一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统

本发明属于多电平电力电子变换器，具体涉及一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统。

背景技术：

1、相比于半桥型模块化多电平变换器(modular multilevel converter,mmc)和全桥型mmc，基于半桥子模块和全桥子模块的混合型mmc可兼顾运行效率和直流故障穿越能力，在可再生能源、高压直流输电、电力电子传动等领域得到了越来越广泛应用。混合型mmc内数量庞大的功率半导体器件是其主要的故障来源，且器件在实际运行中承受的热应力是导致其故障的主要原因之一。在热循环的作用下，功率半导体器件内部不同材料的热膨胀系数差异会导致材料分界面之间存在重复性的热应力。而器件损耗是热循环产生的主要来源，因此有必要通过改善子模块内部的损耗分布降低模块内器件的故障率，进而提高变换器的可靠性和运行寿命。

2、mmc桥臂电流存在固有的直流偏置分量，同时子模块不同输出模式的工作时间存在差异，这导致子模块内的损耗分布不均，即同一子模块内不同器件的损耗不同。由此导致，子模块内损耗集中的器件具有更高的故障率，进而增加了子模块和变换器的故障率，因为故障率最高的器件决定了其所在子模块和变换器的寿命。另外，混合型mmc内半桥子模块和全桥子模块的拓扑和控制方法不同，这导致它们的损耗分布特性也不同。因此，同时改善半桥和全桥子模块的损耗分布特性具有一定的难度，也是提高混合型mmc可靠性的关键。

3、目前，mmc内部子模块的损耗分布特性的改善方法主要包括特定环流分量注入、同模块内器件的非对称选型和电压调制波拉伸等。但是特定环流分量注入会增加子模块总损耗，同模块内器件的非对称选型会增加变换器的建设成本且对工况适应性较差。电压调制波拉伸只适用于低电压调制度的场合，且其在优化半桥子模块的损耗分布的同时，会造成全桥子模块损耗分布均衡性的恶化。因此，现仍需探索一种可以在不增加子模块总损耗和影响变换器输出特性的前提下，同时提高混合型mmc内半全桥子模块损耗分布均衡度的优化控制方法。

技术实现思路

1、请参阅图1，本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统，用于解决由半桥和全桥子模块内的损耗不均衡分布所造成的混合型mmc可靠性和运行寿命降低的技术问题，在不增加子模块总损耗和不影响变换器输出特性的前提下，通过调整半桥和全桥子模块不同输出模式的分配来改善子模块级的损耗分布；改进的电容电压均衡算法根据半桥和全桥内部的损耗分布情况，在确定的投切子模块调整区间内，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块，进而将高损耗器件的损耗转移至其他器件。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，包括以下步骤：

4、s1、计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；

5、s2、根据步骤s1得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；

6、s3、在步骤s2确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。

7、具体的，步骤s1中，半桥子模块的平均子模块级损耗差异δphbsm为：

8、

9、其中，h表示桥臂内所包含的半桥子模块数量，phbsm,,k表示第i个全桥子模块内开关管模块sk的损耗，k＝1,2，s1和s2分别表示全桥子模块左半桥的上开关管模块和下开关管模块；

10、全桥子模块的平均子模块级损耗差异δpfbsm为：

11、

12、其中，f表示桥臂内所包含的全桥子模块数量。

13、具体的，步骤s2中，以步骤s1所得出的半桥子模块的平均子模块级损耗差异δphbsm或全桥子模块的平均子模块损耗差异δpfbsm作为pi控制器的输入，得到的输出为子模块调节区间阈值调节量δiarm,limit，则可计算子模块调节区间阈值iarm,limit并得到投切子模块的调整区间。

14、进一步的，子模块调节区间阈值iarm,limit为：

15、

16、其中，iarm,min表示桥臂电流的最小值。

17、更进一步的，投切子模块调整区间内的桥臂电压和电流需满足以下条件：

18、

19、其中，iarm和varm分别表示桥臂电流和桥臂电压。

20、具体的，步骤s3具体为：

21、s301、根据调制环节输出信号计算当前时刻所需的投入子模块数量n；

22、s302、根据当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量npre，确定子模块投切数变化量δn；

23、s303、当子模块投切数变化量δn不等于0时，根据桥臂电流和桥臂电压的符号、子模块投切数变化量以及是否在子模块调整区间内，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号。

24、进一步的，步骤s302中，判断当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量npre符合是否相同，当(n*npre)≥0时：

