一种模块化多电平换流器及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化多电平换流器及其控制方法，提出一种新的模块化多电平的控制方案，这种控制策略无论从控制算法还是从控制结构上都是一种新的模式；采用了阀组间通讯的方式，通过相邻阀组间的通讯，实现整个桥臂的电压共享，即每个阀组都可以从相邻阀组获得其他任意一个阀组的电压信号；每个阀组知道本阀组的电压排名后就可实现对子模块的精确控制，并由此实现了阀组电压的稳定，并且针对通信间出现故障的情况，通过算法使得系统在单路通讯中断的情况下仍能稳定运行增强了系统的稳定性。
【专利说明】
一种模块化多电平换流器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种模块化多电平的控制方法，属于电力电子技术领域，主要针对模 块数较多的情况，多应用于高压大功率场合。
【背景技术】
[0002] 随着基于电压源型变换器的高压直流输电系统在电力系统中的推广应用，其核心 部分的高压大功率电压型变压器也成为当下的研究的方向和热点。轻型直流输电在解决交 流系统不能同步互联，向无缘负荷供电，满足环境保护等发面具有很大的优势。MMC是一种 新型级联型多电平变换器，拓扑结构高度模块化，且具有直流公共母线，因此非常适用于直 流输电系统。模块化多电平(MMC)以特有的结构优势，改变传统多电平变换器的不足之处。
[0003] 可是由于模块化多电平换流器是通过功率单元阀组中的悬浮直流电容电压值对 直流侧电压进行分压，并且提供合成交流输出电压所需的电压台阶，因此阀组电容电压的 稳定对MMC的可靠运行非常重要。并且，当要求承压升高时，模块化数量必然随之增加，而对 于最近电平逼近法，一个好的控制策略对于控制电压的稳定、控制的速度和整个系统的稳 定起着至关重要的作用。
[0004] 在一些高压大功率的场合，其桥臂通常由几百个子模块级联而成。每个子模块的 控制都是分开的，导致了控制任务非常繁重，这就加大了对控制策略的要求。
[0005] 针对在模块化多电平换流器中阀组较多的情况，现今有效的控制方法并不多，而 在浙江大学的《一种模块化多电平换流器的控制系统及其应用方法》专利中提出了两级级 控制的方法，即分为主控单元控制阀组和阀组内部控制，阀组电压分别传入主控模块，主控 模块再将控制信号反馈到每个阀组内，这种控制方法当某个阀组与主控的通讯中断后，系 统是无法稳定运行的。在本发明中，提出了一种相邻阀组间通讯的策略，进而实现了桥臂内 所有阀组的电压共享，避免了某路通讯中断导致系统不正常运行或者崩溃的情况。本发明 更是针对该通讯方式提出了 "饱和投入法"的控制算法，进而从整体上简化了系统的结构， 更进一步的减轻了控制模块的压力。
【发明内容】
[0006] 技术问题:本发明提出一种模块化多电平换流器及其控制方法，针对在高压大功 率场合下，模块化多电平换流器的应用，提高系统控制速度和系统稳定性。
[0007] 技术方案:一种模块化多电平换流器，包括Li个桥臂和Li个与桥臂 对应设置的 桥臂控制信号产生单元;所述桥臂控制信号产生单元能够产生对应桥臂需投入的总子模块 数量；
[0008] 每个桥臂包括η个阀组，每个阀组包含a个子模块和一个阀组控制单元;所述阀组 控制单元包括排序模块和子模块通断控制单元;所述排序模块能够计算本阀组内所有子模 块的电压平均值，接受桥臂上除本阀组外其他阀组计算得到的电压平均值，并按照电压平 均值的高低对阀组进行排序;所述子模块通断控制单元能够控制对应阀组内所有子模块的 投入和切除。
[0009]单个桥臂上的所有阀组之间两两电气隔离，单个桥臂上的相邻阀组之间利用通讯 光纤连接形成环路;此法从拓扑上很大的简化的通讯线路。即：每个阀组与两侧相邻的阀组 间分别连接一路输入通讯和一路输出通讯，使得任一阀组的任一路输入通讯或者输出通讯 中断后，该阀组另一侧都仍对应有一路输入通讯或者输出通讯连接，保持通讯。
[0010]进一步的，为简化模块内的控制，减轻控制单元的压力，并使整个系统更易操作， 现针对这种系统提出"饱和控制策略"，本发明还提供一种模块化多电平换流器的控制方 法，具体步骤如下：
[0011] 步骤一、桥臂控制信号产生单元产生对应桥臂需投入的总子模块数量L;
[0012] 步骤二、阀组控制单元计算本阀组内所有子模块的电压平均值，接受桥臂上除本 阀组外其他阀组计算得到的电压平均值，并按照电压平均值的高低对阀组进行排序；
