基于电压传感器复用的级联型变流器子模块电压测量方法与流程

1.本发明属于级联型多电平变流器技术领域，尤其涉及基于电压传感器复用的级联型多电平变流器子模块电压测量方法。


背景技术：

2.级联型多电平变流器采用串联若干低压功率单元的方式来实现高压输出，这种模块化结构易向更多电平数扩展，可工作于更高电压等级且输出谐波含量少；电路中单个开关器件分压小，且可保证开关器件较低工作频率运行，降低了开关损耗。
3.目前级联型多电平变流器的多模块设计对电压传感器的需求量大，使得级联型多电平变流器的建造与运行成本提高。
4.目前级联型多电平变流器子模块电压的测量方法主要分为两种：
5.第一种，每个电压传感器测量一个子模块的电容电压。采用上述方法得到的测量值准确，但需要大量的电压传感器，提高了变流器的建造与运行成本。
6.第二种，通过将子模块分组，每个电压传感器测量一组子模块的输出电压之和。电压采样仅发生在本组只有一个子模块开通的情况下。在两次电压采样动作之间，通过测算流经子模块电容的电流，对电容电压变化值进行估计；然而，采用上述方法，仅能在单个子模块开通时刻测量该子模块电容电压值，导致电容电压等效采样时间长，测量误差大，且会引起系统控制精度和相应速度下降。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种基于电压传感器复用的级联型变流器子模块电压测量方法，拟解决背景技术中提到的技术问题。
8.解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案；
9.基于电压传感器复用的级联型多电平变流器子模块电压测量电路，包括由m个子模块组成的一组级联子模块；一个电压传感器测量一组级联子模块的输出电压之和；所述m小于或等于级联型多电平变流器中子模块的个数；在模块化多电平变流器(mmc)应用中所述m的个数小于或等于桥臂子模块个数。
10.基于电压传感器复用的级联型多电平变流器子模块电压测量方法，包括以下步骤：
11.步骤1：电压传感器检测每组级联子模块的输出电压之和，每组级联子模块均包含有m个子模块，所述m小于或等于级联型多电平变流器中子模块的个数，并且在mmc应用中所述m的个数小于或等于桥臂子模块的个数；
12.步骤2：基于步骤1中电压传感器检测到每组级联子模块的输出电压之和，结合子模块输出电压由子模块开关信号和电容电压值的乘积标识，得到如下数学建模：
13.u
s
(t)＝s1(t)
×
u
cu1
(t) s2(t)
×
u
cu2
(t)
…
s
m
(t)
×
u
cum
(t)
14.其中u
s
(t)表示电压传感器在t时刻的测量值；
15.其中s
m
(t)表示第m个子模块在t时刻的开关信号；
16.其中u
cum
(t)表示第m个子模块在t时刻的电容电压值。
17.步骤3：电压传感器在不同时刻进行m次采样后，构造如下矩阵：
[0018][0019]
其中u
s
(t
m
)表示电压传感器在t
m
时刻的测量值；
[0020]
其中s
m
(t
m
)表示第m个子模块在t
m
时刻的开关信号；
[0021]
其中u
cum
表示第m个子模块的电容电压。
[0022]
步骤4：基于步骤3中的矩阵计算，得到本组所有子模块的电容电压值。
[0023]
与现有技术相比本发明的有益效果是：
[0024]
1.对基于电压传感器复用的级联型多电平变流器子模块电压测量方法进行数学建模，抽象出电压传感器复用测量法的理论数学模型；基于得到的数学模型，首次将基于电压传感器复用的子模块电压测量过程化为矩阵表达形式。通过评估采样过程中所得开关矩阵是否满秩，可判断电容电压矩阵能否得到唯一解；通过合理构造开关矩阵的形式，可以加快电容电压矩阵的求解速度，降低求解难度。因此可以通过选取合适的传感器采样时刻，构造易于求解的开关矩阵，由矩阵运算快速解得本组所有子模块的电容电压值。
[0025]
2.所提子模块电压解算方法基于数学模型，故可以通过数学证明论证方案合理性，并可基于理论分析进一步优化解决方案；可以大大减少级联多电平变流器中的电压传感器数量，同时实现所有子模块电容电压值的快速求解。
附图说明
[0026]
图1为本发明的子模块电容电压测量方法中的基于半桥子模块拓扑图。
[0027]
图2为本发明的子模块电容电压测量方法中的基于全桥子模块拓扑图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
