一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法及装置与流程

1.本发明涉及电力电子换流控制技术领域，具体涉及一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法及装置。


背景技术：

2.模块化多电平变换器(mmc)的拓扑结构与传统两电平或三电平拓扑结构的区别是mmc没有集中的直流侧电容，而用每个子模块中分散的直流电容替代。因此，如何在mmc的交直流侧传输功率的同时，维持子模块电容电压的稳定，就成了mmc运行过程中一个不可忽视的问题。mmc各子模块充放电的不同、开关损耗的不同以及驱动脉冲的不同都会导致子模块电容电压不平衡，送将直接影响mmc的安全稳定运行。因此子模块电容均压问题由此成为了mmc研究的关键。从整体的角度看，均压控制与调制策略紧密相关。
3.现有技术中的基于桥臂电流集的均压控制方法的典型策略是采集桥臂电流，并根据桥臂电流确定各子模块的充放电状态，接着根据电容电压排序序列，增加电压较低的子模块的充电时间，增加电压较高的子模块的放电时间，但这种控制会引起子模块开关频率不均，使电容电压相近的子模块被反复投入和切除；此外，通过对各子模块进行周期性开断轮换的基波开关频率调制控制方法，均未考虑到子模块物理器件的差异，这种差异会导致子模块均压控制失衡，周期性能量不平衡，电压容易发散。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法解决现有技术的不足，实现在变换器的交直流侧传输功率的同时，对子模块进行均压控制，维持子模块电容电压的稳定。
5.本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
6.本发明提供一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：
7.获取隔离型变换器各子模块的电压；
8.根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制。
9.优选的，所述根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制，包括：
10.判断隔离型变换器各子模块的电压是否偏离预设电压区间；
11.若是，则调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，若否，则结束操作。
12.进一步的，所述调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，包括：
13.基于隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的电压对各子模块进行升序/降序排序，获取子模块升序/降序序列并依次对子模块升序/降序序列中子模块进行编号；
14.对隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角进行降序/升序排序，获取移相角降序/升序序列并依次对移相角降序/升序序列中移相角进行编号；
15.调节所述子模块升序/降序序列中的编号为i的子模块的移相角为移相角降序/升序序列中编号为i的移相角；
16.其中，i∈[1,m]，m为编号总数。
[0017]
进一步的，所述预设电压区间为[99.5％u,100.5％u]；
[0018]
其中，u为子模块电容电压标准值。
[0019]
进一步的，按下式确定所述子模块电容电压标准值：
[0020][0021]
式中，u为隔离型变换器的额定电压，n为隔离型变换器的子模块总数。
[0022]
基于同一发明构思，本发明还提供一种隔离型模块化多电平变换器均压控制装置，其改进之处在于，所述装置包括：
[0023]
获取模块，用于获取隔离型变换器各子模块的电压；
[0024]
控制模块，用于根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制。
[0025]
优选的，所述获取模块，具体用于：
[0026]
判断单元，用于判断隔离型变换器各子模块的电压是否偏离预设电压区间；
[0027]
调节单元，用于若是，则调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，若否，则结束操作。
[0028]
进一步的，所述调节单元，包括：
[0029]
第一调节子单元，用于基于隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的电压对各子模块进行升序/降序排序，获取子模块升序/降序序列并依次对子模块升序/降序序列中子模块进行编号；
[0030]
第二调节子单元，用于对隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角进行降序/升序排序，获取移相角降序/升序序列并依次对移相角降序/升序序列中移相角进行编号；