[0013]步骤三、阀组投入数量的控制方法;具体如下：
[0014]
[0015] nl =L-MN
[0016] 其中:M为每个阀组的子模块数量，N为满投入的阀组的数量，nl为满投入完还需投 入的子模块数量；
[0017]步骤四、阀组投入子模块的分配方法;具体如下：
[0018] 当电流充电，即i>0时，电压平均值较低的N个阀组投入全部子模块，剩下的子模块 由电压平均值由低到高排在第N+1位的阀组投入；
[0019] 当电流放电，即i<0时，电压平均值较高的N个阀组投入全部子模块，剩下的子模 块则由电压平均值由高到低排在第N+1位的阀组投入。
[0020] 进一步的，满投入完还需投入的子模块的分配方法;具体如下：
[0021] 当电流充电，即i>0时，由电压平均值由低到高排在第N+1位的阀组内电压值较低 的η 1个子模块投入；
[0022] 当电流放电，即i<0时，由电压平均值由高到低排在第Ν+1位的阀组内电压值较高 的η 1个子模块投入。
[0023] 进一步的，现对其电路稳定性进行改进，使其在一路通讯中断的情况下仍可以稳 定运行。已知单个桥臂内阀组个数为η，那么一个阀组需接受的电压信号至少为η-1个，控制 每一路输入通讯或者输出通讯内的电压信号m> = n-l，则任一阀组的任一路输入通讯或者 输出通讯中断后，该阀组另一侧的输入通讯或者输出通讯都能够接收至少η-1个电压信号， 并将自身的电压信号传送至整个系统；即：仅断一条输入通讯或者输出通讯时，所有阀组通 讯都不会受到影响。
[0024] 有益效果：
[0025] (1)阀组间通信为相邻阀组间的信息传递，不相邻阀组则需要通过相邻阀组来传 递电压信息。每个阀组都可以从相邻阀组获得其他任意一个阀组的平均电压信号。且每个 阀组只要知道自己的平均电压排名，就能自主控制其子模块的动作。
[0026] (2)每个阀组从系统的层面来说都是独立且相同的，且是电气隔离的。
[0027] (3)阀组间通过共享接受到其他所有阀组的平均电压信号，精准的实现对子模块 的控制。
[0028] (4)在仅断一条通信通路时，所有阀组都不会受到影响。因为任何阀组都可以通过 两条支路接受到其他任意电压信号。在当一条通信通路中断时，与该通路相邻的阀组的电 压信号则可通过相邻的另一条通路共享给整个系统。
【附图说明】
[0029] 图1为4*4MMC三相模型；
[0030]图2为阀组内部控制原理图；
[0031]图3为系统控制原理图；
[0032]图4为仿真阀组电压信号共享原理图；
[0033]图5为子模块模型；
[0034]图6为上下桥臂投入子模块数量；
[0035]图7为单相MMC输出电压；
[0036]图8为上下桥臂输出电压；
[0037]图9为阀组内子模块电压值；
[0038] 图10为阀组间电压值；
[0039]图11为单个开关管的控制信号；
[0040]图12为每个阀组内投入子模块的数量；
[0041 ]图13为断开一路通讯单相MMC输出电压波形；
[0042]图14为系统结构图。
[0043]附加程序说明
[0044] 程序1为阀组内部排序程序；
[0045] 程序2为阀组内部的开关管控制程序；
[0046] 程序3为阀组内子模块个数控制程序；
【具体实施方式】
[0047] 下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0048] 如图1、14所不，一种模块化多电平换流器，包括Li个桥臂和Li个与桥臂 对应设 置的桥臂控制信号产生单元;所述桥臂控制信号产生单元能够产生对应桥臂需投入的总子 模块数量。
[0049] 每个桥臂包括η个阀组，每个阀组包含a个子模块和一个阀组控制单元;所述阀组 控制单元包括排序模块和子模块通断控制单元;所述排序模块能够计算本阀组内所有子模 块的电压平均值，接受桥臂上除本阀组外其他阀组计算得到的电压平均值，并按照电压平 均值的高低对阀组进行排序;所述子模块通断控制单元能够控制对应阀组内所有子模块的 投入和切除。具体如下:每个子模块包括上下两个互补导通的开关管（如图5所示），通过阀 组控制单元控制一个开关管导通时，子模块投入，另一个开关管导通时，子模块切除，从而 改变子模块的工作方式。
