一种全桥子模块的损耗均衡控制方法及装置与流程

本发明属于电力系统柔性交直流输电技术领域，具体涉及一种全桥子模块的损耗均衡控制方法及装置。

背景技术：

柔性直流输电采用电压源换流器，可以独立调节有功和无功的传输，柔性直流技术是解决现有输电系统存在问题的有效手段之一，柔性直流输电系统中，全桥模块用于电压源型换流器可以实现换流器对架空线路故障自清除作用，利用换流器自身控制实现直流侧故障自清除的策略，具有无需机械设备动作、系统恢复迅速优点，特别适合于大容量远距离直流输电。

但由于全桥模块是采用了四个开关器件，相比较半桥模块，多使用了2个器件，如果不采取任何措施，会导致损耗增加，原因是全桥模块输出正电平或者负电平期间，两个管子处于导通通流状态，损耗理论上是半桥的2倍，在一段时间内由于是恒定的两管开通，输出正电平或者负电平，导致结温上升集中在这两管中，引起全桥子模块各个功率器件功耗不平衡状况，从而引起模块的单个器件结温升高，文献《基于结温反馈方法的模块化多电平换流器型高压直流输电阀损耗评估》(屠卿瑞，徐政，高电压技术，2012,38(6)：1506-1512)指出较高的功率损耗是电压源换流器型直流输电在高压大功率场合应用的主要障碍，对于二电平拓扑的vsc，为了达到较好的控制效果并消除低次谐波，半导体器件的开关频率都在1-2khz左右，因此必然会导致很高的换流阀开关损耗。mmc拓扑的优势之一便是其较低的器件开关频率(一般＜3倍基波频率)，这就使得换流器阀损耗中的开关损耗部分大大降低，从而使电压源换流器型直流输电技术可以在更大功率的场合应用。但在全桥模块应用时，仍然存在单个器件结温升高对损耗的影响，而换流阀传输功率受结温最大的功率器件限制，很可能因为该模块的单个器件结温升高导致总电流受限制，影响了整个换流器功率输出。综上，需要一种均衡模块内部损耗分布的方法，减小单个器件的工作结温最大值，从而增大了单个模块的功率输出最大值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全桥子模块的损耗均衡控制方法及装置，通过单个模块内部器件交替开通，避免全桥子模块各个功率器件功耗不平衡引起模块的单个器件结温升高从而引起换流阀传输功率受结温最大的功率器件限制的问题，提高了整个模块的输出功率能力。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种全桥子模块的损耗均衡控制方法，采用单个模块内部器件交替开通工作，在全桥子模块输出正电平或者负电平时间段内增加两种零电平输出状态，且两种零电平状态交替出现，所述两种零电平状态是指：开通全桥子模块的1,3管为零电平输出状态1，开通全桥子模块的2,4管为零电平输出状态2，以上两种零电平状态交替出现。

进一步的，所述在全桥子模块输出正电平或者负电平时间段内增加两种零电平输出状态，且两种零电平状态交替出现具体指：全桥模块从输出正电平或者负电平的状态变化为零电平输出状态，再从零电平工作状态返回到之前的正电平或者负电平的状态，随后再回到零电平输出状态，所述零电平输出状态1和所述零电平输出状态2交替出现。

进一步的，全桥子模块输出正电平或者负电平时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在δt1时间内交替导通开关管t1和t2，在δt2时间内交替开通开关管t3和t4；在输出正电平期间，交替导通开关管t1和t2期间，保持t4管常导通状态，交替导通开关管t3和t4期间，保持t1管常导通状态；在输出负电平期间，交替导通开关管t1和t2期间，保持t3管常导通状态，交替导通开关管t3和t4期间，保持t2管常导通状态。

进一步的，在全桥子模块输出负电平时，把输出负电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出负电平的电路状态1开关管t2和t3导通，开关管t1和t4截止，以及输出零电平的电路状态2开关管t1和t3导通，开关管t2和t4截止；在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从负电平电路状态1过渡到零电平电路状态2。

进一步的，在时间段δt2内分成两种状态，输出负电平的电路状态3开关管t2和t3导通，开关管t1和t4截止；以及输出零电平的电路状态4开关管t2和t4导通，开关管t1和t3截止，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从负电平电路状态3过渡到零电平电路状态4。

