活的扩展性、高效性，输出波形质量好，已逐渐成为现阶段主流的多电平换流器。现今硅基功率器件已经发展到了相当成熟的地步。为了进一步满足对高频、高温、高功率密度等具有理想特性的功率器件的追求，新型半导体材料碳化硅(SiC)成为人们的研究方向，相较于传统的硅材料，具有更高的额定电压、更快的开关速度和更低的开关损耗等优势，在众多碳化硅基材料中，MOSFET最具代表性。然而，MMC在开关暂态过程中桥臂子模块对地电压会产生跳变，而且不同位置的子模块电压跳变程度不同，最恶劣的情况可达到
Figure GDA0003061758740000011
采用SiC器件带来的高dv/dt会产生较大共模电流，造成严重的电磁干扰(EMI)问题，对设备运行的安全性、稳定性带来影响。因此，研究一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法具有重要意义。
现有的针对SiC MMC抑制子模块对地电压跳变的研究较少，已有的方案均从增加冗余子模块以及延长子模块开关暂态过程入手，但是这样会增加额外的控制器并且降低输出波形质量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法及***，用来抑制开关暂态过程中子模块对地电压跳变产生的高dv/dt所带来的电磁干扰。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，SiC MMC由半桥型子模块构成，每一相中上、下桥臂的子模块个数均为N，包括以下步骤：
考虑MMC正常运行状态，对于桥臂，保证每一次开关过程都只有一对或者一个子模块进行投切。计算上一时刻投入的和当前时刻期望投入的子模块数目差；计算结果可分为Δn＝0,Δn＝1和Δn＝-1三种情况，分别对应当前时刻期望投入的子模块数目不变、增加一个和减少一个。
S1、判断上一时刻投入的子模块数目，若为0，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否增加1，若是，则转至步骤S4，否则保持触发脉冲不变；若为N，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否减少1，若是，则转至步骤S5，否则保持触发脉冲不变；若上一时刻投入的子模块数目既不为0也不等于N，则转至步骤S2；
S2、判断上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目的差，若期望投入的子模块数目不变，转至步骤S3；若期望投入的子模块数目增加一个，转至步骤S4；若期望投入的子模块数目减少一个，转至步骤S5；
S3、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块，若是，则在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入。更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，转至步骤S6。
S4、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块，若是，则在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入。更新桥臂中所有子模快投切状态，产生触发脉冲，转至步骤S6。
S5、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块，若是，则在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出。更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，转至步骤S6。
S6、触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变。
进一步优选地，当MMC工作在正常运行状态下，基于合适的控制频率和子模块电容参数，对于上、下桥臂，相较于上一时刻投入的子模块数目，当前时刻期望投入的子模块数目只会是三种情况，分别是增加一个、数目不变和减少一个。
进一步优选地，对于上、下桥臂，若上一时刻投入的子模块数目为0，则当前时刻期望投入的子模块数目只会为0或者1；若上一时刻投入的子模块数目为N，则当前时刻期望投入的子模块数目只会为N或者N-1。
进一步优选地，若上一时刻投入的子模块数目与当前时刻期望投入的子模块数目不变时，需要在已投入的子模块中切出一个，在未投入的子模块中投入一个；若当前时刻期望投入的子模块数目增加一个，需要在未投入的子模块中投入一个；若当前时刻期望投入的子模块数目减少一个，需要在已投入的子模块中切出一个。
进一步优选地，步骤S3、S4、S5中，为了维持桥臂所有子模块电容电压均衡，当桥臂电流流入子模块时，若需要投入，则投入电容电压最低的子模块，若需要切出，则切出电容电压最高的子模块；当桥臂电流流出子模块时，若需要投入，则投入电容电压最高的子模块，若需要切出，则切出电容电压最低的子模块。
进一步优选地，本发明所提供的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，适用于基于SiC器件的MMC。
本发明另一方面提供了一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制***，包括：第一判断模块，用于判断上一时刻投入的子模块数目：若为0，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否增加1，若否，保持触发脉冲不变；若为N，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否减少1，若否，保持触发脉冲不变；
第二判断模块，用于判断上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目的差：
第三判断模块，用于在上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目不变时，判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：若是，在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入；更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变；
第四判断模块，用于在上一时刻投入的子模块数目不为0或者当前时刻期望投入的子模块数目比上一时刻投入的子模块数目增加一个时，判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：若是，在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入；更新桥臂中所有子模快投切状态，产生触发脉冲，所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变；
第五判断模块，用于在当前时刻期望投入的子模块数目比上一时刻投入的子模块数目减少一个时，判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：若是，在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出；更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
