一种模块化多电平子模块均压控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种模块化多电平子模块均压控制方法。本发明实现了模块化多电平子模块电容电压的均衡控制，是一种高简单、可靠性控制方法。

背景技术：

模块化多电平变换器(modularmultilevelconverter，mmc，如图1所示)具有模块化结构，易于扩展，设计灵活，在中高压领域具有十分广阔的应用前景。为了实现在中高压领域中的应用，其需要较多子模块。但由于桥臂存在环流，在运行过程中会导致各子模块电压不相等，进而导致系统运行损耗、谐波等增加。

作为mmc核心技术之一，各种均压策略已被很多学者提出、完善。专利cn103929081a《一种用于模块化多电平换流器的子模块均压方法》、专利cn105375801a《一种模块化多电平换流器均压控制方法》等提出采样子模块电容电压与桥臂电流，根据电流方向和电容电压决定子模块的开关状态；专利cn103888003a《一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法》、专利cn103280990a《一种模块化多电平换流器的均压方法》等提出根据子模块电压大小将其排序，并根据桥臂电流方向决定其开关状态。但这些方案均需要采样子模块电压，同时需要上传子模块电压值，增加了通讯量和采样模块，直接导致了系统硬件电路更加复杂、成本增加，可靠性较低，同时需要对采样后的电压进行排序或pi运算增加了主控的运算量。而且上述文献中为了实现均压，需要采样桥臂电流并据此判断电流方向。但在实际电路中，桥臂电流并不是理论电流(会包含大量的谐波等)，而且采样会引起一定的误差，以上因素将导致桥臂电流有很多处过零点(即在过零点处电流方向会变化多次)，导致出现较大的误差等。

为此，提出一种高可靠、低成本的均压控制策略，对模块化多电平变换器的应用与推广具有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种模块化多电平子模块均压控制方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种模块化多电平子模块均压控制方法，是通过轮换上、下桥臂子模块的导通顺序，使其无需采样子模块电压即能实现电压均衡控制目标；具体如下：

确保上、下桥臂中每个子模块中的上、下功率开关器件的导通角互补，且不会同时导通；采用n+1电平载波移相正弦脉宽调制策略来生成各子模块功率开关器件的驱动信号，n代表每个桥臂子模块的个数；所述电平载波移相正弦脉宽调制策略是指，上、下桥臂内相邻子模块的三角载波分别依次移相2π/n弧度，并且上、下桥臂的调制波相位相差π弧度。

本发明中，在采用n+1电平载波移相正弦脉宽调制策略来生成各子模块功率开关器件的驱动信号时，就各子模块对应的用于生成驱动信号的三角载波而言：

(1)在初始时刻，使第一个子模块的三角载波的初始相角为0，第二个子模块的三角载波相对于前者相移2π/n，第三个子模块的三角载波相对于第二个子模块的三角载波相移2π/n；以此类推，第n个子模块的三角载波相对于第n-1个子模块的三角载波相移2π/n；以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s(50hz)；

(2)在0.02s时刻，轮换上、下桥臂中各子模块所对应的驱动信号，具体是：

使第二个子模块的三角载波的初始相角为0，第三个子模块的三角载波相对于前者相移2π/n，第四个子模块的三角载波相对于第三个子模块的三角载波相移2π/n；以此类推，第n个子模块的三角载波相对于第n-1个子模块的三角载波相移2π/n；第一个子模块的三角载波相对于第n个子模块的三角载波相移2π/n；以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s；

(3)0.04s时刻，再次轮换上、下桥臂中各子模块所对应的驱动信号，具体是：

使第三个子模块的三角载波的初始相角为0，第四个子模块的三角载波相对于前者相移2π/n；以此类推，第n个子模块的三角载波相对于第n-1个子模块的三角载波相移2π/n；第一个子模块的三角载波相对于第n个子模块的三角载波相移2π/n，第二个子模块的三角载波相对于第一个子模块的三角载波相移2π/n；以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s；

