[发明专利]一种模块化多电平换流器的控制方法

摘要

本发明公开了一种模块化多电平换流器的控制方法，将桥臂的2^N个子模块按照2⁰,2¹,2²...2^N-1，1分成N+1个模块组，工作中每组组内子模块状态保持一致，即同时导通或者关断。每组配置一个电压传感器，用于测量该组电压值。根据这种结构设计了稳压控制方法、电压记录方法、调制方法和均压控制方法。稳压控制采用PI调节器稳定各相所有子模块的电容电压之和；电压记录方法用来保存各模块组的电压值；调制方法用来确定个模块组的通断状态；均压控制用来保持组件子模块电压的平均值保持均衡。本发明采用子模块组分组的控制方式，大量减少MMC系统中所需的电压互感器，进而减小系统硬件复杂度和降低MMC的成本。

主权项

一种模块化多电平换流器的控制方法，其特征在于，所述模块化多电平换流器采用三相六桥臂拓扑结构，每相包括上、下两个桥臂，每个桥臂由2^N个SM子模块和1个电感L串联而成，上、下桥臂连接点引出相线；三条相线接入公共电网；N为整数，其中，函数为向上取整；U_dc为由换流器的直流侧电压，U_sm为SM子模块参考电压；每个SM子模块是一个半桥变流器，由两个IGBT管T1和T2、两个二极管D1和D2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成SM的正端，IGBT管T1的集电极与电容C的正极相连，IGBT管T2的发射极与电容的负极相连并构成SM的负端；D1与T1反向并联，D2与T2反向并联；IGBT管T1和T2的门极均接收控制脉冲信号；每相上桥臂的2^N个SM子模块和1个电感L依次串联，即上桥臂第一个SM子模块的正端与直流侧正极相连；处于中间的第i个SM子模块的正端与第i‑1个SM子模块的负端相连，第i个SM子模块的负端与第i+1个SM子模块的正端相连，i＝2，3，…，2^N‑1；上桥臂第2^N个SM子模块的负端与电感L一端相连，电感L另一端引出相线；每相下桥臂的电感L和2^N个SM子模块依次串联，即电感L一端引出相线，电感L另一端与下桥臂第一个SM子模块的正端相连；处于中间的第i个SM子模块的正端与第i‑1个SM子模块的负端相连，第i个SM子模块的的负端与第i+1个SM子模块的正端相连，i＝2，3，…，2^N‑1；下桥臂第2^N个SM子模块的负端与直流侧负极相连；直流侧电源中点接地；对于三相(A相、B相和C相)中的任一相，所述控制方法包括以下步骤：步骤1、模块分组；步骤2、稳压控制，采用PI调节器稳定各相所有子模块的电容电压之和；步骤3、调制，用来确定个模块组的通断状态；所述步骤1的模块分组，具体包括以下步骤：将换流器每个桥臂的2^N个的SM子模块分成N+1个模块组，前N组各包含2^i‑1个SM子模块，i为模块组的序号，i＝1,2，…，N(即第1组包含2⁰个SM子模块，第2组包含2¹个SM子模块，第3组包含2²个SM子模块，依次类推，第N组包含2^N‑1个SM子模块)，第N+1组包含1个SM子模块；每个模块组并联一个电压传感器，用于测量该模块组内SM子模块电容的总电压；工作中每组组内子模块状态保持一致，即同时导通或者关断；所述步骤2的稳压控制，具体包括以下步骤：2.1)测量该相上桥臂从第一个模块组到第N+1个模块组的电压值，将电压测量值分别记为U_aup1,U_aup2,….,U_aupi,….,U_aup(N+1)；测量该相下桥臂从第一个模块组到第N+1个模块组的电压值，将电压测量值分别记为U_abelow1，U_abelow2，…,U_abelowi,….,U_abelow(N+1)；2.2)对于每个桥臂的N+1个模块组，当某个模块组处于导通状态时，保存该模块组的电压测量值；对该相上桥臂第i个模块组，将其电压测量值保存为电压记录值U_asupi；对该相下桥臂第i个模块组，将其电压测量值记录为U_asbelowi；直到下一次该模块组导通后更新该电压记录值；2.3)根据步骤2.1)得到的电压测量值计算该相各模块组的电压之和U_a为：$U_a=\underset{i=1}{\overset{N+1}{\&Sigma;}}{U}_{aupi}+\underset{i=1}{\overset{N+1}{\&Sigma;}}{U}_{abelowi}$2.4)设测量时刻共有K个模块组导通，根据以