进一步的，在全桥子模块输出正电平时，把输出正电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出正电平的电路状态5开关管t1和t4导通，开关管t2和t3截止，以及输出零电平的电路状态6开关管t2和t4导通，开关管t1和t3截止，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从正电平电路状态5过渡到零电平电路状态6。

进一步的，在时间段δt2内分成两种状态，输出正电平的电路状态7开关管t1和t4导通，开关管t2和t3截止，以及输出零电平的电路状态8开关管t1和t3导通，开关管t2和t4截止，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从正电平电路状态7过渡到零电平电路状态8。

进一步的，所述全桥子模块采用的开关管是igbt、iegt或者igct。

本发明还提供一种全桥子模块控制装置，包括全桥子模块输出电平控制单元、电平输出计时单元、电平切换控制单元。

上述控制装置中全桥子模块输出电平控制单元根据正弦调制信号输出正电平、负电平、以及零电平数量，选择一个桥臂中部分数量的模块输出正电平，部分数量的模块输出负电平、剩余模块输出零电平。全桥子模块输出电平控制单元总是控制同时导通模块中两个管，另外两只管处于闭锁状态。其中同时开通t1,t4输出正电平、同时导通t2、t3输出负电平，同时导通t1、t3管或者t2、t4管输出零电平。

上述控制装置中电平输出计时单元，其特征在于对单个模块输出正电平或者负电平、零电平进行计时分段，模块中两只管导通超过一段时间，输出计时结束标志给电平切换控制单元。

上述控制装置中的电平切换控制单元，其特征在于根据当前模块输出的电平类型以及接收到的输出计时结束标志进行输出电平切换控制。

当全桥子模块输出负电平时，把输出负电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出负电平的电路状态1开关管t2和t3导通，以及输出零电平的电路状态2开关管t1和t3导通，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从负电平电路状态1过渡到零电平电路状态2。

在时间段δt2内分成两种状态，输出负电平的电路状态3开关管t2和t3导通，以及输出零电平的电路状态4开关管t2和t4导通，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从负电平电路状态3过渡到零电平电路状态4。

上述控制装置中的电平切换控制单元，当全桥子模块输出正电平时，把输出正电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出正电平的电路状态5开关管t1和t4导通，以及输出零电平的电路状态6开关管t2和t4导通，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从正电平电路状态5过渡到零电平电路状态6。

在时间段δt2内分成两种状态，输出正电平的电路状态7开关管t1和t4导通，以及输出零电平的电路状态8开关管t1和t3导通，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从正电平电路状态7过渡到零电平电路状态8。

采用上述方案后，本发明的有益效果为：

(1)提出的分阶段调制技术,同一个模块内部器件采用交替开通工作模式，减少了单个管在一定时间段内的开通时间占比，从而减少了单模块在输出电平期间工作时间，降低单管结温，全桥子模块各个功率器件损耗变得平衡，换流阀传输功率不再受单个器件的结温高于其他器件限制,提高了整个模块的输出功率能力。(2)提出的分阶段调制技术，平衡了各个功率器件的损耗，最大结温降低，有利于提高换流阀工作期间电流有效值。

附图说明

图1输出负电平-uc模块工作示意图，实线表示解锁状态，虚线表示闭锁；

图2输出正电平uc模块工作示意图；

图3是本发明中全桥模块组成的单极结构；

图4是本发明中全桥模块组成的双极结构。

具体实施方式

以下将结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的目的是提供一种全桥子模块的损耗均衡控制方法，采用单个模块内部器件交替开通工作，避免全桥子模块各个功率器件功耗不平衡状况，从而引起模块的单个器件结温升高，引起换流阀传输功率受结温最大的功率器件限制，方法是改变当前全桥模块输出正电平或者负电平的状态为零电平输出状态，再从零电平工作状态返回到之前的正电平或者负电平的状态，随后再回到零电平输出状态。其中，开通全桥模块的1,3管为零电平输出状态1，如图1输出负电平-uc工作示意图-102所示；开通全桥模块的2,4管为零电平输出状态2，如图1输出负电平-uc工作示意图-104所示；以上两种零电平状态交替出现，通过这种同一个模块内部器件交替开通工作模式，减少了单个管在一定时间段内的开通时间占比，从而减少了单模块在输出电平期间工作时间，降低单管结温，提高了整个模块的输出功率能力。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

