一种混杂式mmc电容电压的均衡控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，包括如下步骤：(1)建立正投入记录库、负投入记录库和切除记录库；(2)确定桥臂内子模块电容电压最大偏差值；(3)根据桥臂内子模块电容电压最大偏差值，通过判断逻辑分析桥臂子模块的重投操作，并对记录库进行更新；(4)根据前后时刻的桥臂电平差，通过逻辑判断与控制策略对桥臂内进行子模块投切操作，并对记录库进行更新。故本发明方法不仅能够在维持电容电压稳定的情况下有效降低子模块的开关频率，减少换流器损耗，同时还能减少排序问题所带来的系统运行性能恶化等问题。
【专利说明】—种混杂式圖C电容电压的均衡控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统控制【技术领域】，具体涉及一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法。
【背景技术】
[0002]自2001年德国慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquardt教授提出模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)后,世界各国专家学者对其开展了广泛而深入的研究。在半桥MMC基础上，全桥MMC采用全桥型子模块级联而成，实现了直流电压、直流电流四象限运行，从而具有更加灵活和优越的特性。但是，与相同容量和电压等级的半桥MMC相比，全桥MMC使用的电力电子器件几乎为其两倍。由半桥子模块和全桥子模块构成的混杂式MMC综合了两种拓扑的优点，每个桥臂均由半桥子模块和全桥子模块混合级联而成，既能实现换流站降压运行、直流故障自清除问题，还能降低投资成本，是未来MMC工程发展的重要方向。
[0003]快速实现混杂式MMC拓扑中各个子模块电容电压的均衡控制，使得能量在整个换流器中均勻分配，是该拓扑实现的关键技术之一。对于半桥MMC拓扑的电容电压控制策略，屠卿瑞、徐政、郑翔等提出过一种优化的模块化多电平换流器电压均衡控制方法(电工技术学报，2011，26 (5):15-20.)，该策略在考虑子模块初始状态的情况下，根据桥臂电流的方向以及输出电压的变化选取需要投入或者切除的子模块。该策略可以大大降低子模块的开关频率，避免随意投切，但与现有其他策略一样，并不适用于混杂式MMC拓扑的子模块电容电压均衡控制。混杂式MMC拓扑桥臂同时包含半桥子模块与全桥子模块，因此其子模块不仅可以输出正电平、零电平，还可输出负电平。这三种电平的存在使得投切方法更为复杂多样，电容电压平衡策略需要进行重新设计。
【发明内容】
[0004]针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，在维持子模块电容电压稳定运行的同时能够有效降低子模块的开关频率，减少换流器损耗。
[0005]一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，包括如下步骤:
[0006](I)对于混杂式MMC的任一桥臂，建立关于子模块投切状态的三个记录库:正投入记录库、负投入记录库和切除记录库；在初始时刻，对桥臂内的各子模块进行检测，并将输出电平为正、负或零的子模块对应分配至正投入记录库、负投入记录库和切除记录库中；
[0007](2)对于当前时刻，检测桥臂各子模块的电容电压以及桥臂电流iam，并确定桥臂子模块电容电压的最大值Usm max和最小值Usm min ；
[0008](3)利用最近电平调制方法计算出当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm _，判断桥臂子模块电容电压的最大偏差AU:
[0009]gAUSA Uref,则对桥臂进行子模块重投操作，并对各记录库进行更新；[0010]若AU < Λ Uref，则执行步骤(4)；
[0011]其中:AU= Usffljiax-Usffljlin, AUref为预设的桥臂子模块电容电压允许偏差；
[0012](4)使当前时刻—桥臂所需投入的电平数Mm nmt减去上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last，得到桥臂电平差Mdiff ;进而对桥臂进行子模块投切操作，并对各记录库进行更新。
[0013]对于桥臂内的任一半桥子模块，其输出电平为U。或O且对应正向投入状态或切除状态；对于桥臂内的任一全桥子模块，其输出电平为U。、-U。或O且对应正向投入状态、负向投入状态或切除状态；故正投入记录库和切除记录库中包含有半桥子模块、全桥子模块或者半桥子模块和全桥子模块两种类型的子模块，而负投入记录库中只包含有全桥子模块。
[0014]所述的步骤⑵中确定桥臂子模块电容电压的最大值Usm _和最小值Usm min的具体实现方法为:首先，任取桥臂中两个子模块进行电容电压比较，令较大的电容电压为Usm_，较小的电容电压为Usmjlin ;然后，使桥臂中其他子模块的电容电压与Usmjiax和Usmjin逐一进行比较，从而更新Usm max和Usnuilin ;直至完成所有比较后,最后使Usm max和Usnuilin分别作为桥臂子模块电容电压的最大值和最小值。
[0015]所述的步骤(3)中对桥臂进行子模块重投操作的具体实现方法如下:
[0016]若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mmnmt > 0，且桥臂电流iam > O ;则对桥臂各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入桥臂中电容电压最低的Mm nOT个子模块，同时切除其他子模块；