25、δn＝n-npre

26、当(n*npre)<0时，将所有子模块切换至旁路状态：

27、δn＝n。

28、进一步的，步骤s303中，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号具体如下：

29、当n>0和δn>0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态；

30、当n>0和δn<0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态；

31、当n<0和δn>0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态

32、当n<0和δn<0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态。

33、更进一步的，当n>0和δn>0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态：

34、若桥臂电流iarm>0，则将δn个电压最低的旁路子模块切换为正投入状态；

35、若桥臂电流iarm>iarm,limit且iarm≤0，则将δn个电压最高的旁路子模块切换为正投入状态；

36、若桥臂电流iarm≤iarm,limit，则选取电压最高的旁路半桥子模块切换至正投入状态，若旁路半桥子模块数量nh小于δn，则再将(δn-nh)个电压最高旁路全桥子模块切换至正投入状态；

37、当n>0和δn<0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态：

38、若桥臂电流iarm>0，则将δn个电压最高的正投入子模块切换为旁路状态；

39、若桥臂电流iarm>iarm,limit且iarm≤0，则将δn个电压最低的正投入子模块切换为旁路状态；

40、若桥臂电流iarm≤iarm,limit，则选取电压最低的正投入全桥子模块切换至旁路状态，若正投入全桥子模块数量nf小于δn，则再将(δn-nf)个电压最低的正投入半桥子模块切换至旁路状态；

41、当n<0和δn>0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态：

42、若桥臂电流iarm>0，则将δn个电压最低的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；

43、若桥臂电流iarm≤0，则将δn个电压最高的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；

44、当n<0和δn<0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态：

45、若桥臂电流iarm>0，则将δn个电压最高的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态；

46、若桥臂电流iarm≤0，则将δn个电压最低的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态。

47、第二方面，本发明实施例提供了一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化系统，包括：

48、计算模块，计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；

49、调整模块，根据计算模块得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；

50、优化模块，在调整模块确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。

51、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

52、一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，和基于环流注入的优化控制方法相比，不会增加子模块总损耗，对变换器的负面影响更小；和同模块内器件的非对称选型相比，无需增加变换器的建设成本，且可根据子模块内损耗差异情况，确定投切子模块的调节区间，实现对子模块损耗分布的精准调节，对变换器的建设成本的负面影响更小，且具有更高的工况适应性；和基于电压调制波拉伸的优化控制方法相比，可以同时改善半桥子模块和全桥子模块的损耗分布，且在电压调制比较高的运行工况(如电压调制比为0.8)仍可改善半桥全子模块的损耗分布，具有更好的优化效果和更广的适用范围。

53、进一步的，半桥子模块和全桥子模块由于拓扑差异，不同工作状态下电流的流通路径不同，所导致的损耗分布问题也有所不同。当混合型mmc工作在逆变器工作模式时，半桥子模块的损耗主要集中在下开关管模块，而下开关管模块是半桥子模块处于旁路状态时电流的流通路径。全桥子模块的工作状态与半桥子模块不同，旁路状态的全桥子模块存在两种电流流通路径，即流经模块内左半桥和右半桥中的上开关模块或者左半桥和右半桥中的下开关模块。为改善全桥子模块的损耗分布特性，通常采用对称调制方法，即让全桥子模块的两种旁路状态在每周期内的工作时间相等。对称调制方法下，全桥子模块的左半桥和右半桥内的损耗分布相互对称，即左半桥上开关模块损耗等于右半桥下开关模块，左半桥下开关模块损耗等于右半桥上开关模块。且全桥子模块损耗分布主要集中在正投入状态的流通路径，即右半桥下开关模块和左半桥的上开关管模块。定义子模块级平均损耗差异为桥臂内同类型模块中的损耗较少开关管模块与损耗集中开关管模块的平均损耗差异，并且考虑到全桥子模块左右半桥损耗分布的对称性，因此半桥子模块和全桥子模块内的平均子模块级损耗差异的计算公式有所差异。

54、进一步的，半桥子模块的平均子模块级损耗差异δphbsm或全桥子模块的平均子模块损耗差异δpfbsm的数值越小表明，为改善半桥和全桥子模块内的损耗分布，需要更多地增加半桥子模块的正投入状态工作时间和全桥子模块的旁路状态工作时间。以δphbsm或δpfbsm作为控制器的输入，其数值越小，则对应得到的子模块调节区间阈值调节量δiarm,limit数值也越小，然后得到的子模块调节区间阈值iarm,limit则越大，因而在更大的区间内改变半桥和全桥子模块的投切优先度，实现了对子模块内损耗分布的精准调节。pi控制器具有稳态精度高、鲁棒性强、设计简单、响应速度快等优点，因此采用其作为子模块调节区间阈值的控制器可以提高对子模块级损耗分布的控制性能。