[0050] 单个桥臂上的所有阀组之间两两电气隔离，单个桥臂上的相邻阀组之间利用通讯 光纤连接形成环路;此法从拓扑上很大的简化的通讯线路。即：每个阀组与两侧相邻的阀组 间分别连接一路输入通讯和一路输出通讯，使得任一阀组的任一路输入通讯或者输出通讯 中断后，该阀组另一侧都仍对应有一路输入通讯或者输出通讯连接，保持通讯。
[0051]如图2、3所示，为简化模块内的控制，减轻控制单元的压力，并使整个系统更易操 作，现针对这种系统提出"饱和控制策略"，具体步骤如下：
[0052]步骤一、桥臂控制信号产生单元产生对应桥臂需投入的总子模块数量L;
[0053]步骤二、阀组控制单元计算本阀组内所有子模块的电压平均值，接受桥臂上除本 阀组外其他阀组计算得到的电压平均值，并按照电压平均值的高低对阀组进行排序；
[0054] 步骤二、_组投入数量的控制方法;具体如下：
[0055]
[0056] ni=L-MN
[0057]其中:M为每个阀组的子模块数量，N为满投入的阀组的数量，nl为满投入完还需投 入的子模块数量；
[0058]步骤四、阀组投入子模块的分配方法;具体如下：
[0059] 当电流充电，即i>0时，电压平均值较低的N个阀组投入全部子模块，剩下的子模块 由电压平均值由低到高排在第N+1位的阀组投入；
[0060] 当电流放电，即i<0时，电压平均值较高的N个阀组投入全部子模块，剩下的子模 块则由电压平均值由高到低排在第N+1位的阀组投入。
[0061 ]满投入完还需投入的子模块的分配方法;具体如下：
[0062] 当电流充电，即i>0时，由电压平均值由低到高排在第N+1位的阀组内电压值较低 的η 1个子模块投入；
[0063] 当电流放电，即i<0时，由电压平均值由高到低排在第Ν+1位的阀组内电压值较高 的η 1个子模块投入。
[0064] 现对其电路稳定性进行改进，使其在一路通讯中断的情况下仍可以稳定运行。已 知单个桥臂内阀组个数为η，那么一个阀组需接受的电压信号至少为η-1个，控制每一路输 入通讯或者输出通讯内的电压信号m> = n-l，则任一阀组的任一路输入通讯或者输出通讯 中断后，该阀组另一侧的输入通讯或者输出通讯都能够接收至少η-1个电压信号，并将自身 的电压信号传送至整个系统；即：仅断一条输入通讯或者输出通讯时，所有阀组通讯都不会 受到影响。
[0065] 具体分析如下:设一个桥臂内阀组个数为η，那么一个阀组需接受的电压至少为η-1个，一条通路内至少有m=(n-l)/2个电压信号，若(η-1)/2不为整数，则一条通路至少有m = INT((n-l)/2)+l个信号。假设现有的m=(n-l)/2或者m=INT((n-l)/2)+l，当一条通路中 断后，与这条通路相连的阀组只能收到一半的电压信号，只有与这条通路相对的一个U为 奇数)或2个(η为偶数）阀组不会受到影响。而当m增加时不会受影响的阀组也会增加。当m> = n-l时，在仅断一条通信通路时，因为对应的另一侧的通路能够保持通讯，将电压信号共 享给整个系统，则所有阀组都不会受到影响。
[0066] 现结合基于plecs搭建4*4的MMC仿真模型以验证该控制策略的可行性。如图4所 示，以四模块为例（即为4*4)，单桥臂子模块个数范围即从0-16,若要系统正常，运行m至少 为2,若要系统在单条通信通路中断时正常运行，m至少为3(m为每条通路含有的电压信号个 数）。而对于五模块，若要系统正常，运行m至少为2,若要系统在单条通信通路中断时正常运 行，m至少为4。
[0067] 本仿真采用的是16电平逼近正弦的最近电平逼近法，在控制策略上采用的两级控 制方法，控制方法上采用的是"饱和投入法"，通讯方式采用的是模块间互相通信的方式。现 就仿真工作方式做详细介绍：
[0068]首先产生互补的上下桥臂的子模块投入个数如图6所示，而根据"饱和投入法"决 定每个阀组投入的子模块。
[0069] 而在阀组层面上的控制，则是对于每个阀组内部子模块的电压平均值排序结果决 定的，而在阀组电压信息传递方面可以通过各个阀组传递到主控单元，也可以取消主控单 元，直接通过阀组间的信息共享再由各个阀组单独控制，这种控制方法可以加强系统的稳 定性，消除单路通讯中断这种意外情况对于系统的影响。如图4所示，为以4*4的MMC模型为 例，其阀组间电压信号传递方式。阀组1向阀组2传递的电压为阀组1、阀组4、阀组3的平均电 压，即除阀组2外其他所有电压值。就阀组1来说，它可以分别从阀组2和阀组4来得到阀组3 的电压，对于这两个阀组3的电压信号我们取更高者，这是为了防止一路通讯中断的情况。 在得到所有阀组的电压信号后，则可判断该阀组在所有阀组中的电压排名，从而决定阀组 内部投入的子模块个数，如图12所示。阀组内子模块个数控制程序如下：