[0017]若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt > 0，且桥臂电流iam ( O ;则对桥臂各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入桥臂中电容电压最高的Mm nOT个子模块，同时切除其他子模块；
[0018]若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt ( 0，且桥臂电流iam > O ;则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最高的|MmnOT|个全桥子模块，同时切除其他子模块；
[0019]若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt ( 0，且桥臂电流iam ( O ;则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最低的|Mm nOT|个全桥子模块，同时切除其他子模块。
[0020]所述的步骤(4)中对桥臂进行子模块投切操作的具体实现方法如下:
[0021 ] 在桥臂电平差Mdiff = O情况下，不对桥臂中的子模块进行投切操作，且使各子模块维持上一时刻的投切状态；
[0022]在桥臂电平差Mdiff > O情况下:
[0023]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,且桥臂电流iam > O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最低的Mdiff个子模块；
[0024]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,且桥臂电流iam ( O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最高的Mdiff个子模块；
[0025]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mon now > O,且桥臂电流> O ;则首先切除桥臂中所有负向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最低的Mm nOT个子模块；
[0026]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mon now > O,且桥臂电流( O ;则首先切除桥臂中所有负向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最高的Mm nOT个子模块；
[0027]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Monnow ( 0，且桥臂电流iam > O ;则对负投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最低的Mdiff个子模块；
[0028]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Monnow ( 0，且桥臂电流iam ( O ;则对负投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最闻的Mdiff个子|旲块；
[0029]在桥臂电平差Mdiff < O情况下:
[0030]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,且桥臂电流iam > O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最高的
Mdiff I个全桥子模块；
[0031]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,且桥臂电流iam ( O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最低的
Mdiff I个全桥子模块；
[0032]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Monnow > 0，且桥臂电流iam > O ;则对正投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最闻的|Mdiff|个子|旲块；
[0033]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Monnow > 0，且桥臂电流iam ( O ;则对正投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最低的IMdiffI个子模块；
[0034]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mon now^O,且桥臂电流> O ;则首先切除桥臂中所有正向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最高的|Mm—nOT|个全桥子模块；
[0035]若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mon now ( O,且桥臂电流( O ;则首先切除桥臂中所有正向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最低的I Mm—nOT I个全桥子模块。
[0036]本发明均衡控制方法的有益技术效果如下:
[0037](I)本发明考虑混杂式模块化多电平换流器特点，提出任何时刻桥臂内不同时存在正投入子模块和负 投入子模块原则，根据桥臂子模块的初始状态、桥臂电平数量变化及桥臂电流方向综合考虑，确定子模块投切的数量和编号，避免大范围子模块投切引起子模块开关频率较高的问题，仅让最需要投切的子模块进行动作能够有效降低子模块的开关频率，进而降低开关损耗。
