一种免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法

本发明属于电力电子控制，具体涉及一种免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法。

背景技术：

1、模块化直流变压器作为能量变换装置，在中高压直流变换领域得到日益广泛的应用。该类直流变压器需要借助多级控制器的高速通信、协同运行，以实现构成桥臂的子模块的电容电压动态稳定，控制实现结构复杂、价格昂贵、可靠性低。

2、为实现模块化直流变压器的子模块电容电压稳定，已有方案一般基于电容电压与电容电压净增量的双排序策略。该方案需要在单个控制周期中，对电容电压以及电容电压当前值相对于上一控制周期值之差进行排序，从而将充放电能力不同的开关序列分配给每个子模块，以保持各子模块电压的动态稳定。双排序运算的复杂度高，因而需要强算力的控制芯片支持，硬件成本高；且大量子模块的电容电压实时数据与主控制器下发的驱动信号，需要借助高速通信传递，通信的可靠性低，系统容错性差。

3、因此，有必要设计一种新的解决方案，使模块化直流变压器中的子模块电容电压在确定的开关序列下自主稳定，避免基于中央控制器集中控制带来的高复杂度排序与高速通信问题，从而降低系统实现成本并提高运行可靠性。

技术实现思路

1、为实现模块化直流变压器的子模块电容电压自主稳定，本发明提出了一种免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，包括如下步骤：

2、1)根据高压侧直流母线电压vin、子模块额定电压vc、内部变压器原边电压的幅值vt，确定单个桥臂中子模块的总数n；

3、2)模块化直流变压器运行存在周期性，一个交流周期可以分为两个阶段，即正半周期与负半周期，确定正半周期上桥臂子模块的投入个数与负半周期下桥臂的子模块投入个数，两者个数相同，计为m；

4、3)定义单个桥臂子模块串的开关序列为一个有n个元素的行向量，且上桥臂子模块串与下桥臂子模块串的开关序列对应的行向量一致；n个元素中，m个值为1，n-m个值为0，第1～n个元素分别对应上下桥臂中的第1～n个桥臂子模块，元素的值对应一个交流周期中桥臂子模块的开关状态；

5、4)若n与m互质，即n与m的最大公因数为1，则顺次执行步骤5)～8)；若n与m不互质，即n与m的最大公因数不为1，则顺次执行步骤9)～12)；

6、5)选取桥臂子模块串在第一个交流周期的开关序列为

7、p1＝[1 1 ... 1 1 0 0 ... 0 0] 式iii

8、其中，前m个元素为1，后n-m个元素为0；

9、6)在之后的n-1个交流周期中，使每个交流周期的开关序列为

10、pi＝p1×ti-1 式iv

11、其中，下标i表示第i个交流周期，i＝2,3,…,n，矩阵t为一个n行n列的矩阵，其第k行中仅有第k+1个元素为1(k＝1,2,…,n-1)，其他为0，第n行第1个元素为1，其他为0；

12、7)以n个交流周期为一个循环，自第n+1个交流周期开始，从第一个开关序列开始重复至第n个开关序列，每次重复完成后，再次回到第一个开关序列，

13、8)将获得的n个由行向量表示的开关序列，按顺序结合成一个n行n列的开关矩阵，由于该开关矩阵具有满秩特性，故循环上述开关序列能够实现子模块电容电压的自主稳定，而无需实时对子模块开关状态进行调整，即能保持子模块电容电压的稳定；

14、9)n与m不互质时，生成另一开关序列为

15、q1＝[1 0 1 1 … 1 1 0 0 … 0 0] 式vii

16、其中，第一个元素为1，第二个元素为0，第3～m+1个元素为1，最后n-m-1个元素为0；

17、10)再基于q1生成一组开关序列为

18、qi＝q1×ti-1,i＝1,2,…,n  式viii

19、11)以2n个交流周期为一个循环，其中，第2i-1个交流周期采用pi确定桥臂子模块的开关状态，第2i个交流周期采用qi确定桥臂子模块的开关状态，i＝2,3,…,n；

20、12)将一个循环中的2n个由行向量表示的开关序列，按顺序结合成一个2n行n列的开关矩阵，由于该开关矩阵具有满秩特性，故循环上述开关序列能够实现子模块电容电压的自主稳定，而无需实时对子模块开关状态进行调整，即能保持子模块电容电压的稳定。

