CN113395006A - 一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 - Google Patents

一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，包括：实时监测每相上桥臂电流，每相上桥臂各子模块电容电压和每相上桥臂各子模块开关器件状态；利用桥臂电流，电容电压和开关状态计算得到每相上桥臂各个子模块损耗；计算得到每相上桥臂总损耗；计算得到三相上桥臂总损耗平均值；计算得到三相上桥臂总损耗平均值与每相上桥臂总损耗差值，通过改变每相桥臂载波频率，实现每相上桥臂总损耗相同，达到模块化多电平换流器损耗优化控制的目的。本发明通过改变各个桥臂载波频率，实现模块多电平换流器损耗优化控制，与常规方法相比无需增加模块化多电平换流器建设成本，对输出电能质量影响较小且控制算法设计较为简单。

Description

一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法
技术领域
本发明属于多电平电力电子换流器领域，具体涉及一种电压不平衡下模块化多电平变换器损耗优化控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)是一种桥臂由子模块级联而成的换流器拓扑，与传统的两电平和三电平换流器不同，采用阶梯波逼近正弦波的方式，具有波形质量高，故障处理能力强，制造难度低等优点，在新能源并网，电机驱动等中压场合有广泛的应用空间。
由于实际运行中，模块化多电平换流器交流侧电压不平衡的情况较多，模块化多电平换流器在不平衡运行状况下是时，三相间桥臂子模块中功率开关和二极管所产生的损耗将出现偏差，进而导致模块化多电平换流器三相桥臂的开关元件使用寿命以及故障率出现较大差异，影响模块化多电平换流器正常稳定运行。因此，调整交流侧电压不平衡时三相桥臂损耗进而减小模块化多电平换流器三相损耗偏差对模块化多电平换流器***的稳定运行至关重要。
针对模块化多电平换流器损耗优化控制问题，常规方法通过优化子模块的拓扑结构、优化子模块电容电压平衡策略或者优化模块化多电平换流器的调制策略来优化模块化多电平换流器损耗，但是上述方法存在增加模块化多电平换流器控制难度，增加模块化多电平换流器输出电压畸变率等缺点，在实际运用时存在一定困难。
针对上述提出的问题，现设计一种电压不平衡下模块化多电平变换器损耗优化控制方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电压不平衡下模块化多电平变换器损耗优化控制方法，通过改变各个桥臂载波频率，实现模块多电平换流器损耗优化控制，与常规方法相比无需增加模块化多电平换流器建设成本，对输出电能质量影响较小且控制算法设计较为简单。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，包括以下步骤：
S1、实时监测每相上桥臂电流ipa(t)，ipb(t)，ipc(t)，实时监测每相桥臂上N 个子模块的实时电容电压值UCn_j(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)，实时监测每相开关器件状态函数Sp_jn(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)；
S2、利用桥臂电流，电容电压和开关状态计算得到第j相上桥臂第n个子模块损耗Ploss_jn(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)；
S3、每相桥臂各个子模块损耗累加得到每相上桥臂总损耗Ploss_j(j＝a,b,c)；
S4、计算得到三相上桥臂总损耗平均值Pave；
S5、计算每相上桥臂总损耗Ploss_j(j＝a,b,c)与三相上桥臂总损耗平均值Pave的差值ΔPloss_j(j＝a,b,c)；
S6、改变每相载波频率fcsa，fcsb，fcsc，使得每相上桥臂总损耗相同，实现桥臂损耗优化控制。
进一步的，所述S1中的j相第n个子模块开关器件状态函数Sp_an，Sp_bn， Sp_cn表示为：
Figure BDA0003101625750000021
子模块投入为：第一功率开关T1处于开通状态，第二功率开关T2处于关断状态，子模块切除为：第一功率开关T1处于关断状态，第二功率开关T2处于开通状态。
进一步的，所述S2中的模块化多电平换流器上桥臂子模块总损耗Ploss_jn计算方法为：
Ploss_jn＝PconT1_jn+PconT2_jn+PconD1_jn+PconD2_jn+PswT1_jn+PswT2_jn+PswD1_jn+PswD2_jn ②
公式②中，PconT1_jn为j相第n个子模块第一功率开关T1的导通损耗，PconT2_jn为j相第n个子模块第二功率开关T2的导通损耗，PconD1_jn为j相第n个子模块第一二极管D1的导通损耗，PconD2_jn为j相第n个子模块第二二极管D2的导通损耗，PswT1_jn为子模块第一功率开关T1的j相第n个子模块的开关损耗，PswT2_jn为子模块第二功率开关T2的j相第n个子模块的开关损耗，PswD1_jn为子模块第一二极管D1的j相第n个子模块的开关损耗，PswD2_jn为子模块第二二极管D2 的j相第n个子模块的开关损耗。