[0038](2)本发明引入子模块电压最大偏差参考AUMf指标，当子模块电压最大偏差越限时，通过重投操作平衡桥臂电容电压，维持了各子模块的能量均衡，有效控制电容电压幅值的波动限定在一定范围内。
[0039](3)本发明方法只需在换流器启动时刻以及电压偏差过大时进行子模块全排序，之后仅需对某个记录库中的子模块进行排序操作，从而有效减少了控制所需时间，提高响应速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0040]图1 (a)为MMC的结构示意图。
[0041]图1 (b)为MMC任一桥臂的结构示意图。
[0042]图1(c)为半桥子模块的结构示意图。
[0043]图1(d)为全桥子模块的结构示意图。
[0044]图2为混杂式双极直流输电系统的主回路仿真模型示意图。
[0045]图3为本发明均衡控制方法的流程示意图。
[0046]图4(a)为采用本发明方法MMC子模块电容电压的波形图。
[0047]图4(b)为采用本发明方法MMC桥臂子模块电容电压最大偏差的波形图。
[0048]图4(c)为采用本发明方法MMC半桥子模块触发信号的波形图。
[0049]图4(d)为采用本发明方法MMC全桥子模块触发信号的波形图。
[0050]图4(e)为未采用本发明方法MMC半桥子模块触发信号的波形图。
【具体实施方式】
[0051 ] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案进行详细说明。
[0052]图1给出了混杂式模块化多电平换流器的结构示意图。混杂式模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由一个桥臂串联电感和若干个半桥子模块与全桥子模块级联而成。其中半桥子模块和全桥子模块的比例视工程要求而定。每个半桥子模块包括一个电容C，两个IGBT管T1、T2和两个二极管D1、D2组成；其中，IGBT管Tl的集电极与IGBT管T2的发电极各和电容C的一端相连，IGBT管Tl的发射极与IGBT管T2的集电极相连且为半桥子模块的一端(A端)，IGBT管T2的发射极和电容C的一端相连,为半桥子模块的另一端(B端)。每个全桥子模块包括一个电容C、四个IGBT管Tl?T4和四个二极管Dl?D4组成；其中，IGBT管Tl的集电极与IGBT管T2的集电极和电容C的一端相连，IGBT管Tl的发射极与IGBT管T3的集电极相连且为全桥子模块的一端(A端)，IGBT管T3的发射极与IGBT管T4的发射极和电容C的另一端相连，IGBT管T2的发射极与IGBT管T4的集电极相连且为全桥子模块的另一端(B端)。
[0053]表I给出了图1中半桥子模块的工作状态。从表中可以看出，半桥子模块能够输出两种电平+ue(+l)和0，依次对应正向投入状态和切除状态。不同的状态，不同的电流方向决定了子模块电容电压的充放电情况。
[0054]表I
【权利要求】
1.一种混杂式MMC电容电压的均衡控制方法，包括如下步骤: (1)对于混杂式MMC的任一桥臂，建立关于子模块投切状态的三个记录库:正投入记录库、负投入记录库和切除记录库；在初始时刻，对桥臂内的各子模块进行检测，并将输出电平为正、负或零的子模块对应分配至正投入记录库、负投入记录库和切除记录库中； (2)对于当前时刻，检测桥臂各子模块的电容电压以及桥臂电流，并确定桥臂子模块电容电压的最大值Usm max和最小值Usm min ； (3)利用最近电平调制方法计算出当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm_，判断桥臂子模块电容电压的最大偏差AU: 若AUS AUref,则对桥臂进行子模块重投操作，并对各记录库进行更新； 若AU < ΛUref，则执行步骤⑷； 其中:AU = Usm max-Usm min, AUref为预设的桥臂子模块电容电压允许偏差； (4)使当前时刻桥臂所需投入的电平数兄?_减去上一时刻桥臂所需投入的电平数Mmlast，得到桥臂电平差Mdiff ;进而对桥臂进行子模块投切操作，并对各记录库进行更新。
2.根据权利要求1所述的均衡控制方法，其特征在于:对于桥臂内的任一半桥子模块，其输出电平为U。或O且对应正向投入状态或切除状态；对于桥臂内的任一全桥子模块，其输出电平为U。、-Uc或O且对应正向投入状态、负向投入状态或切除状态；故正投入记录库和切除记录库中包含有半桥子模块、全桥子模块或者半桥子模块和全桥子模块两种类型的子模块，而负投入记录库中只包含有全桥子模块。
3.根据权利要求1所述的均衡控制方法，其特征在于:所述的步骤(2)中确定桥臂子模块电容电压的最大值Usmmax和最小值Usm min的具体实现方法为:首先，任取桥臂中两个子模块进行电容电压比较，令较大的电容电压为Usmmax，较小的电容电压为Usmmin ;然后，使桥臂中其他子模块的电容电压与Usm max和Usm min逐一进行比较，从而更新Usm max和Usm min ;直至完成所有比较后，最后使Usm _和Usm min分别作为桥臂子模块电容电压的最大值和最小值。
