模块化多电平换流器的均压控制方法、系统、介质及产品与流程

本发明属于交直流变换器控制领域，涉及一种模块化多电平换流器的均压控制方法、系统、介质及产品。

背景技术：

1、模块化多电平换流器凭借优异的电压扩展性和低谐波特性，已成为柔性直流输电及新能源并网领域的核心电能变换装置，在实际运行中需具备承受数秒至数十秒额定电流1.2至1.5倍的短时过载能力以应对电网电压跌落等暂态工况，确保换流器在过载期间不发生硬件损坏并维持电网稳定是新型电力系统安全运行的关键要求。

2、现有技术在应对过载热应力时，通常采用增加并联器件数量或强化散热系统的硬件冗余方案，但这会大幅增加换流阀的体积、重量和建造成本，或者采用现有的热均衡控制策略，这类策略仅是在各个子模块之间重新分配热应力，其本质无法减少桥臂整体的产热量，在严重过载工况下抑制总体结温峰值的能力十分有限，且瞬态结温超限已成为制约换流器过载能力提升的核心物理瓶颈。

技术实现思路

1、本技术提供了一种模块化多电平换流器的均压控制方法、系统、介质及产品，能够解决模块化多电平换流器在短时过载工况下因开关损耗剧增导致功率器件结温快速攀升进而限制过载能力的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供一种模块化多电平换流器的均压控制方法，包括：

3、获取模块化多电平换流器中各子模块的实时运行电气量及开关状态信号；

4、根据所述实时运行电气量及开关状态信号，利用预设的热网络模型计算得到各子模块的功率器件的实时结温数据，并根据所述实时结温数据确定对应的控制模式；

5、当所述控制模式为高温保护模式时，根据当前的调制需求，仅从处于旁路状态或投入状态中其中一种状态的子模块中选取满足电压条件的目标子模块进行投入或切出，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据；否则，对所有子模块的电容电压进行排序，并根据调制需求选取相应数量的子模块进行投入，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据；

6、根据所述当前控制周期的各子模块的开关状态数据，生成驱动脉冲信号以控制换流器运行。

7、相比于现有技术，本技术实施例具有如下有益效果：获取换流器中各子模块的实时运行电气量及开关状态信号，为后续的热状态评估与控制决策提供精确的底层数据支撑；根据实时运行电气量及开关状态信号，计算各子模块的功率器件的实时结温数据，实现对功率器件内部热状态的在线软测量，避免直接安装温度传感器带来的硬件成本增加与响应滞后问题，能够精准捕捉过载工况下的瞬态温升趋势；根据实时结温数据确定对应的控制模式，当控制模式为高温保护模式时，根据当前的调制需求，仅从处于旁路状态或投入状态中其中一种状态的子模块中选取满足电压条件的目标子模块进行投入或切出，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据，这一特征通过限制参与排序和动作的子模块集合，大幅减少不必要的开关动作次数，从而显著降低开关损耗，有效遏制了过载期间器件结温的进一步攀升，解决了传统均压策略在重载下因频繁开关导致的热失控难题；否则对所有子模块的电容电压进行排序，并根据调制需求选取相应数量的子模块进行投入，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据，确保了在非过热工况下系统仍能维持高精度的电容电压平衡，保证电网侧电能质量与直流侧电压稳定；最后根据当前控制周期的各子模块的开关状态数据，生成驱动脉冲信号以控制换流器运行，实现了控制算法到物理执行的闭环；上述特征协同作用，通过“实时结温监测”与“双模态策略切换”的结合，在不增加硬件散热冗余的情况下，显著提升了模块化多电平换流器在短时过载工况下的热生存能力与运行可靠性。