[0070] 程序 3:
[0071] int t,i,n,out,k = 0;
[0072] double in[6] = {INO,INI,IN2,IN3,IN4,IN5}；
[0073] n = in[3]/4；
[0074] if(in[4]〈〇)//电流为负值
[0075] {t = 0；
[0076] k = k+l ；
[0077] OUTl =k；
[0078] for(i = 0; i〈3; i++)//从大到小排序
[0079] {
[0080] if(in[i]>in[5])
[0081] t = t+l ；
[0082] }
[0083] }
[0084] if(in[4]>0)//电流为正
[0085] {t = 0 ；
[0086] for(i = 〇; i〈3; i++)//从小到排序
[0087] {
[0088] if(in[i]<in[5])
[0089] t = t+l ；
[0090] }
[0091] }
[0092] OUTl =n；
[0093] 〇UT2 = t；
[0094] if(t==n)
[0095] out = in [ 3 ] -4*n; //饱和投入后剩余需投入子模块数
[0096] if(t<n)
[0097] out = 4；
[0098] if(t>n)
[0099] 〇ut = 0；
[0100] 0UT0 = out ；
[0101] 例如，当上桥臂需投入5个子模块，而下桥臂需投入11个子模块，就上桥臂而言，若 电流为正，即子模块充电，将平均电压最小的阀组满投入，剩下的一个子模块由平均电压第 二小的阀组投入其中电压最小的子模块。
[0102] 如图2所示，在单个阀组内部，对于采集到的电压信号，首先通过排序模块(排序模 块程序如程序1所示)得到排序结果再结合电流方向和阀组内子模块投入个数，根据控制策 略(控制策略程序如程序2所示）来控制开关管的导通，如图11所示，即子模块的投入和切 除，如图5所示，其上下两个开关管是互补导通，当上面的开关管导通，子模块投入，当下面 的开关管导通，子模块切除。
[0103] 程序 1:
[0104] int t = 0,i,j；
[0105] double in[4] = {IN0, INI, IN2，IN3};/7 阀组内部子模块电压
[0106] int arr[4]={1,2,3,4}；
[0107] for(i = 0; i〈3; i++)//排序
[0108] {
[0109] for( j = 0； j<3； j++)
[0110] {
[0111] if(arr[j+l]-arr[j]>0)
[0112] {
[0113] if(in[j+l]>in[j])
[0114] {t = arr[ j+1] ；arr[ j+1] =arr[ j] ；arr[ j] = t；
[0115] }
[0116] }
[0117] }
[0118] }
[0119] OUTO = arr[0];//四个电压对应的顺序
[0120] OUTl =arr[ I ]；
[0121] 0UT2 = arr[2]；
[0122] 0UT3 = arr[3]；
[0123] 程序 2:
[0124] int i,j ；
[0125] double in[6] = {INO,INI,IN2,IN3,IN4,IN5}；
[0126] int out[4]={0};
[0127] if(in[ 5]〈 = 〇)//当电流为负值，子模块放电
[0128] {
[0129] out[0] = 1 ；
[0130] out[2] = I ；
[0131] out[I ] = I ；
[0132] out[3] = I ；
[0133] for(i = l; i〈5-in[4]; i++)//对于电压高的投入放电
[0134] {
[0135] for( j = 0； j<4； j++)
[0136] if (in[ j] = = i)
[0137] {out[ j] = 0；
[0138] }
[0139] }
[0140] }
[0141] if(in[5]>0)//电流为正值，子模块充电
[0142] {
[0143] out[0] = 0 ；