进一步的，PconT1_jn、PconT2_jn、PconD1_jn、PconD2_jn的计算方法为：
Figure BDA0003101625750000031
公式③中，Tf＝2π/ω，iT1_jn为j相流过第n个子模块第一功率开关T1的电流大小，iT2_jn为j相流过第n个子模块第二功率开关T2的电流大小，iD1_jn为j相流过第n个子模块第一二极管D1的电流大小，iD2_jn为j相流过第n个子模块第二二极管D2的电流大小，VT0为功率开关的零电流通态压降，VD0为二极管的零电流通态压降，Rce为功率开关的通态电阻，Rd为二极管的通态电阻。
进一步的，PswT1_jn、PswT2_jn、PswD1_jn、PswD2_jn的计算方法为：
Figure BDA0003101625750000041
公式④中，Eon()为功率开关导通能量函数，Eoff()为功率开关关断能量函数， Erec()为二极管反向恢复能量函数，UCn_j(t)为j相第n个子模块电容电压。
进一步的，若桥臂电流ipj>0且Sp_jn＝1，此时iT1_jn＝0，iT2_jn＝0，iD1_jn＝ipj，iD2_jn＝0；若桥臂电流iau>0且Sp_jn＝0，此时iT1_jn＝0，iT2_jn＝ipj，iD1_jn＝0，iD2_jn＝0；若桥臂电流iau<0且Sp_jn＝1，此时iT1＝-ipj，iT2＝0，iD1＝0，iD2＝0；若桥臂电流iau<0且Sp_jn＝0，此时iT1＝0，iT2＝0，iD1＝0，iD2＝-ipj。
进一步的，所述S3中模块化多电平换流器上桥臂总损耗Ploss_j的计算公式为：
Figure BDA0003101625750000042
所述S4中Pave的计算公式为：
Figure BDA0003101625750000043
所述S5中三相上桥臂总损耗与三相上桥臂总损耗平均值的差值ΔPloss_j的计算公式为：
ΔPloss_j＝Ploss_j-Pave⑦。
进一步的，所述S6改变每一相载波频率fcsa，fcsb，fcsc，使得每相上桥臂总损耗相同，具体方法为：若ΔPloss_j>0，则降低第j相载波频率；若ΔPloss_j<0，则增加第j相载波频率，最终使得ΔPloss_a＝ΔPloss_b＝ΔPloss_c，即Ploss_j(j＝a,b,c)＝Pave。
本发明的有益效果：
1、本发明提出的电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，通过计算交流侧电压不平衡时三相桥臂损耗差异，进而调整三相桥臂载波频率，实现交流侧电压不平衡时模块化多电平换流器损耗优化控制，无需改变模块化多电平换流器电容电压平衡策略或调制策略，对模块化多电平换流器输出电压波形质量影响小且控制逻辑设计简单易于实施；
2、本发明提出的电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，仅需改变三相桥臂载波频率，无需改变模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，不会增加模块化多电平换流器的建设成本且易于在现有模块化多电平换流器***中实施，具有较强的实用性；
3、本发明提出的电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，不仅能够调整三相桥臂损耗平衡，并且一定程度上可以降低模块化多电平换流器的总损耗，进一步减小模块化多电平换流器的运行成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的三相模块化多电平换流器拓扑结构示意图；
图2是本发明实施例的子模块拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例的整体方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明针对模块化多电平换流器损耗优化控制问题，提出了一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其中三相MMC及子模块的拓扑结构如图1、图2所示，三相MMC由六个桥臂构成，每个桥臂包含了n(n＝1， 2，…，N)个拓扑结构相同的子模块(Submodule，SM)以及一个桥臂电感Larm；子模块为半桥结构，由两个二极管D1、D2，两个功率开关T1、T2以及一个直流电容C组成。
如图3所示，基于上述三相MMC及子模块的拓扑结构，一种电压不平衡下模块化多电平变换器损耗优化控制方法，包括：实时监测每相上桥臂电流，每相上桥臂各子模块电容电压和每相上桥臂各子模块开关器件状态；利用桥臂电流，电容电压和开关状态计算得到每相上桥臂各个子模块损耗；计算得到每相上桥臂总损耗；计算得到三相上桥臂总损耗平均值；计算得到三相上桥臂总损耗平均值与每相上桥臂总损耗差值，通过改变每相桥臂载波频率，实现每相上桥臂总损耗相同，达到模块化多电平换流器损耗优化控制的目的。
上述方法具体包括以下步骤：
S1、实时监测每相上桥臂电流ipa(t)，ipb(t)，ipc(t)，实时监测每相桥臂上N 个子模块的实时电容电压值UCn_j(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)，实时监测每相开关器件状态函数Sp_jn(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)；