8、在本技术第一方面的一些实施例中，所述根据所述实时运行电气量及开关状态信号，利用预设的热网络模型计算得到各子模块的功率器件的实时结温数据，包括：

9、从所述实时运行电气量中提取当前时刻的桥臂电流数据及各子模块的电容电压数据；

10、根据所述开关状态信号确定当前时刻各子模块中处于导通状态的功率器件类型，并结合所述桥臂电流数据及预设的器件导通特性参数，计算得到各功率器件的瞬态导通损耗值；

11、根据所述开关状态信号识别当前时刻发生开关动作的功率器件，并结合所述电容电压数据、桥臂电流数据及预设的器件开关特性参数，计算得到各功率器件的瞬态开关损耗值；

12、将各功率器件的瞬态导通损耗值与瞬态开关损耗值相加，得到各功率器件的总瞬时损耗功率数据；

13、将所述总瞬时损耗功率数据作为热源输入至预设的热阻容网络模型中，通过迭代计算得到各功率器件的瞬态结温估计值；

14、对于每一个子模块，取该子模块内所有功率器件瞬态结温估计值中的最大值，作为该子模块的实时结温数据。

15、相比于现有技术，上述实施例具有如下有益效果：从实时运行电气量中提取当前时刻的桥臂电流数据及各子模块的电容电压数据，明确热损耗计算的物理输入变量，进一步根据开关状态信号确定当前时刻各子模块中处于导通状态的功率器件类型，并结合桥臂电流数据及预设的器件导通特性参数，计算各功率器件的瞬态导通损耗值，实现对稳态发热源的精细化量化，反映了器件在持续导通期间的欧姆损耗累积效应；同时根据开关状态信号识别当前时刻发生开关动作的功率器件，并结合电容电压数据、桥臂电流数据及预设的器件开关特性参数，计算各功率器件的瞬态开关损耗值，精准捕捉由状态跃变引起的动态发热冲击，弥补了仅考虑导通损耗导致的温升估算偏差；通过将各功率器件的瞬态导通损耗值与瞬态开关损耗值相加，得到各功率器件的总瞬时损耗功率数据，构建了完整的瞬态热源模型，为热网络迭代提供了准确的功率激励；进而将所述总瞬时损耗功率数据作为热源输入至预设的热阻容网络模型中，通过迭代计算得到各功率器件的瞬态结温估计值，利用热阻容模型的惯性特性模拟了器件内部热量传递与积聚的物理过程，实现对不可直接测量的芯片结温的高精度重构；最后对于每一个子模块，取该子模块内所有功率器件瞬态结温估计值中的最大值，作为该子模块的实时结温数据，遵循了“短板效应”原则，以最恶劣的热状态作为控制依据，确保了在最危险工况下也能及时触发保护机制，提升了系统的热安全裕度。

16、在本技术第一方面的一些实施例中，所述根据所述实时结温数据确定对应的控制模式，包括：

17、判断所述实时结温数据是否大于或等于预设温度上限阈值，若判断结果为是，则确定为高温保护模式；否则，判断所述实时结温数据是否小于预设温度下限阈值，若实时结温数据小于所述预设温度下限阈值的持续时间大于预设延时时长，则确定为常规均压模式，否则保持上一控制周期的控制模式不变。

18、相比于现有技术，上述实施例具有如下有益效果：通过判断实时结温数据是否大于或等于预设温度上限阈值，若判断结果为是则确定为高温保护模式，实现了对过热风险的即时响应，确保在器件接近安全极限时迅速切换至低功耗控制策略以防止热击穿；否则判断所述实时结温数据是否小于预设温度下限阈值，若实时结温数据小于所述预设温度下限阈值的持续时间大于预设延时时长，则确定为常规均压模式，引入了时间维度的稳定性判据，防止因温度测量噪声或短暂波动导致的控制模式频繁振荡，确保了系统状态切换的平滑性；若上述条件均不满足则保持上一控制周期的控制模式不变，构建了滞环控制逻辑，在温度介于上下限之间的过渡区内维持控制策略的连续性，避免了在临界点附近的乒乓效应，从而提升了换流器在动态负载变化过程中的控制稳定性与鲁棒性。

19、在本技术第一方面的一些实施例中，所述当所述控制模式为高温保护模式时，根据当前的调制需求，仅从处于旁路状态或投入状态中其中一种状态的子模块中选取满足电压条件的目标子模块进行投入或切出，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据，包括：

20、根据最近电平逼近调制算法，计算当前时刻换流器的桥臂需要投入的子模块总数；

21、将当前时刻桥臂需要投入的子模块总数减去上一控制周期实际投入的子模块总数，得到数量差值；

22、若所述数量差值为正数，则从当前处于旁路状态的子模块中，按照电容电压由低到高的顺序排序，选取前所述数量差值个子模块，将其状态变更为投入状态，同时保持其余处于旁路状态的子模块及所有处于投入状态的子模块状态不变；

23、若所述数量差值为负数，则从当前处于投入状态的子模块中，按照电容电压由高到低的顺序排序，选取前所述数量差值的绝对值个子模块，将其状态变更为旁路状态，同时保持其余处于投入状态的子模块及所有处于旁路状态的子模块状态不变；