21、根据本发明的一个优选方案，步骤1)中，按下式i确定单个桥臂中子模块的总数n：

22、

23、根据本发明的一个优选方案，步骤2)中，按下式ii确定m：

24、

25、根据本发明的一个优选方案，所述的步骤3)中，元素值为1代表对应的上、下桥臂子模块在整个交流周期中投入电路；对于上桥臂子模块，元素值为0代表在交流正半周期中被旁路，仅在交流负半周期中投入电路，对于下桥臂子模块，元素值为0则代表在交流负半周期中被旁路，仅在交流正半周期中投入电路。

26、根据本发明的一个优选方案，所述的步骤6)中获得开关序列满足：第i个交流周期中第j个子模块的开关状态与第i-1个交流周期中第j-1个模块的开关状态相同，i＝2,3,…,n，j＝2,3,…,n，第i个交流周期中第一个子模块的开关状态与第i-1个交流周期的第n个子模块的开关状态相同。

27、根据本发明的一个优选方案，所述的步骤7)具体为：

28、令y=mod(x,n)式vi

29、其中，mod为取余函数，表示x除以n的余数，对于第x个交流周期，选择开关序列py作为桥臂开关序列以确定子模块的开关状态，若y＝0，则第x个交流周期参考pn以确定子模块的开关状态。

30、根据本发明的一个优选方案，所述的步骤11)具体为：

31、令y=mod(x,2n)式ix

32、若y为奇数，令z＝(y+1)/2，对第x个交流周期，选择开关序列pz作为桥臂开关序列以确定子模块的开关状态，若y为偶数，令z＝y/2，选择开关序列qz作为桥臂开关序列以确定子模块的开关状态，若y为0，选择开关序列qn确定各子模块的开关状态。

33、本发明具备的有益效果：

34、所述方法通过将确定的开关序列赋给桥臂子模块串，可实现子模块电容电压的自主稳定，无需根据子模块电压现状实时调制开关序列，从而减轻了主控制器的运算负担，并降低了子模块对主控制器的依赖性，提高了系统的可靠性。

技术特征：

1.一种免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于，步骤1)中，按下式i确定单个桥臂中子模块的总数n：

3.根据权利要求1所述的免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于，步骤2)中，按下式ii确定m：

4.根据权利要求1所述的免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于，所述的步骤3)中，元素值为1代表对应的上、下桥臂子模块在整个交流周期中投入电路；对于上桥臂子模块，元素值为0代表在交流正半周期中被旁路，仅在交流负半周期中投入电路，对于下桥臂子模块，元素值为0则代表在交流负半周期中被旁路，仅在交流正半周期中投入电路。

5.根据权利要求1所述的免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于，所述的步骤6)中获得开关序列满足：第i个交流周期中第j个子模块的开关状态与第i-1个交流周期中第j-1个模块的开关状态相同，i＝2,3,…,n，j＝2,3,…,n，第i个交流周期中第一个子模块的开关状态与第i-1个交流周期的第n个子模块的开关状态相同。

6.根据权利要求1所述的免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于，所述的步骤7)具体为：

7.根据权利要求1所述的免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，其特征在于，所述的步骤11)具体为：

技术总结
本发明公开了一种免通讯无排序的模块化直流变压器子模块电压稳定方法，属于电力电子控制技术领域。首先确定桥臂子模块总数与正半周期上桥臂子模块投入个数，分别记为n与m；根据n和m是否互质，确定上下桥臂中子模块的投切序列，并使该投切序列在上下桥臂中分别循环，使桥臂中点持续输出方波交流电压。本发明通过将所提出的确定的开关序列赋给桥臂子模块串，即可实现子模块电容电压的自主稳定，从而减轻主控制器的运算负担，并降低子模块对主控制器的依赖性，提高系统的可靠性，与基于电容电压‑电容电压净增量双排序的经典方法相比，所提方法能使子模块电容电压在给定的开关序列下自主稳定，无需与主控制器的双向高速通信。

技术研发人员：向鑫,范世源,盛景,陈聪,杨欢,李武华,何湘宁
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13