4.根据权利要求1所述的均衡控制方法，其特征在于:所述的步骤(3)中对桥臂进行子模块重投操作的具体实现方法如下: 若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt > O，且桥臂电流iam > O ;则对桥臂各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入桥臂中电容电压最低的Mm nOT个子模块，同时切除其他子模块； 若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt > O，且桥臂电流iam ( O ;则对桥臂各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入桥臂中电容电压最高的Mm nOT个子模块，同时切除其他子模块； 若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt ( O，且桥臂电流iam > O ;则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最高的|Μ?|个全桥子模块，同时切除其他子模块； 若当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt ( O，且桥臂电流iam ( O ;则对桥臂各全桥子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入桥臂中电容电压最低的|Μ?|个全桥子模块，同时切除其他子模块。
5.根据权利要求1所述的均衡控制方法，其特征在于:所述的步骤(4)中对桥臂进行子模块投切操作的具体实现方法如下:在桥臂电平差Mdiff = O情况下，不对桥臂中的子模块进行投切操作，且使各子模块维持上一时刻的投切状态； 在桥臂电平差Mdiff > O情况下: 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,且桥臂电流iam > O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最低的Mdiff个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,且桥臂电流iam ( O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最高的Mdiff个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt>O，且桥臂电流iam > O ;则首先切除桥臂中所有负向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最低的Mm nOT个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt>O，且桥臂电流iam ( O ;则首先切除桥臂中所有负向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而正向投入该记录库中电容电压最高的Mm nOT个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mmnow ( O，且桥臂电流> O ;则对负投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最低的Mdiff个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last ( O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mmnow ( O，且桥臂电流( O ;则对负投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最闻的Mdiff个子|旲块； 在桥臂电平差Mdiff < O情况下: 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mrauast ( O，且桥臂电流iam > O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最高的Mdiff I个全桥子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mrauast ( O，且桥臂电流iam ( O ;则对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最低的Mdiff I个全桥子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt>O，且桥臂电流iam > O ;则对正投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最高的IMdiffI个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mm nmt>O，且桥臂电流iam ( O ;则对正投入记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而切除该记录库中电容电压最低的IMdiffI个子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O，当前时刻桥臂所需投入的电平数Mmnow ( O，且桥臂电流iam > O ;则首先切除桥臂中所有正向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最高的|M?|个全桥子模块； 若上一时刻桥臂所需投入的电平数Mm last > O,当前时刻桥臂所需投入的电平数Mmnow ≤ O，且桥臂电流iam ≤ O ;则首先切除桥臂中所有正向投入的子模块，并对各记录库进行更新；然后对切除记录库中的各子模块按电容电压从高到底进行排序，进而负向投入该记录库中电容电压最低的I Mm—nOT I个全桥子模块。
【文档编号】H02M7/5387GK103956925SQ201410172233
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月28日 优先权日:2014年4月28日
【发明者】徐政, 董桓锋, 刘高任, 许烽, 周煜智 申请人:浙江大学