(4)参照步骤(1)～(3)的方式，每隔0.02s轮换一次上、下桥臂中各子模块所对应的驱动信号；在0.02s×(n-1)时刻，各桥臂子模块三角载波的相角关系是：使上、下桥臂中各自第n个子模块的三角载波的初始相角为0，第一个子模块的三角载波相对于第n个子模块的三角载波相移2π/n，第二个子模块的三角载波相对于第一个子模块的三角载波相移2π/n，其余各子模块的三角载波之间的相角关系以此类推；以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s；

(5)在0.02s×n时刻完成一个周期的驱动信号的轮换，此刻的驱动信号与步骤(1)中相同。

本发明中，所述第一个子模块是指桥臂中最上面的子模块，依次向下为第二个子模块、第三个子模块等等，最下面一个子模块为第n个子模块。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用n+1电平载波移相正弦脉宽调制策略生成上、下桥臂子模块功率开关器件的驱动信号，并以一个工频周期的频率(0.02s)轮换各驱动信号所对应的子模块功率开关器件，从而达到均压的目的。

2、本发明无需采样子模块电容电压，减少了系统的通讯线路，并省去了电压采集模块，进而提高了系统可靠性。

附图说明

图1是传统模块化多电平拓扑结构。

图2是n+1电平载波相移正弦脉宽调制策略示意图。

具体实施方式

以下结合附图详细描述本发明的实施方式。

图1是传统模块化多电平拓扑结构，由现有文献可知，模块化多电平桥臂电流主要包含直流分量、基频分量和二倍频分量，其表达方式如下：

式中，x＝a,b,c，ipx、inx为上、下桥臂电流，idc为直流电流，ix为交流侧输出电流幅值，i2f为二倍频分量幅值，ω为电网电压角频率，为功率因数角，为二倍频初相角，t为时间。

子模块电容电压值与充放电时间及充放电电流有关。由于本发明采用的是载波相移正弦脉宽调制策略，可知各子模块电容电压的充放电时间形同。此时，造成各子模块间电容电压不均衡的原因是充放电时刻的电流不同。由公式(1)可知，桥臂电流是一个周期函数，最小周期为工频周期，即，每间隔一个工频周期的充放电电流相同。为了实现均压，可按工频周期对子模块的驱动信号进行轮换。

下面以表1中桥臂子模块导通顺序为例，具体描述本发明的实施方式。

表1桥臂子模块导通顺序

以一个轮换周期为例，采用n+1电平载波移相正弦脉宽调制策略生成上、下桥臂子模块功率开关器件的驱动信号；具体轮换方式如下：

(1)初始时刻，上、下桥臂子模块各自第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波的初始相角为0，第二个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，第三个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第二个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，以此类推，第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第n-1个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s(50hz)；

(2)0.02s时刻，此时轮换桥臂子模块所对应的驱动信号，具体是：上、下桥臂子模块各自第二个子模块对应的生成驱动信号的三角载波的初始相角为0，第三个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第二个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，第四个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第三个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，以此类推，第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第n-1个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s；

(3)0.04s时刻，轮换桥臂子模块所对应的驱动信号，具体是：上、下桥臂子模块各自第三个子模块对应的生成驱动信号的三角载波的初始相角为0，第四个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第三个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，以此类推，第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第n-1个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，第二个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s；

(4)每隔0.02s轮换一次桥臂子模块所对应的驱动信号，在0.02s×(n-1)时刻，此时桥臂子模块对应的生成驱动信号的三角载波的相角关系是：上、下桥臂子模块各自第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波的初始相角为0，第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第n个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，第二个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相对于第一个子模块对应的生成驱动信号的三角载波相移2π/n，其余子模块对应的生成驱动信号的三角载波的相角关系以此类推，以上驱动信号的驱动顺序持续0.02s；

(5)在0.02s×n时刻完成一个周期的驱动信号的轮换，此刻的驱动信号与步骤(1)相同。