S2、利用桥臂电流，电容电压和开关状态计算得到第j相上桥臂第n个子模块损耗Ploss_jn(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)；
S3、每相桥臂各个子模块损耗累加得到每相上桥臂总损耗Ploss_j(j＝a,b,c)；
S4、计算得到三相上桥臂总损耗平均值Pave；
S5、计算每相上桥臂总损耗Ploss_j(j＝a,b,c)与三相上桥臂总损耗平均值Pave的差值ΔPloss_j(j＝a,b,c)；
S6、改变每相载波频率fcsa，fcsb，fcsc，使得每相上桥臂总损耗相同，实现桥臂损耗优化控制。
所述S1中的j相第n个子模块开关器件状态函数Sp_an，Sp_bn，Sp_cn表示为：
Figure BDA0003101625750000071
子模块投入为：第一功率开关T1处于开通状态，第二功率开关T2处于关断状态。子模块切除为：第一功率开关T1处于关断状态，第二功率开关T2处于开通状态。
所述S2中的模块化多电平换流器上桥臂子模块总损耗Ploss_jn计算方法为：
Ploss_jn＝PconT1_jn+PconT2_jn+PconD1_jn+PconD2_jn+PswT1_jn+PswT2_jn+PswD1_jn+PswD2_jn ②
公式②中，PconT1_jn为j相第n个子模块第一功率开关T1的导通损耗，PconT2_jn为j相第n个子模块第二功率开关T2的导通损耗，PconD1_jn为j相第n个子模块第一二极管D1的导通损耗，PconD2_jn为j相第n个子模块第二二极管D2的导通损耗，PswT1_jn为子模块第一功率开关T1的j相第n个子模块的开关损耗，PswT2_jn为子模块第二功率开关T2的j相第n个子模块的开关损耗，PswD1_jn为子模块第一二极管D1的j相第n个子模块的开关损耗，PswD2_jn为子模块第二二极管D2 的j相第n个子模块的开关损耗。
其中PconT1_jn、PconT2_jn、PconD1_jn、PconD2_jn的计算方法为：
Figure BDA0003101625750000081
公式③中，Tf＝2π/ω，iT1_jn为j相流过第n个子模块第一功率开关T1的电流大小，iT2_jn为j相流过第n个子模块第二功率开关T2的电流大小，iD1_jn为j相流过第n个子模块第一二极管D1的电流大小，iD2_jn为j相流过第n个子模块第二二极管D2的电流大小，VT0为功率开关的零电流通态压降，VD0为二极管的零电流通态压降，Rce为功率开关的通态电阻，Rd为二极管的通态电阻。
PswT1_jn、PswT2_jn、PswD1_jn、PswD2_jn的计算方法为：
Figure BDA0003101625750000082
公式④中，Eon()为功率开关导通能量函数，Eoff()为功率开关关断能量函数， Erec()为二极管反向恢复能量函数，UCn_j(t)为j相第n个子模块电容电压。
若桥臂电流ipj>0且Sp_jn＝1，此时iT1_jn＝0，iT2_jn＝0，iD1_jn＝ipj，iD2_jn＝0；若桥臂电流iau>0且Sp_jn＝0，此时iT1_jn＝0，iT2_jn＝ipj，iD1_jn＝0，iD2_jn＝0；若桥臂电流iau<0 且Sp_jn＝1，此时iT1＝-ipj，iT2＝0，iD1＝0，iD2＝0；若桥臂电流iau<0且Sp_jn＝0，此时iT1＝0，iT2＝0，iD1＝0，iD2＝-ipj。
所述S3中模块化多电平换流器上桥臂总损耗Ploss_j的计算公式为：
Figure BDA0003101625750000091
所述S4中Pave的计算公式为：
Figure BDA0003101625750000092
所述S5中三相上桥臂总损耗与三相上桥臂总损耗平均值的差值ΔPloss_j的计算公式为：
ΔPloss_j＝Ploss_j-Pave⑦；
所述S6改变每一相载波频率fcsa，fcsb，fcsc，使得每相上桥臂总损耗相同，具体方法为：若ΔPloss_j>0，则降低第j相载波频率；若ΔPloss_j<0，则增加第j相载波频率，最终使得ΔPloss_a＝ΔPloss_b＝ΔPloss_c，即Ploss_j(j＝a,b,c)＝Pave。
本发明通过计算交流侧电压不平衡时三相桥臂损耗差异，进而调整三相桥臂载波频率，实现交流侧电压不平衡时模块化多电平换流器损耗优化控制。与常规方法相比无需增加模块化多电平换流器建设成本，对输出电能质量影响较小且控制算法设计较为简单。同时，无需改变模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，不会增加模块化多电平换流器的建设成本且易于在现有模块化多电平换流器***中实施，具有较强的实用性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、实时监测每相上桥臂电流ipa(t)，ipb(t)，ipc(t)，实时监测每相桥臂上N个子模块的实时电容电压值UCn_j(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)，实时监测每相开关器件状态函数Sp_jn(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)；