上述的一种全桥子模块的损耗均衡控制方法，全桥子模块输出正电平或者负电平时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在δt1时间内交替导通开关管t1和t2，在δt2时间内交替开通开关管t3和t4。在输出正电平uc期间，交替导通开关管t1和t2期间，保持t4管常导通状态，交替导通开关管t3和t4期间，保持t1管常导通状态；在输出负电平uc期间，交替导通开关管t1和t2期间，保持t3管常导通状态，交替导通开关管t3和t4期间，保持t2管常导通状态。

上述方案中，在该模块输出-uc负电平时，把输出-uc电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出负电平-uc为状态(a)如图1中101所示，以及输出零电平为状态(b)如图1中102所示，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从负电平-uc状态(a)如图1中101所示，过渡到零电平状态(b)如图1中102所示，减少了t2管在时间段δt1内的开通时间占比，从而减少了模块在输出负电平-uc期间t2管的工作时间，降低模块t2管结温。

上述方案中，在时间段δt2内分成两种状态，输出负电平-uc状态(c)，如图1中103所示，以及输出零电平为状态(d)，如图1中104所示，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从负电平-uc状态(c)，如图1中103所示，过渡到零电平状态(d)，如图1中104所示，减少了t3管在时间段δt2内的开通时间占比，从而减少了模块在输出负电平-uc期间t3管的工作时间，降低模块t3管结温。

上述方案中，当模块输出uc正电平时，把输出uc电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出正电平uc为状态(a)，如图2中105所示，以及输出零电平为状态(b)，如图2中106所示，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从正电平uc状态(a)，如图2中105所示，过渡到零电平状态(b)，如图2中106所示，减少了t1管在时间段δt1内的开通时间占比，从而减少了模块在输出正电平uc期间t1管的工作时间，降低模块t1管结温。

上述方案中，在时间段δt2内分成两种状态，输出正电平uc状态(c)如图2中107所示，以及输出零电平为状态(d)如图2中108所示，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从正电平uc状态(c)如图2中107所示，过渡到零电平状态(d)如图2中108所示，减少了t4管在时间段δt2内的开通时间占比，从而减少了模块在输出正电平uc期间t4管的工作时间，降低模块t4管结温。

上述方案中，采用的开关管可以是igbt、iegt或者igct。

本发明中全桥子模块控制装置，包括全桥子模块输出电平控制单元、电平输出计时单元、电平切换控制单元。

上述控制装置中全桥子模块输出电平控制单元根据正弦调制信号输出正电平、负电平、以及零电平数量，选择一个桥臂中部分数量的模块输出正电平，部分数量的模块输出负电平、剩余模块输出零电平。全桥子模块输出电平控制单元每次控制同时导通模块中两个管，另外两只管处于闭锁状态。其中同时开通t1,t4输出正电平、同时导通t2、t3输出负电平，同时导通t1、t3管或者t2、t4管输出零电平。

上述控制装置中电平输出计时单元，其特征在于对单个模块输出正电平或者负电平、零电平进行计时分段，模块中两只管导通超过一段时间，输出计时结束标志给电平切换控制单元。

上述控制装置中的电平切换控制单元，其特征在于根据当前正弦调制信号要求模块输出的电平类型以及接收到的输出计时结束标志进行输出电平切换控制。

当全桥子模块输出负电平时，把输出负电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出负电平的电路状态1开关管t2和t3导通，以及输出零电平的电路状态2开关管t1和t3导通，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从负电平电路状态1过渡到零电平电路状态2；

在时间段δt2内分成两种状态，输出负电平的电路状态3开关管t2和t3导通，以及输出零电平的电路状态4开关管t2和t4导通，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从负电平电路状态3过渡到零电平电路状态4。

上述控制装置中的电平切换控制单元，当全桥子模块输出正电平时，把输出正电平的时间δt分成两个阶段δt1以及δt2，δt＝δt1+δt2，在时间段δt1内分成两种状态，输出正电平的电路状态5开关管t1和t4导通，以及输出零电平的电路状态6开关管t2和t4导通，在时间段δt1内通过切换t1管和t2管工作状态，从正电平电路状态5过渡到零电平电路状态6。

在时间段δt2内分成两种状态，输出正电平的电路状态7开关管t1和t4导通，以及输出零电平的电路状态8开关管t1和t3导通，在时间段δt2内通过切换t3管和t4管工作状态，从正电平电路状态7过渡到零电平电路状态8。

上述方案可以应用在单极(图3)或者双极(图4)含有全桥模块的桥臂控制中。