一种模块化多电平换流器的双载波调制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及模块化多电平换流器，特别是一种模块化多电平换流器的双载波调制 方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器（Mo化IarMultilevelConveners，MMC)具有高度模块化、 易拓展、易实现冗余、高效率、谐波特性好、能实现四象限运行等特点，目前已成为中高压应 用领域最具吸引力的多电平拓扑结构，在柔性直流输电、电机驱动、电能质量治理等领域具 有广泛的应用前景。
[0003] 多电平调制技术与电容电压平衡控制方法是模块化多电平换流器稳定高效运行 的关键技术。目前MMC的调制技术主要包括特定谐波消除法、空间矢量调制、最近电平逼近 调制、载波移相调制、载波同相层叠调制。其中特定谐波消除法具有输出波形质量好、开关 损耗低等特点，但是由于计算复杂，通常采用离线查表法进行控制，动态性能差；空间矢量 调制具有直流电压利用率高等特点，但是随着输出电平数的增加，其运算复杂性W指数级 增加，仅适合输出电平数较少的应用场合；最近电平逼近调制具有运算量小、易于实现等特 点，适用于子模块数较多的应用场合，但是当应用于模块数较低的场合时，输出波形质量较 差；载波移相调制具有等效开关频率高、子模块能量分配较为均衡等优点，但是每个子模块 均需附加电容电压平衡控制器，当子模块数较多时，系统控制器的设计变得复杂，同时附加 的控制必然导致桥臂电流谐波含量的增加，严重时甚至威胁系统的稳定运行；载波同相层 叠调制策略具有良好的线电压谐波特性，但是传统的载波层叠调制应用于MMC时，难W实 现不同子模块间的功率均衡分配;MMC采用载波移相调制策略与载波同相层叠调制时，每 个子模块均需要一个对应的载波实现调制，运对于子模块数量很多的应用场合，例如柔性 直流输电等应用场合，控制器设计将变得更加复杂，影响了系统的性能和稳定性。
[0004] 电容电压平衡控制是实现MMC稳定运行的必要条件，目前基于排序的电容电压平 衡控制方法应用较为广泛。电容电压平衡控制方法通常与MMC的调制策略结合在一起，首 先通过调制策略得到需要投入运行或切除的子模块数，再通过基于排序的电容电压平衡控 制方法，实现子模块电容电压的平衡控制。目前基于排序的电容电压平衡控制方法主要有 两种：传统的电容电压平衡控制方法和减少开关频率的电容电压平衡控制方法。传统的电 容电压平衡控制方法需要对所有子模块从大到小进行排序，再根据投入的子模块数、电压 大小和电流方向，对相应数量的子模块进行投切操作，计算量大并且开关损耗较高；减少开 关频率的电容电压平衡控制方法根据投入子模块数的变化量，仅对已投运的子模块或未投 运的子模块进行操作，减少了开关频率，但是减少开关频率的电容电压平衡控制方法仍然 需要对子模块从大到小进行排序，当子模块数量较大时，其运算量仍然较大，影响了控制系 统的性能。由于MMC在大多数运行工况下，并不需要对所有未投入运行或者已投运子模块 进行操作，在MMC稳定运行并且控制频率足够高时，MMC投入或切除子模块数的变化量通常 为+1、-1和0 ;在MMC暂态运行时，例如功率翻转等工况下，需要同时投入或切除多个子模 块，因此根据MMC的运行工况进行电容电压排序，即根据子模块投入或切除的变化量进行 排序，仅算得需要切除或投运的子模块，能在减少开关频率的基础上进一步减少运算量，提 局巧制系统的性能。
【发明内容】
[0005] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种模块化多电平换流 器的双载波调制方法。
[0006] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模块化多电平换流器的 双载波调制方法，模块化多电平换流器包括=相六个桥臂，每相包括上桥臂和下桥臂，所述 上桥臂和下桥臂包括N个串联的半H桥型子模块与电抗，所述半H桥子模块包括一个开关 臂和一个与所述开关臂并联的电容，所述开关臂包括两个串联的开关管，该方法包括W下 步骤：