参见附图1和2，对本发明的最优实施例作进一步的说明；
[0030]
基于电压传感器复用的级联型多电平变流器子模块电压测量电路，包括由m个子模块组成的一组级联子模块；一个电压传感器测量一组级联子模块的输出电压之和；所述m小于或等于级联型多电平变流器中子模块的个数；在模块化多电平变流器(mmc)应用中所述m的个数小于或等于桥臂子模块个数。
[0031]
每个子模块有两个引出端，分别为上端和下端，两端之间的电压为子模块输出电压，同一组级联子模块中前一子模块的下端与后一子模块的上端相连，以此类推形成级联结构。同一组级联子模块中的第一个子模块的上端连接电压传感器的正极测量端，最后一
个子模块的下端连接电压传感器的负极测量端，以测量一组级联子模块的输出电压之和；
[0032]
参见图1所示，每个半桥子模块包含两个全控型开关管和对应的反并联二极管及一个直流储能电容，半桥子模块有两个引出端，分别为上端和下端，两端之间的电压为子模块输出电压，同一组级联子模块中前一子模块的下端和后一子模块的上端相连，以此类推形成级联结构；同一组级联子模块中第一个子模块的上端连接电压传感器的正极测量端，最后一个子模块的下端连接电压传感器的负极测量端，实现一组级联子模块输出电压之和的测量。
[0033]
参见图2所示，每个全桥子模块包含四个全控型开关管和对应的反并联二级管以及一个直流储能电容，全桥子模块也有两个引出端，两端之间的电压为子模块输出电压，每组级联子模块中上一子模块的下端与下一子模块的上端相连，以此类推形成级联结构；每组级联子模块中的第一个子模块的上端连接电压传感器的正极侧量端；最后一个子模块的下端连接电压传感器的负极测量端，实现一组级联子模块输出电压之和的测量。
[0034]
基于电压传感器复用的级联型多电平变流器子模块电压测量方法，包括以下步骤：
[0035]
步骤1：电压传感器检测每组级联子模块的输出电压之和，每组级联子模块均包含有m个子模块，所述m小于或等于级联型多电平变流器中子模块的个数，并且在mmc应用中所述m的个数小于或等于桥臂子模块的个数；
[0036]
步骤2：基于步骤1中电压传感器检测到每组级联子模块的输出电压之和，结合子模块输出电压由子模块开关信号和电容电压值的乘积标识，得到如下数学建模：
[0037]
u
s
(t)＝s1(t)
×
u
cu1
(t) s2(t)
×
u
cu2
(t)
…
s
m
(t)
×
u
cum
(t)
[0038]
其中u
s
(t)表示电压传感器在t时刻的测量值；
[0039]
其中s
m
(t)表示第m个子模块在t时刻的开关信号；
[0040]
其中u
cum
(t)表示第m个子模块在t时刻的电容电压值。
[0041]
步骤3：电压传感器在不同时刻进行m次采样后，构造如下矩阵：
[0042][0043]
其中u
s
(t
m
)表示电压传感器在t
m
时刻的测量值；
[0044]
其中s
m
(t
m
)表示第m个子模块在t
m
时刻的开关信号；
[0045]
其中u
cum
表示第m个子模块的电容电压。
[0046]
对于步骤3中矩阵来源做出以下说明：
[0047]
对每个级联子模块在不同时刻内进行m次采样后，得到以下方程组1：
[0048][0049]
考虑子模块电容电压变化缓慢，认为对任意第i个子模块(1≤i≤m)，有u
cui
(t1)＝u
cui
(t2)＝u
cui
(t3)＝
…
＝u
cui
(t
m
)，故上述方程组可改写为方程组2：
[0050][0051]
将上述方程组2表达为矩阵式，就能够得到步骤3中所述的矩阵。
[0052]
步骤4：根据线性代数知识，在测量矩阵u
s
与开关矩阵s已知，且s矩阵行向量线性无关的情况下，子模块电容电压矩阵u
cu
有唯一解，且可通过矩阵计算求解，由此可求得本组所有子模块电容电压测量值。基于本发明所提方案，通过短时间内单个传感器在不同子模块组合下的多次采样，得到传感器测量值矩阵与向量组线性无关的开关矩阵s，并通过矩阵计算得到子模块电容电压矩阵，即本组所有子模块的电容电压值。
[0053]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0054]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。