24、若所述数量差值为零，则保持所有子模块的开关状态与上一控制周期一致。

25、相比于现有技术，上述实施例具有如下有益效果：根据最近电平逼近调制算法计算当前时刻换流器的桥臂需要投入的子模块总数，确立满足电网电压跟随要求的基础约束条件；进一步将当前时刻桥臂需要投入的子模块总数减去上一控制周期实际投入的子模块总数，得到数量差值，量化当前控制周期相对于上一周期的状态变更需求，为局部优化提供了计算基准；若数量差值为正数，则从当前处于旁路状态的子模块中，按照电容电压由低到高的顺序排序，选取前数量差值个子模块，将其状态变更为投入状态，同时保持其余处于旁路状态的子模块及所有处于投入状态的子模块状态不变，这种增量式投入策略在保证充电均衡（优先选低压）的同时，最大限度地保留了原有投入模块的导通状态，减少开通动作带来的开关损耗；若数量差值为负数，则从当前处于投入状态的子模块中，按照电容电压由高到低的顺序排序，选取前所述数量差值的绝对值个子模块，将其状态变更为旁路状态，同时保持其余处于投入状态的子模块及所有处于旁路状态的子模块状态不变，这种减量式切除策略在保证放电均衡（优先切高压）的同时，避免了大规模的状态重排，进一步抑制关断动作产生的热量；若所述数量差值为零，则保持所有子模块的开关状态与上一控制周期一致，实现了零开关动作的理想低功耗状态；整体而言，通过“状态保持+局部筛选”的机制，在高温保护模式下将开关频率降至理论最低，直接服务于抑制结温快速上升的核心技术目的。

26、在本技术第一方面的一些实施例中，所述对所有子模块的电容电压进行排序，并根据调制需求选取相应数量的子模块进行投入，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据，包括：

27、根据所述调制需求及子模块的额定电压，计算当前控制周期内换流器的桥臂需投入的子模块需求数；

28、对桥臂内所有子模块的实时电容电压数据进行全量排列，得到全局电压排序序列；

29、根据当前桥臂的电流方向确定充放电需求，若需充电，则从所述全局电压排序序列中选取电容电压值最低的所述子模块需求数个子模块，将其标记为投入状态；若需放电，则从所述全局电压排序序列中选取电容电压值最高的所述子模块需求数个子模块，将其标记为投入状态；

30、将未入选的子模块标记为旁路状态，从而得到当前控制周期的各子模块开关状态数据。

31、相比于现有技术，上述实施例具有如下有益效果：根据调制需求及子模块的额定电压，计算当前控制周期内换流器的桥臂需投入的子模块需求数，将抽象的控制指令转化为具体的离散执行单元数量；进一步对桥臂内所有子模块的实时电容电压数据进行全量排列，得到全局电压排序序列，为全局最优均压提供了数据基础，确保了电压分布的透明性与可控性；接着根据当前桥臂的电流方向确定充放电需求，若需充电，则从所述全局电压排序序列中选取电容电压值最低的所述子模块需求数个子模块，将其标记为投入状态，利用低压模块吸收能量以提升其电压，符合电容充电均衡原理；若需放电，则从所述全局电压排序序列中选取电容电压值最高的所述子模块需求数个子模块，将其标记为投入状态，利用高压模块释放能量以降低其电压，符合电容放电均衡原理；最后将未入选的子模块标记为旁路状态，从而得到当前控制周期的各子模块开关状态数据，通过全局范围内的最优匹配，实现了桥臂内所有子模块电容电压的快速收敛与高度均衡，保证了直流侧电压纹波最小化与交流侧输出波形的高质量。

32、在本技术第一方面的一些实施例中，所述根据所述当前控制周期的各子模块的开关状态数据，生成驱动脉冲信号以控制换流器运行，包括：

33、根据当前控制周期的各子模块开关状态数据，生成对应的脉宽调制pwm驱动信号；

34、将所述pwm驱动信号发送至各子模块的门极驱动单元，控制绝缘栅双极型晶体管igbt的导通与关断，以控制换流器运行。

35、相比于现有技术，上述实施例具有如下有益效果：通过根据当前控制周期的各子模块开关状态数据，生成对应的脉宽调制pwm驱动信号，完成了从数字逻辑电平到模拟驱动波形的转换，确保了控制指令的物理可执行性；进一步将所述pwm驱动信号发送至各子模块的门极驱动单元，控制绝缘栅双极型晶体管igbt的导通与关断，以控制换流器运行，实现了功率流的精确调控，确保了换流器能够按照预设的均压策略和热保护逻辑稳定输出电能，完成了整个控制闭环的最终执行环节。

36、第二方面，本发明还提供一种模块化多电平换流器的均压控制系统，包括：数据获取模块、计算模块、调整模块和控制模块；

37、其中，所述数据获取模块，用于获取模块化多电平换流器中各子模块的实时运行电气量及开关状态信号；

38、所述计算模块，用于根据所述实时运行电气量及开关状态信号，利用预设的热网络模型计算得到各子模块的功率器件的实时结温数据，并根据所述实时结温数据确定对应的控制模式；

39、所述调整模块，用于当所述控制模式为高温保护模式时，根据当前的调制需求，仅从处于旁路状态或投入状态中其中一种状态的子模块中选取满足电压条件的目标子模块进行投入或切出，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据；否则，对所有子模块的电容电压进行排序，并根据调制需求选取相应数量的子模块进行投入，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据；