[0007] 1)通过双载波调制分别得到模块化多电平换流器曰，b，C=相上桥臂和下桥臂需 要投入的半H桥型子模块数和#^""，进一步得到第k个控制周期需要投入的半H桥型 子模块数变化量；其中下标Pj表示j相上桥臂，nj表示j相下桥臂，jG[a,b，C]，上标dcm表示双载波调制，kG[0, 1，…，n];
[000引 2)检测各个半H桥型子模块电容电压和各桥臂电流，根据投入子模块变化量的绝 对值，判断其运行工况，并通过电容电压平衡控制方法，实现电容电压平衡控制。
[0009] 所述步骤1)的具体实现过程包括W下步骤：
[0010] 1)将第j相上桥臂和下桥臂的参考电压Z皆和<分别除WH桥型子模块电容电 压平均值UC，得到上桥臂和下桥臂的调制波喘"和締"，并分别对皆"和皆M进行向下取 整运算，得到需要投入运行的H桥型子模块数的整数部分和;
[0011] 2)将第j相上桥臂的参考电压U；；/'减去整数部分的UC倍，将下桥臂的参考电 压 < 减去整数部分的UC倍，得到上桥臂和下桥臂参考电压的余数部分。;和诚。'1 ; [001引 3)使用S角载波Wj和Mf分别对上桥臂和下桥臂进行调制，場''和<严之间的移 相角为n，将上桥臂和下桥臂参考电压的余数部分Wjd和0异d分别与载波!皆和I嗦''进行 比较，得到上桥臂和下桥臂输出的PWM部分~'r"和或r;
[0013] 4)分别将上桥臂和下桥臂对应的整数部分和PWM部分相加，得到上桥臂和下桥臂 的多电平脉冲，即得到需要投入的H桥型子模块数"'和。
[0014] 上桥臂和下桥臂的S角载波和的计算公式分别为：
[0015]
[0016]
[0017] 其中，CO。表示S角载波的角频率，U徒示子模块电容的平均值，m= 0, 1，…，n。 所述步骤2)的具体实现过程包括W下步骤：
[0018] 1)检测各个H桥型子模块电容电压，并依次存入数组U。[闲，将各个H桥型子模 块的编号依次存入数组L[闲，将各个半H桥型子模块的投入和切除状态存入数组S[闲；其 中，iG1，2,…，N，N表示H桥型子模块个数；
[0019] 。当IAN化）I《1时，若AN(k) = 0,则保持当前的半H桥型子模块开关状态不 变；若AN(k) = 1并且桥臂电流1。"> 0,此时依次比较未投运半H桥型子模块电容电压， 得到未投运半H桥型子模块中电容电压最小的半H桥型子模块》7和及其对应的编号巧T， 则将编号为的半H桥型子模块投入运行，并将其状态置1 ;若AN(k) = 1并且桥臂电流 1。《< 0,则此时通过比较得到未投运半H桥型子模块中电容电压最大值和及其对应的 编号马;％则将编号为^^的半H桥型子模块投入运行，并将其状态置1 ;若AN(k) = -1并 且桥臂电流1。《> 0，此时通过比较得到已投运半H桥型子模块电容电压，得到电容电压最 大值媒&及其对应的半H桥型子模块编号巧,&，将编号为巧r的半H桥型子模块切除，并将 其状态清零；若AN(k) =-1并且桥臂电流1。"< 0,此时通过比较已投运半H桥型子模块电 容电压，得到电容电压最小值媒f及其对应的半H桥型子模块编号ISf，将编号为马T的半H 桥型子模块切除，并将其状态清零；当IAN化）I> 1时，若AN(k) > 1并且桥臂电流igfm >0,则依次比较未投入运行的半H桥型子模块的电容电压，得到电容电压最小的IAN(k) 个半H桥型子模块，分别将其电压和编号从小到大存入数组Uw[闲和Lwf[闲，并将运些半H 桥型子模块的状态置1，投运电容电压最小的IAN化）I个半H桥型子模块；若AN(k) > 1 并且0,则依次比较未投入运行的半H桥型子模块的电容电压，得到电容电压最大的 AN化）I个半H桥型子模块，分别将其电压和编号从大到小存入数组Uw[闲和Lwf[闲，并 将运些半H桥型