一种模块化多电平换流器的低调制度控制方法
【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低调制度控 制方法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器(Modular Multilevel Conveners，MMC)具有高度模块化、 易拓展、谐波性能好、效率高和具有公共直流侧等特点，目前已成为最具应用前景的多电平 拓扑结构之一，在柔性直流输电工程领域得到了推广应用，同时在中高压电机驱动、电能质 量控制等领域具有良好的应用前景。
[0003] MMC应用于柔性直流输电、电机驱动、静止无功发生器和有源电力滤波器等场合 时，在一些工况下，MMC会工作于低调制度区域，例如，当MMC应用于输送风力发电和光伏发 电的柔性直流输电工程时，由于风力和光伏发电具有不稳定性和间歇性，MMC在一些工况下 会工作于低调制度下；当MMC应用于电机驱动时，在一些工况下其负载仅为额定功率的一部 分;当MMC应用于静止无功发生器和统一潮流控制器等场合，也会存在低调制度的工况。
[0004] 现有的模块化多电平换流器调制技术主要包括最近电平逼近调制、载波移相调制 和载波同相层叠调制方法等，当MMC工作于低调制度工况下时，运=种调制方法均存在一个 问题:输出电平数减少，谐波特性较差，难W保证匪C在低调制度工况下保持高效和稳定地 运行。
【发明内容】
[000引针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种模块化多电平换流器的低调制度控制 方法包括W下步骤：
[0006] 1)根据模块化多电平换流器上桥臂和下桥臂参考电压，分别判断上桥臂和下桥臂 参考电压所在的调制区间，得到=角载波之间的交叠比例、开关频率和幅值，通过优化的脉 宽调制方法分别得到上桥臂和下桥臂需要投入的子模块数；
[0007] 2)根据=相上桥臂和下桥臂需投入的子模块数、桥臂电流、子模块电容电压和开 关状态，通过电容电压平衡控制方法，实现电容电压平衡控制。
[0008] 所述步骤1)的具体实现过程包括W下步骤：
[0009] 1)将X相上桥臂和下桥臂的参考电压材和除W直流侧额定电压Udc,分别得 到上桥臂和下桥臂参考电压的调制度Mux和Mix,然后根据上桥臂和下桥臂参考电压所在的 调制区间，得到S角载波的幅值A、角频率和载波之间的交叠比例p;xe(a，b，c)，表示a, b，cS 相；
[0010] 2)将上桥臂和下桥臂的参考电压分别与上桥臂和下桥臂的N个S角载波进行比 较，若参考电压大于一个=角载波，则输出一个高电平，否则输出0电平，并将N个输出的电 平相加，得到当前控制周期上桥臂和下桥臂需投入的子模块数nux和nix。
[0011] 当上桥臂和下桥臂参考电压均处于高调制度时，=角载波的幅值A、角频率CO C和 载波之间的交叠比例P如下式所示： 'A = Ul
[0012] <巧'二 2似； 戶二日
[001引否则，当任一桥臂参考电压处于低调制度时，S角载波的幅值A、角频率CO。和载波 之间的交叠比例P如下式所示：
[0015]其中N表示单个桥臂子模块个数，Uc表示子模块电容的额定值，函数flooH)表示 向下取整运算，《表示低调制度时=角载波的角频率，k的取值根据子模块电容电压额定值 与子模块数N而定，ke[l，2,…，10]。
[0016] 高调制度即Mux〉0.5并且Mix〉0.5;低调制度包括S种情况:Mux含0.5并且Mix含0.5、 Mux含0.5并且Mix〉0.5、Mux〉0.5并且Mix < 0.5;下标中U、1分别表示上桥臂和下桥臂。
[0017]设上桥臂和下桥臂=角载波之间的移相角为n，上桥臂和下桥臂第n个=角载波 货S和< 的计算公式分别为：
[0020] 上式中ne[l，…，N];m = 0，l，2,…，表示第m个S角载波周期。
[0021] =相上桥臂和下桥臂的电容电压平衡控制方法相同，单个桥臂电容电压平衡控制 方法的具体实现过程包括W下步骤：
[0022] 1)检测桥臂各个子模块电压瞬时值，依次存入数组化[N]，检测桥臂电流im，将各个 子模块的开关状态存入数组K[N]，将各个子模块的编号存入数组B[N];
[0023] 第i个子模块的开关状态如下式所示： 「 1 片，子模块投入运行
[0024] 邱'I = '*! ; 1〇，子模块切除
[0025] 其中i = l，2,…，N;
