[发明专利]一种模块化多电平换流器的桥臂间能量均衡控制方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及模块化多电平换流器的桥臂间能量均衡控制领域。

背景技术

模块化多电平换流器（modular multilevel converter,MMC）作为一种新型的高压大功率电能变换技术，已日益获得了各国研究人员的普遍关注。与传统两电平、三电平换流器相比，MMC具有结构简单、容易拓展，开关损耗低，电压谐波少，安装维护成本低廉等诸多优点。

在三相MMC电路结构中，其每相电路中包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个结构相同的子模块和一个电感器串联而成，每个子模块为半桥拓扑结构，包含两个绝缘栅双极晶体管（Insulated gate bipolar transistor,IGBT）和一组电容器。然而，MMC在实际工作时，由于元器件参数的差异、不均匀的损耗分布、以及控制信号的延迟等诸多原因，这些子模块的电容器很容易发生电压不相等的问题。如果不加以抑制，将造成某个子模块的电容电压大大高出其他子模块，从而威胁该子模块中IGBT和电容器的可靠性，缩短其工作寿命，甚至，可能会给整个MMC系统造成严重的故障或损害。

针对MMC中的子模块电容电压不平衡的问题，赵成勇等人的《一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法》（见专利CN102916592A），庞辉等人的《一种模块化多电平换流器的均压控制方法》（见专利CN102130619A），以及孔明等人的《一种三相模块化多电平换流器能量平衡控制方法》（见专利CN103095167A）中，分别提出了相应的电容电压平衡控制方法。

然而，这些方法均是以MMC的每个桥臂为控制单元，根据该桥臂的电流方向来控制投入/切除该桥臂中需要充电/放电的子模块，这样虽然能够保证同一桥臂内的子模块电容电压保持平衡，但却并没有考虑上下两个桥臂之间的能量平衡问题。如果MMC上下桥臂之间发生能量的不均匀分布时，同样会对MMC的稳定运行带来不利影响，降低其工作性能。

发明内容

本发明为了解决模块化多电平换流器的桥臂之间存在能量不均衡，导致模块化多电平换流器运行不稳定的问题，提出了一种模块化多电平换流器的桥臂间能量均衡控制方法及装置。

一种模块化多电平换流器的桥臂间能量均衡控制方法，所述模块化多电平换流器为三相电路结构，每一相电路均包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括N个结构相同的子模块，所述下桥臂包括N个结构相同的子模块，每个子模块中均有一个电容，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、检测单相桥臂中各个子模块中的电容电压，并分别计算出单相桥臂中上桥臂的N个子模块的电容电压之和U_{sum_up}与下桥臂的N个子模块的电容电压之和U_{sum_lw}，同时得到单相桥臂交流侧的交流输出电压U_{ref_a}；

步骤二、计算步骤一得到的U_{sum_up}与U_{sum_lw}的平均值，将该平均值U_sum与直流电源U的电压U_dc进行减法运算，并对得到的差值进行PI调节获得单相桥臂环流中直流分量的给定值

步骤三、将步骤一得到的U_{sum_up}和U_{sum_lw}进行减法运算，将得到的差值经PI调节后与一个单位正弦信号相乘，得到单相桥臂环流中交流分量的给定值

步骤四、将步骤二得到的单相桥臂环流中直流分量的给定值和步骤三得到的单相桥臂环流中交流分量的给定值相加，得到单相桥臂环流的电流给定值即：

步骤五、检测单相桥臂中上桥臂的电流i_up和下桥臂的电流i_lw，并对i_up和i_lw取平均值，得到单相桥臂实际电流i_c，即：i_c=(i_up+i_lw)/2；

步骤六、将步骤四中得到的单相桥臂环流的电流给定值和步骤五中得到的单相桥臂实际电流i_c进行减法运算，将得到的差值送入准比例谐振调节器中，经准比例谐振调节器处理后获得控制指令u_{ref_c}；

步骤七、根据步骤一中的交流输出电压U_{ref_a}与步骤六中得到的控制指令u_{ref_c}，得到上桥臂的参考信号U_{ref_up}和下桥臂的参考信号U_{ref_lw}；