S2、利用桥臂电流，电容电压和开关状态计算得到第j相上桥臂第n个子模块损耗Ploss_jn(j＝a,b,c，n＝1,2,…,N)；
S3、每相桥臂各个子模块损耗累加得到每相上桥臂总损耗Ploss_j(j＝a,b,c)；
S4、计算得到三相上桥臂总损耗平均值Pave；
S5、计算每相上桥臂总损耗Ploss_j(j＝a,b,c)与三相上桥臂总损耗平均值Pave的差值ΔPloss_j(j＝a,b,c)；
S6、改变每相载波频率fcsa，fcsb，fcsc，使得每相上桥臂总损耗相同，实现桥臂损耗优化控制。
2.根据权利要求1所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S1中的j相第n个子模块开关器件状态函数Sp_an，Sp_bn，Sp_cn表示为：
Figure FDA0003101625740000011
子模块投入为：第一功率开关T1处于开通状态，第二功率开关T2处于关断状态，子模块切除为：第一功率开关T1处于关断状态，第二功率开关T2处于开通状态。
3.根据权利要求2所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S2中的模块化多电平换流器上桥臂子模块总损耗Ploss_jn计算方法为：
Ploss_jn＝PconT1_jn+PconT2_jn+PconD1_jn+PconD2_jn+PswT1_jn+PswT2_jn+PswD1_jn+PswD2_jn②
公式②中，PconT1_jn为j相第n个子模块第一功率开关T1的导通损耗，PconT2_jn为j相第n个子模块第二功率开关T2的导通损耗，PconD1_jn为j相第n个子模块第一二极管D1的导通损耗，PconD2_jn为j相第n个子模块第二二极管D2的导通损耗，PswT1_jn为子模块第一功率开关T1的j相第n个子模块的开关损耗，PswT2_jn为子模块第二功率开关T2的j相第n个子模块的开关损耗，PswD1_jn为子模块第一二极管D1的j相第n个子模块的开关损耗，PswD2_jn为子模块第二二极管D2的j相第n个子模块的开关损耗。
4.根据权利要求3所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，PconT1_jn、PconT2_jn、PconD1_jn、PconD2_jn的计算方法为：
Figure FDA0003101625740000021
公式③中，Tf＝2π/ω，iT1_jn为j相流过第n个子模块第一功率开关T1的电流大小，iT2_jn为j相流过第n个子模块第二功率开关T2的电流大小，iD1_jn为j相流过第n个子模块第一二极管D1的电流大小，iD2_jn为j相流过第n个子模块第二二极管D2的电流大小，VT0为功率开关的零电流通态压降，VD0为二极管的零电流通态压降，Rce为功率开关的通态电阻，Rd为二极管的通态电阻。
5.根据权利要求4所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，PswT1_jn、PswT2_jn、PswD1_jn、PswD2_jn的计算方法为：
Figure FDA0003101625740000031
公式④中，Eon()为功率开关导通能量函数，Eoff()为功率开关关断能量函数，Erec()为二极管反向恢复能量函数，UCn_j(t)为j相第n个子模块电容电压。
6.根据权利要求5所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，若桥臂电流ipj>0且Sp_jn＝1，此时iT1_jn＝0，iT2_jn＝0，iD1_jn＝ipj，iD2_jn＝0；若桥臂电流iau>0且Sp_jn＝0，此时iT1_jn＝0，iT2_jn＝ipj，iD1_jn＝0，iD2_jn＝0；若桥臂电流iau<0且Sp_jn＝1，此时iT1＝-ipj，iT2＝0，iD1＝0，iD2＝0；若桥臂电流iau<0且Sp_jn＝0，此时iT1＝0，iT2＝0，iD1＝0，iD2＝-ipj。
7.根据权利要求6所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S3中模块化多电平换流器上桥臂总损耗Ploss_j的计算公式为：
Figure FDA0003101625740000032
所述S4中Pave的计算公式为：
Figure FDA0003101625740000033
所述S5中三相上桥臂总损耗与三相上桥臂总损耗平均值的差值ΔPloss_j的计算公式为：
ΔPloss_j＝Ploss_j-Pave⑦。
8.根据权利要求7所述的一种电压不平衡下模块化多电平换流器损耗优化控制方法，其特征在于，所述S6改变每一相载波频率fcsa，fcsb，fcsc，使得每相上桥臂总损耗相同，具体方法为：若ΔPloss_j>0，则降低第j相载波频率；若ΔPloss_j<0，则增加第j相载波频率，最终使得ΔPloss_a＝ΔPloss_b＝ΔPloss_c，即Ploss_j(j＝a,b,c)＝Pave。
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