55、进一步的，子模块调节区间阈值iarm,limit决定了投切子模块调整区间的范围。半桥子模块的拓扑结构决定了其只能工作在正投入状态或旁路状态，无法输出负电压。因此，半桥子模块在放电区间内对应的桥臂电流为负值。半桥和全桥子模块的电容电压均衡是混合型mmc稳定运行的重要前提。由于子模块电容电压的波动趋势与子模块电容能量的累积趋势基本一致，所以通常通过子模块能量变化过程来分析子模块电容电压的变化情况，子模块电容每周期内吸收的能量为0则对应于电容电压均衡。下面以混合型mmc的a相上桥臂为例分析桥臂的能量波动特征，流入该桥臂的瞬时功率和能量可以通过以下方程计算得到：

56、

57、

58、其中，pap和δeap分别表示流入a相上桥臂的瞬时功率和能量，iap和vap分别表示a相上桥臂的电流和电压，im为交流端口电流峰值，vdc为直流端口电压，为功率因数角，ω为交流侧电压电流的角频率。

59、从上述方程可得，桥臂在每周期内吸收的能量为0。因此，当混合型mmc内的半桥子模块电容电压均衡时，全桥子模块电容电压也自动均衡。因此，可以通过调节半桥子模块在其放电区间内的投切优先度，增加其处在正投入状态的工作时间并且不影响子模块电容电压的均衡。但是当混合型mmc工作在电压调制度过大等特殊工况时，模块内的损耗分布不均衡性较高，可能导致计算得到的iarm,limit大于0，即投切子模块调整区间内包含了半桥子模块的充电区间。充电区间的引入会导致半桥子模块的电容能量波动被过度干涉而出现电容电压失衡的问题，因而需要限制iarm,limit的值不大于0。

60、进一步的，混合型mmc内部的半桥和全桥子模块具有不同的工作状态，即只有全桥子模块可以工作在负投入工作状态。当桥臂电压小于0时，半桥子模块都处在旁路状态，无法进行子模块投切优先度的调节。因此，投切子模块调整区间内的桥臂电压需要大于等于0。此外，通过设置投切子模块调整区间是桥臂电流小于子模块调节区间阈值iarm,limit的区间，实现了根据半桥全桥子模块内的分布情况确定投切子模块调节区间的大小，进而完成对子模块损耗分布的精准调节。

61、进一步的，引入子模块投切数变化量δn来改变子模块的工作状态，可以避免传统电容电压均衡算法因为在每个开关周期内频繁投切子模块而导致的开关损耗过大问题。

62、进一步的，由于半桥子模块无法工作在负投入状态，所以当输出电压小于0时，只能对全桥子模块进行投切。因此当输出电压的正负号变化时，需要首先旁路所有子模块，再根据子模块投切数变化量δn改变特定子模块的投切状态。

63、进一步的，不同工作状态和桥臂电流下，子模块的电容处于不同的充放电状态。若子模块电容一直处在充电或放电状态，会导致子模块电容电压过大或过小，进而影响整个mmc的正常工作。因而需要在投切子模块之前，对电容电压进行排序，在充电阶段，优先投入电容电压最小的子模块和优先旁路电容电压最大的子模块；在放电阶段，优先投入电容电压最大的子模块和优先旁路电容电压最小的子模块。

64、进一步的，在投切子模块调整区间外，仅考虑子模块电容电压排序和电容充放电状态对子模块进行投切，可以起到维持电容电压均衡的作用。在投切子模块调整区间内，对半桥和全桥子模块分别进行排序，投切半桥或者全桥子模块时，也考虑半桥或全桥子模块电容电压排序和电容充放电状态对该类型子模块进行投切，这样可以既起到改变半桥子模块处于正投入状态的工作时间，又起到维持电容电压均衡的作用。

65、可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。

66、综上所述，本发明可以在不增加子模块总损耗和变换器建设成本的前提之下，同时优化混合型mmc内半桥和全桥子模块内的损耗分布。同时，根据半桥和全桥子模块内的损耗分布差异确定投切子模块调整区间和pi控制器的引入，使得本发明可以在多种工况下实现对子模块损耗分布的精准和快速调节。此外，改进的电容电压均衡算法根据投切子模块变化量来改变子模块的工作状态，可以避免造成过大的开关损耗。并且，改进的电容电压均衡算法在投切子模块时综合考虑了子模块电容电压排序情况、电容电压充放电状态以及子模块类型，因而可以在保证电容电压均衡的前提下改善子模块内损耗分布。

67、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。