40、所述控制模块，用于根据所述当前控制周期的各子模块的开关状态数据，生成驱动脉冲信号以控制换流器运行。

41、相比于现有技术，本技术以上实施例具有如下有益效果：获取换流器中各子模块的实时运行电气量及开关状态信号，为后续的热状态评估与控制决策提供精确的底层数据支撑；根据实时运行电气量及开关状态信号，计算各子模块的功率器件的实时结温数据，实现对功率器件内部热状态的在线软测量，避免直接安装温度传感器带来的硬件成本增加与响应滞后问题，能够精准捕捉过载工况下的瞬态温升趋势；根据实时结温数据确定对应的控制模式，当控制模式为高温保护模式时，根据当前的调制需求，仅从处于旁路状态或投入状态中其中一种状态的子模块中选取满足电压条件的目标子模块进行投入或切出，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据，这一特征通过限制参与排序和动作的子模块集合，大幅减少不必要的开关动作次数，从而显著降低开关损耗，有效遏制了过载期间器件结温的进一步攀升，解决了传统均压策略在重载下因频繁开关导致的热失控难题；否则对所有子模块的电容电压进行排序，并根据调制需求选取相应数量的子模块进行投入，得到当前控制周期的各子模块的开关状态数据，确保了在非过热工况下系统仍能维持高精度的电容电压平衡，保证电网侧电能质量与直流侧电压稳定；最后根据当前控制周期的各子模块的开关状态数据，生成驱动脉冲信号以控制换流器运行，实现了控制算法到物理执行的闭环；上述特征协同作用，通过“实时结温监测”与“双模态策略切换”的结合，在不增加硬件散热冗余的情况下，显著提升了模块化多电平换流器在短时过载工况下的热生存能力与运行可靠性。

42、在本技术第二方面的一些实施例中，所述计算模块，包括：提取单元、第一计算单元、第二计算单元、相加单元、模型计算单元和取值单元；

43、其中，所述提取单元，用于从所述实时运行电气量中提取当前时刻的桥臂电流数据及各子模块的电容电压数据；

44、所述第一计算单元，用于根据所述开关状态信号确定当前时刻各子模块中处于导通状态的功率器件类型，并结合所述桥臂电流数据及预设的器件导通特性参数，计算得到各功率器件的瞬态导通损耗值；

45、所述第二计算单元，用于根据所述开关状态信号识别当前时刻发生开关动作的功率器件，并结合所述电容电压数据、桥臂电流数据及预设的器件开关特性参数，计算得到各功率器件的瞬态开关损耗值；

46、所述相加单元，用于将各功率器件的瞬态导通损耗值与瞬态开关损耗值相加，得到各功率器件的总瞬时损耗功率数据；

47、所述模型计算单元，用于将所述总瞬时损耗功率数据作为热源输入至预设的热阻容网络模型中，通过迭代计算得到各功率器件的瞬态结温估计值；

48、所述取值单元，用于对于每一个子模块，取该子模块内所有功率器件瞬态结温估计值中的最大值，作为该子模块的实时结温数据。

49、相比于现有技术，上述实施例具有如下有益效果：从实时运行电气量中提取当前时刻的桥臂电流数据及各子模块的电容电压数据，明确热损耗计算的物理输入变量，进一步根据开关状态信号确定当前时刻各子模块中处于导通状态的功率器件类型，并结合桥臂电流数据及预设的器件导通特性参数，计算各功率器件的瞬态导通损耗值，实现对稳态发热源的精细化量化，反映了器件在持续导通期间的欧姆损耗累积效应；同时根据开关状态信号识别当前时刻发生开关动作的功率器件，并结合电容电压数据、桥臂电流数据及预设的器件开关特性参数，计算各功率器件的瞬态开关损耗值，精准捕捉由状态跃变引起的动态发热冲击，弥补了仅考虑导通损耗导致的温升估算偏差；通过将各功率器件的瞬态导通损耗值与瞬态开关损耗值相加，得到各功率器件的总瞬时损耗功率数据，构建了完整的瞬态热源模型，为热网络迭代提供了准确的功率激励；进而将所述总瞬时损耗功率数据作为热源输入至预设的热阻容网络模型中，通过迭代计算得到各功率器件的瞬态结温估计值，利用热阻容模型的惯性特性模拟了器件内部热量传递与积聚的物理过程，实现对不可直接测量的芯片结温的高精度重构；最后对于每一个子模块，取该子模块内所有功率器件瞬态结温估计值中的最大值，作为该子模块的实时结温数据，遵循了“短板效应”原则，以最恶劣的热状态作为控制依据，确保了在最危险工况下也能及时触发保护机制，提升了系统的热安全裕度。

50、第三方面，本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，所述计算机程序或指令被执行时，实现本发明任意一种模块化多电平换流器的均压控制方法。

51、第四方面，本技术实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明任意一种模块化多电平换流器的均压控制方法。