1、本发明提出的一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，以SiC器件高开关速度、低损耗为基础，在MMC正常运行时，对于上、下桥臂，保证每次开关过程都只有一对或者一个子模块进行投切，从而限制桥臂中所有位置子模块对地电压跳变均为
Figure GDA0003061758740000051
进而将开关暂态过程中所有位置子模块对地电压跳变抑制到最低水平，减少了共模电流，降低了EMI。
2、本发明所提出的一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，考虑了子模块电容电压均衡问题，根据桥臂电流方向来选择子模块的投切，在保证一定的开关频率下，能够很好的保持各子模块电容电压的一致性。
3、本发明所提出的一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，因为单个SiC器件开关损耗较小，且每次开关暂态中只有两个或一个子模块进行了开关动作，虽然开关频率会有一定程度的增加，但总体损耗的增加可以忽略，该***依旧满足阀损耗的要求。
4、本发明所提出的一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，从器件控制角度出发，不需要增加额外的功率器件，适用于最基础的半桥子模块拓扑，因此不受拓扑所限制，另外该方案不会造成MMC输出的变化，不会对MMC***顶层控制造成影响；适用场景丰富。
附图说明
图1为本发明提供的一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法流程图；
图2为本发明提供的基于SiC MOSFET的MMC拓扑；
图3为本发明提供的MMC输出阶梯波开关暂态过程中电压跳变情况示意图；
图4为本发明提供的基于上一时刻已投入的子模块数目来判断当前时刻期望投入的子模块数目情况流程框图；
图5为采用本发明所提供的方法步骤S2的流程框图；
图6为采用本发明所提供的方法步骤S3的流程框图；
图7为采用本发明所提供的方法步骤S4的流程框图；
图8为采用本发明所提出的方法步骤S5的流程框图；
图9为本发明提供的子模块对地电压示意图；
图10为采用本发明所提供的方法进行仿真后各子模块对地电压变化情况示意图；
图11为未采用本发明所提供的方法进行仿真后各子模块对地电压变化情况示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，考虑MMC正常运行状态，对于桥臂，保证每一次开关过程都只有一对或者一个子模块进行投切。计算上一时刻投入的和当前时刻期望投入的子模块数目差；计算结果可分为Δn＝0,Δn＝1和Δn＝-1三种情况，分别对应当前时刻期望投入的子模块数目不变、增加一个和减少一个。
具体的，图2为基于SiC MOSFET的MMC拓扑，由半桥型子模块构成，每一相中上、下桥臂的子模块个数均为N。如图3所示，在本实施例中，N为4；基于NLM调制策略，在保证合理的控制频率和子模块电容电压下，MMC处于正常运行状态时，上一时刻投入的和当前时刻期望投入的子模块数目差只会为1、0或者-1，即
Figure GDA0003061758740000071
其中，
Figure GDA0003061758740000072
为调制波，UC为子模块电容电压，Tctrl为控制周期。
如图1所示，该方法具体包括以下步骤：
S1、判断上一时刻投入的子模块数目，若为0，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否增加1，若是，则转至步骤S4，否则保持触发脉冲不变；若为N，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否减少1，若是，则转至步骤S5，否则保持触发脉冲不变；若上一时刻投入的子模块数目既不为0也不等于N，则转至步骤S2；
具体的，如图4所示，其中n(t-Tctrl)表示上一时刻投入的子模块数目；若上一时刻投入的子模块数目为0，则当前时刻期望投入的子模块数目无法再减少；同样，若上一时刻投入的子模块数目为N，则当前时刻期望投入的子模块数目无法再增加。
S2、判断上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目差，若期望投入的子模块数目不变，转至步骤S3；若期望投入的子模块数目增加一个，转至步骤S4；若期望投入的子模块数目减少一个，转至步骤S5；
具体的，如图5所示，当上一时刻投入的子模块数目不等于0且不等于N时，需要判断Δn后再根据桥臂电流方向来选取投入和切出的子模块。
S3、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块，若是，则在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入。更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲。
具体的，如图6所示，其中iarm＞＝0表示桥臂电流流入子模块，USM表示上一时刻已投入的子模块电容电压，
Figure GDA0003061758740000081
表示上一时刻未投入的子模块电容电压，在本实施例中i,j＝(1,2,3,4)。
S4、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块，若是，则在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入。更新桥臂中所有子模快投切状态，产生触发脉冲，如图7所示。
S5、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块，若是，则在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出。更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，如图8所示。
S6、触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变。
进一步地，在基于SiC MOSFET的MMC中，采用本发明所提出的抑制子模块对地电压跳变的方法进行仿真，在本实施例中，Vi,i＝{1,2,3,4}表示第i个子模块对地电压，如图9所示。图10给出了采用本发明所提出的抑制子模块对地电压跳变方法得到的仿真结果，作为对比，图11给出了未采用本发明所提方法得到的仿真结果，其中纵坐标表示电压，每一格对应1000V，横坐标表示仿真时间；由结果可以看出，未采用本发明所提方法时，SM2与SM3在开关暂态中，最恶劣的电压跳变情况为2UC，一般的，对于含有N个子模块的MMC，其子模块对地电压跳变最恶劣的情况为
Figure GDA0003061758740000091
采用了本发明所提方法后，所有子模块在开关暂态中，电压跳变均限制到了UC，且具有一般性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，所述SiCMMC由半桥型子模块构成，每一相中上、下桥臂的子模块个数均为N，其特征在于，包括以下步骤：
S1、判断上一时刻投入的子模块数目：
若为0，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否增加1，若是，则转至步骤S4，否则保持触发脉冲不变；
若为N，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否减少1，若是，则转至步骤S5，否则保持触发脉冲不变；
若既不为0也不为N，则转至步骤S2；