[0026] Son表示已投运的子模块数:Son = K山+1([2]+-+1(肌；5册表示桥臂未投运的子模 块数:Soff = N-Son;将Son个已投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uon阳巧日Ron[N]的 前Son个元素，将Soff个未投运子模块的电容电压和编号分别存入数组Uoff阳]和R〇ff[N]的前 Snff个元素；
[0027] 2)判断桥臂需要投入的子模块数n。。与已投运子模块数Son的大小，若nDn>S。。，则当 im〉0时，依次比较未投运的Soff个子模块电容电压，得到未投运子模块电容电压的最小值 巧T及其对应的编号攝"，将编号为的子模块投入运行，并将该子模块开关状态置1，然 后将已投运子模块数S。。加1，未投运子模块数Soff减1;当im<0时，依次比较未投运的Soff个子 模块电容电压，得到未投运子模块电容电压最大值Kr及其对应的子模块的编号R：r，将编 号为AT的子模块投入运行，将其开关状态置1，并将已投运子模块数S。。加1，未投运子模块 数Soff减1 ;
[0028] 若n〇n<S。。，则当im〉0时，依次比较Son个已投运子模块的电容电压，得到已投运子 模块电容电压最大值KT及其对应的子模块的编号原T，将编号为我T的子模块切除，将其 开关状态清零，并将已投运子模块数Son减1，将未投运的子模块数Soff加1;当im<0时，依次比 较S。。个已投运子模块的电容电压，得到已投运子模块电容电压最小值ur及其对应的子模 块编号iC"，将编号为％1"的子模块切除，将其开关状态清零，并将已投运子模块数S。。减1， 将未投运的子模块数Soff加1;
[0029] 若non = Son时，保持当前开关状态不变。
[0030] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为:本发明应用于模块化多电平换流 器时，在开关频率相同的条件下，在低调制度下谐波性能优于载波同相层叠调制，在高调制 度时谐波特性与载波同相层叠谐波特性相同，实现了模块化多电平换流器在整个调制区间 谐波特性最优化，提升了系统性能。电容电压平衡控制无需排序，仅需得到未投运或已投运 子模块电容电压最大值或最小值，减少了计算量，实现了电容电压的平衡控制。
【附图说明】
[0031 ]图1是模块化多电平换流器的主电路结构图；
[0032] 图2是半H桥型子模块的电路结构图；
[0033] 图3是模块化多电平换流器的低调制度控制方法示意图；
[0034] 图4是优化脉宽调制方法示意图；
[0035] 图5是单个桥臂的电容电压平衡控制示意图。
【具体实施方式】
[0036] 图1为模块化多电平换流器的主电路结构图，MMC由=相六桥臂组成，每一相包括 上桥臂和下桥臂，每个桥臂包括串联的N个半H桥型子模块和连接电抗L。图2为半H桥型子模 块的电路结构图，包括一个开关臂和一个与开关臂并联的电容，开关臂包括两个串联的开 关管；
[0037] 图3为模块化多电平换流器的低调制度控制方法示意图，包括优化脉宽调制方法 和电容电压平衡控制方法，包括W下步骤：
[0038] 1)根据上桥臂和下桥臂参考电压，分别判断其所在的调制区间，得到S角载波之 间的交叠比例、开关频率和幅值，通过优化脉宽调制方法分别得到上桥臂和下桥臂需要投 入的子模块数；
[0039] 2)根据上桥臂和下桥臂需投入的子模块数、桥臂电流、子模块电容电压和开关状 态，通过电容电压平衡控制方法，实现电容电压平衡控制；
[0040] 数组Uux[i]表示检测得到的X相上桥臂第i个子模块的电容电压，数组uix[i]表示 检测得到的X相下桥臂第i个子模块的电容电压，iux表示X相上桥臂电流，ilx表示X相下桥臂 电流，其中i表示子模块编号，iE[l ，N] ;xe[a，b，c]，表示a，b，cS相。
[0041] 图4为优化脉宽调制方法的示意图，其具体实现过程包括W下步骤：
[0042] 1)将X相上桥臂和下桥臂的参考电压和材f除W直流侧额定电压Udc,分别得 到其调制度Mux和化X，然后根据其所在的调制度区间，得到S角载波的幅值A、角频率CO。和载 波之间的交叠比例P。
[0043] 当S相上桥臂和下桥臂参考电压均处于高调制度时(Mux〉0.5并且化x〉0.5)时，S 角载波的幅值A、角频率CO。和载波之间的交叠比例P如下式所示： ^ A 二 Uc.
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[004引否则，当S相任一桥臂参考电压处于低调制度(低调制度包括S种情况:Mux< 0.5 并且Mix < 0.5、Mu