[0144] 〇ut[2]=0；
[0145] out[l] = 0；
[0146] out [3] = 0；
[0147] for(i = 4； i>4-in[4] ； i-)
[0148] {
[0149] f〇r(j = 0;j<4;j++)
[0150] if (in[ j] = = i)
[0151] out[ j] = 1 ；
[0152] }
[0153] }
[0154] OUTO = out [0];
[0155] OUTl =out[ I ]；
[0156] 〇UT2 = out[2]；
[0157] 0UT3 = out[3]；
[0158] 就每个子模块的电压和阀组内的平均电压如图9,图10所示，电压稳定平衡下来。 即实现了子模块和阀组的均压。
[0159] 如图7所示，输出电压实现了 16电平逼近正弦的输出电压，再对照图13,断开一路 通信后，输出电压波形基本没有变化，即为验证了系统的稳定性。
[0160] 如图8所示，上下桥臂电压实现互补，即上下桥臂电压之和不变。
[0161]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
【主权项】
1. 一种模块化多电平换流器，其特征在于:包括b个桥臂和^个与桥臂一一对应设置的 桥臂控制信号产生单元;所述桥臂控制信号产生单元能够产生对应桥臂需投入的总子模块 数量； 每个桥臂包括n个阀组，每个阀组包含a个子模块和一个阀组控制单元;所述阀组控制 单元包括排序模块和子模块通断控制单元;所述排序模块能够计算本阀组内所有子模块的 电压平均值，接受桥臂上除本阀组外其他阀组计算得到的电压平均值，并按照电压平均值 的高低对阀组进行排序;所述子模块通断控制单元能够控制对应阀组内所有子模块的投入 和切除； 单个桥臂上的所有阀组之间两两电气隔离，单个桥臂上的相邻阀组之间利用通讯光纤 连接形成环路；即：每个阀组与两侧相邻的阀组间分别连接一路输入通讯和一路输出通讯， 使得任一阀组的任一路输入通讯或者输出通讯中断后，该阀组另一侧都仍对应有一路输入 通讯或者输出通讯连接，保持通讯。2. -种针对权利要求1所述的模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于:具体步骤 如下： 步骤一、桥臂控制信号产生单元产生对应桥臂需投入的总子模块数量L 步骤二、阀组控制单元计算本阀组内所有子模块的电压平均值，接受桥臂上除本阀组 外其他阀组计算得到的电压平均值，并按照电压平均值的高低对阀组进行排序； 步骤=、阀组投入数量的控制方法;具体如下：Hl = L-MN 其中：M为每个阀组的子模块数量，N为满投入的阀组的数量，nl为满投入完还需投入的 子模块数量； 步骤四、阀组投入子模块的分配方法;具体如下： 当电流充电，即i〉〇时，电压平均值较低的N个阀组投入全部子模块，剩下的子模块由电 压平均值由低到高排在第N+1位的阀组投入； 当电流放电，即i<〇时，电压平均值较高的N个阀组投入全部子模块，剩下的子模块则 由电压平均值由高到低排在第N+1位的阀组投入。3. 根据权利要求2所述的模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于:满投入完还需 投入的子模块的分配方法;具体如下： 当电流充电，即i〉〇时，由电压平均值由低到高排在第N+1位的阀组内电压值较低的nl 个子模块投入； 当电流放电，即i<〇时，由电压平均值由高到低排在第N+1位的阀组内电压值较高的nl 个子模块投入。4. 根据权利要求3所述的模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于：已知单个桥臂 内阀组个数为n，那么一个阀组需接受的电压信号至少为n-1个，控制每一路输入通讯或者 输出通讯内的电压信号m〉= n-l，则任一阀组的任一路输入通讯或者输出通讯中断后，该阀 组另一侧的输入通讯或者输出通讯都能够接收至少n-1个电压信号，并将自身的电压信号 传送至整个系统；即：仅断一条输入通讯或者输出通讯时，所有阀组通讯都不会受到影响。
【文档编号】H02M7/00GK105915076SQ201610335317
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年5月19日
【发明人】陈武, 汤铭
【申请人】东南大学