下公式计算稳压控制的输出U_aref1：U_aref1＝(U_sm‑U_a/K)(K_p+K_i/s)其中，K_p为比例系数，K_i为积分系数，1/s是积分因子(积分因子是对(U_sm‑U_a/K)进行积分，也就是随着时间的推移，不停的累加这个误差值)；2.5)设换流器需要输出的电压为U_aref2，根据以下公式计算换流器的调制电压U_aref：U_aref＝U_aref1+U_aref2；所述步骤3的调制，具体包括以下步骤：3.1)根据步骤2.5)计算得到调制电压U_aref，分别计算该相上桥臂和下桥臂模块组的导通个数N_aup和N_abelow：N_aup＝round((U_dc/2‑U_aref)/U_sm)N_abelow＝round((U_dc/2+U_aref)/U_sm)其中，round()是四舍五入函数；3.2)将N_aup转化为二进制数，记为N_naup；N_naup从低位到高位的每一位，分别与上桥臂第1至第N个模块组一一对应；根据N_naup中的每一位数值，对各模块组进行以下控制：3.2.1)当N_naup中至少有2位等于1时，导通N_naup中等于1的位对应的模块组，关断其它模块组(包括N_naup中等于0的位对应的模块组，以及第N+1个模块组)；3.2.2)当N_naup中各位全等于0时，关断上桥臂所有模块组；3.2.3)当N_naup只有1位等于1时，其它各位都等于0时，设等于1的位为第i位，并设该相上桥臂电流的测量值为i_aup；若i_aup方向为SM充电方向，即i_aup>0，则采用如下进行均压控制：(a)若U_asupi/N_aup>U_sm且i>1，则导通第1至第i‑1个模块组和第N+1个模块组，关断其它模块组(即第i至第N个模块组)；(b)若U_asupi/N_aup>U_sm且i＝1，则导通第N+1组模块组，关断其它模块组(即第1至第N个模块组)；(c)若U_asupi/N_aup≤U_sm，则导通第i组模块组，并关断其它模块组；若i_aup方向为SM放电方向，即i_aup<0，则采用如下方式进行均压控制：(a)若U_asupi/N_aup<U_sm且i>1，则导通第1组到第i‑1组和第N+1个模块组，关断其它模块组(即第i至第N个模块组)；(b)若U_asupi/N_aup<U_sm且i＝1，则导通第N+1组模块组，关断其它模块组(即第1至第N个模块组)；(c)若U_asupi/N_aup≥U_sm，则导通第i组模块组，并关断其它模块组；3.3)将N_abelow转化为二进制数，记为N_nabelow；N_nabelow从低位到高位的每一位，分别与下桥臂模块组的第1至第N个模块组一一对应；根据N_nabelow中的每一位数值，对各模块组进行以下控制：3.3.1)当N_nabelow至少有2位是1时，导通N_nabelow中等于1的位对应的模块组，关断其它模块组(包括N_nabelow中等于0的位对应的模块组，以及第N+1个模块组)；3.3.2)当N_nabelow中各位全等于0时，关断下桥臂所有模块组；3.3.3)当N_nabelow只有1位等于1时，其它各位都等于0时，设等于1的位为第i位，并设该相下桥臂电流的测量值为i_abelow；若i_abelow方向为SM充电方向，即i_abelow>0，则采用如下进行均压控制：(a)若U_asbelowi/N_abelow>U_sm且i>1，则导通第1组到第i‑1组和第N+1个模块组，关断其它模块组(即第i至第N个模块组)；(b)若U_asbelowi/N_abelow>U_sm且i＝1，则导通第N+1组模块组，关断其它模块组(即第1至第N个模块组)；(c)U_asbelowi/N_abelow≤U_sm，则导通第i组模块组，并关断其它模块组；若i_abelow方向为SM放电方向，即i_abelow<0，则采用如下方式进行均压控制：(a)若U_asbelowi/N_abelow<U_sm且i>1，则导通第1组到第i‑1组和第N+1个模块组，关断其它模块组(即第i至第N个模块组)；(b)若U_asbelowi/N_abelow<U_sm且i＝1，则导通第N+1组模块组，关断其它模块组(即第1至第N个模块组)；(c)U_asbelowi/N_abelow≥U_sm，则导通第i组模块组，并关断其它模块组。