[0031]
第三调节子单元，用于调节所述子模块升序/降序序列中的编号为i的子模块的移相角为移相角降序/升序序列中编号为i的移相角；
[0032]
其中，i∈[1,m]，m为编号总数。
[0033]
进一步的，所述预设电压区间为[99.5％u,100.5％u]；
[0034]
其中，u为子模块电容电压标准值。
[0035]
进一步的，按下式确定所述子模块电容电压标准值u：
[0036][0037]
式中，u为隔离型变换器的额定电压，n为隔离型变换器的子模块总数。
[0038]
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：
[0039]
本发明提供的一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法及装置，包括：获取隔离型变换器各子模块的电压；根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均
压控制；本发明的控制方法可以实现在变换器的交直流侧传输功率的同时，维持子模块电容电压的稳定，无需采集模块的电流，方案简单易实现。
[0040]
其中，在根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制中，设置电压区间，考虑到子模块物理器件的差异性，使能量正常和能量较低的子模块不参加均压控制，避免了均压控制失效和电压发散的缺点，提高了子模块的安全性；
[0041]
通过重新分配移相角实现均压控制，解决了现有技术中子模块会被反复投入和切除的问题，减小了子模块的开关频率，从另一层面增加了系统稳定性。
附图说明
[0042]
图1是本发明隔离型模块化多电平变换器均压控制方法流程图；
[0043]
图2是本发明实施例中变换器交流侧通用等效相量图；
[0044]
图3是本发明实施例中变换器的子模块电容电压第一变化图；
[0045]
图4是本发明实施例中变换器的子模块电容电压第二变化图；
[0046]
图5是本发明隔离型模块化多电平变换器均压控制装置示意图。
具体实施方式
[0047]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
[0048]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0049]
本发明提供一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法，如图1所示，所述方法包括：
[0050]
获取隔离型变换器各子模块的电压；
[0051]
根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制。
[0052]
下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步解释。
[0053]
本发明的实施例中，针对两套mmc变流器经交流侧连接的隔离型拓扑结构进行均压控制，该结构中vsc电压极性不会发生变化的，因此vsc侧的各子模块采用半桥拓扑结构，lcc侧电压极性会发生反转现象，因此lcc侧的各子模块采用全桥拓扑结构，中间采取隔离变压器实现一二次侧的电气隔离。
[0054]
在本发明的实施例中，上述根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制，包括：
[0055]
判断隔离型变换器各子模块的电压是否偏离预设电压区间；
[0056]
若是，则调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，若否，则结束操作。
[0057]
本发明通过调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，实现子模块的均压控制的原因如下：
[0058]
分析交流电流对各子模块电容电压的影响，流过各子模块的电流的为桥臂电流，根据mmc的基本原理，桥臂电流含有两个主要分量：直流分量与交流分量。直流分量为上桥
臂和下桥臂均含有的分量，属于共模量。直流分量主要包括了直流侧电流值的1/2和桥臂间环流。交流分量为交流侧的电流，交流侧电流流过上下两桥臂各1/2，但是方向相反，属于差模分量。
[0059]
通过理论分析可知，仅基于子模块电压排序的均压控制由于无法避免其本身的盲点，因此其应用范围将会大大缩小。所以需采取优化的控制方法扩大其适用范围。而单位移相量选定的前提下，子模块单周期能量积累值仅与移相角有关，与电流无关。
[0060]
通过控制子模块的移相角，可以控制子模块在单周期内能量积累的大小。因此可以基于电容电压排序结果，合理分配子模块移相角，实现子模块均压控制。具体理论分析如下：
[0061]