S2、判断上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目的差：
若期望投入的子模块数目不变，转至步骤S3；
若期望投入的子模块数目增加一个，转至步骤S4；
若期望投入的子模块数目减少一个，转至步骤S5；
S3、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：
若是，在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；
否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入；
更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，转至步骤S6；
S4、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：
若是，在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；
否则，在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入；
更新桥臂中所有子模快投切状态，产生触发脉冲，转至步骤S6；
S5、判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：
若是，在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出；
否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出；
更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，转至步骤S6；
S6、所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变。
2.根据权利要求1所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，其特征在于，当MMC工作在正常运行状态下，对于上、下桥臂，相较于上一时刻投入的子模块数目，当前时刻期望投入的子模块数目只会是三种情况，分别是增加一个、数目不变和减少一个。
3.根据权利要求1所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，其特征在于，所述步骤S1中，对于上、下桥臂，若上一时刻投入的子模块数目为0，则当前时刻期望投入的子模块数目只会为0或者1；若上一时刻投入的子模块数目为N，则当前时刻期望投入的子模块数目只会为N或者N-1。
4.根据权利要求1所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，其特征在于，若上一时刻投入的子模块数目与当前时刻期望投入的子模块数目不变时，需要在已投入的子模块中切出一个，在未投入的子模块中投入一个；若当前时刻期望投入的子模块数目增加一个，需要在未投入的子模块中投入一个；若当前时刻期望投入的子模块数目减少一个，需要在已投入的子模块中切出一个。
5.根据权利要求4所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制方法，其特征在于，所述步骤S3、S4、S5中，为了维持桥臂所有子模块电容电压均衡，当桥臂电流流入子模块时，若需要投入，则投入电容电压最低的子模块，若需要切出，则切出电容电压最高的子模块；当桥臂电流流出子模块时，若需要投入，则投入电容电压最高的子模块，若需要切出，则切出电容电压最低的子模块。
6.一种适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制***，其特征在于，包括：
第一判断模块，用于判断上一时刻投入的子模块数目：若为0，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否增加1，若否，保持触发脉冲不变；若为N，再判断当前时刻期望投入的子模块数目是否减少1，若否，保持触发脉冲不变；
第二判断模块，用于判断上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目的差：
第三判断模块，用于在上一时刻投入的子模块数目和当前时刻期望投入的子模块数目不变时，判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：若是，在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出，并在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入；更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变；
第四判断模块，用于在上一时刻投入的子模块数目不为0或者当前时刻期望投入的子模块数目比上一时刻投入的子模块数目增加一个时，判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：若是，在未投入的子模块中选取电容电压最低的子模块投入；否则，在未投入的子模块中选取电容电压最高的子模块投入；更新桥臂中所有子模快投切状态，产生触发脉冲，所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变；
第五判断模块，用于在当前时刻期望投入的子模块数目比上一时刻投入的子模块数目减少一个时，判断当前时刻，桥臂电流是否流入子模块：若是，在已投入的子模块中选取电容电压最高的子模块切出；否则，在已投入的子模块中选取电容电压最低的子模块切出；更新桥臂中所有子模块投切状态，产生触发脉冲，所述触发脉冲控制子模块的投切，保证每一个开关过程均只有一个或者一对子模块进行投切，从而实现抑制子模块对地电压跳变。
7.根据权利要求6所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制***，其特征在于，当MMC工作在正常运行状态下，对于上、下桥臂，相较于上一时刻投入的子模块数目，当前时刻期望投入的子模块数目只会是三种情况，分别是增加一个、数目不变和减少一个。
8.根据权利要求6所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制***，其特征在于，对于上、下桥臂，若上一时刻投入的子模块数目为0，则当前时刻期望投入的子模块数目只会为0或者1；若上一时刻投入的子模块数目为N，则当前时刻期望投入的子模块数目只会为N或者N-1。
9.根据权利要求6所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制***，其特征在于，若上一时刻投入的子模块数目与当前时刻期望投入的子模块数目不变时，需要在已投入的子模块中切出一个，在未投入的子模块中投入一个；若当前时刻期望投入的子模块数目增加一个，需要在未投入的子模块中投入一个；若当前时刻期望投入的子模块数目减少一个，需要在已投入的子模块中切出一个。
10.根据权利要求9所述的适用于SiC MMC的子模块对地电压跳变抑制***，其特征在于，所述第三判断模块、第四判断模块、第五判断模块中，为了维持桥臂所有子模块电容电压均衡，当桥臂电流流入子模块时，若需要投入，则投入电容电压最低的子模块，若需要切出，则切出电容电压最高的子模块；当桥臂电流流出子模块时，若需要投入，则投入电容电压最高的子模块，若需要切出，则切出电容电压最低的子模块。
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