子模块电压均衡是一整个动态过程，在该动态过程内，子模块吸收的能量总和为0，则子模块处于平衡状态。在传统工频调制策略中，动态过程是以电压周波为单位的。但在本文的调制策略中，交流电压与电流处于同频状态，因此一个开关周期就完成了一次完整的能量吸收，数个开关周期构成一个动态过程，因此整个动态过程的分析在于单开关周期的分析。以原边侧a相下桥臂第k个子模块为例，分析子模块在单周期内的能量交互。忽略子模块电压波动，子模块电压为u
pri_dc
/n，n为桥臂子模块数量，u
pri_dc
为原边侧直流电压。则在一个开关周期t
s
内子模块吸收的能量e可由下式求得：
[0062][0063]
式中，s
k
为第k个子模块的开关函数的傅里叶展开式，如下：
[0064][0065]
式中，γ
k,2n-1
＝(2n-1)γ
k
，γ
k
为第k个子模块的移相角，n为傅里叶变换的点数。
[0066]
根据mmc工作原理，上下桥臂均分交流电流i
p
，共同含有共模电流i
c
，因此可表示出原边下桥臂电流i
prial
：
[0067][0068]
根据上式所示积分关系知：在一个开关周期t
s
内，子模块能量将受到共模电流与交流电流的共同影响。共模电流i
c
包含直流电源提供的直流量成分和偶次环流成分，如下式所示：
[0069][0070]
其中，i
pridc
为原边电源的输入直流量，i
c,2m
为偶次环流分量幅值，m为开关周期里分量的个数，a
2m
为共模电流的移相角。
[0071]
由于上述开关函数含有的各阶成分均为奇数次。根据三角函数正交原理可得：偶次环流分量与开关函数的奇次分量积分结果为0。又由于子模块开关的占空比是固定50％，因此原边电源的输入直流量对桥臂中各子模块的充放电相同，桥臂的共模电流对桥臂上所有子模块的充放电是相同的。而桥臂中的交流电流成分将会对不同移相角的子模块产生不同的能量积累。
[0072]
现取定两个子模块开关函数为s
i
和s
j
，q
i
与q
j
为对应开关函数与桥臂电流交流成
分的积分面积，显然当移相角不同时，子模块在单周期内吸收的电荷量不同，利用此差异，通过控制移相角可以消除子模块间储能差异，实现子模块电压均衡。
[0073]
求得原边交流电压u
p
如下：
[0074][0075]
原边交流电压u
p
，副边交流电压u
s
的各次谐波通式为：
[0076]
u
p,2n-1
＝(-1)
n 1
u
p,2n-1
cos(2n-1)ωt
[0077]
u
s,2n-1
＝(-1)
n 1
u
s,2n-1
cos[(2n-1)ωt δ
2n-1
)]
[0078]
其中，δ
2n-1
＝(2n-1)δ，δ为原边或副边的移相角，u
p,2n-1
与u
s,2n-1
为原副边电压第2n-1次谐波的幅值。选取原副边第2n-1次电压构建交流侧通用等效相量图，如图2所示。根据图2所示相量关系，可得原边交流电流各次谐波通式：
[0079]
i
p,2n-1
＝(-1)
n 1
i
p,2n-1
cos[(2n-1)ωt φ
p,2n-1
]
[0080]
式中，i
p,2n-1
为原边侧对应各次谐波电流的幅值，为u
p,2n-1
与i
p,2n-1
的功率因数角，ω为角频率，根据函数的正交原理，可将子模块能量e分解为：
[0081][0082]
其中，e
const
为共模电流引入的能量，对于所有子模块均相同。e
2n-1
为第2n-1阶次交流电流引入的能量，这部分能量对于不同子模块是不同的。由于函数的正交原理，同次电压电流之间才会产生或者消耗能量。
[0083]
因此将对应次数的交流电压和电流相乘并求和，即可求出各阶次能量通式e
2n-1
：
[0084][0085]
根据图2所示的相量关系，上式可简化为下式.
[0086]
e
2n-1
＝a
2n-1
f(δ
2n-1
,γ
k,2n-1
)
[0087]
其中，
[0088][0089]
f(δ
2n-1
,γ
k,2n-1
)＝sinδ
2n-1
cosγ
k,2n-1-(z-cosδ
2n-1
)sinγ
k,2n-1
，
[0090][0091]
式中，n1为原边桥臂子模块数量，n2为副边桥臂子模块数量，u
sec_dc
为副边侧直流电压。
[0092]
根据子模块能量通式看出：各阶次子模块能量e
2n-1
与移相角γ
k,2n-1
相关。
[0093]
具体的，上述调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，包括：
[0094]
基于隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的电压对各子模块进行升序/降序排序，获取子模块升序/降序序列并依次对子模块升序/降序序列中子模块进行编号；
[0095]
对隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角进行降序/升序排序，获取移相角降序/升序序列并依次对移相角降序/升序序列中移相角进行编号；
[0096]
调节所述子模块升序/降序序列中的编号为i的子模块的移相角为移相角降序/升
序序列中编号为i的移相角；
[0097]
其中，i∈[1,m]，m为编号总数。
[0098]
进一步的，所述预设电压区间为[99.5％u,100.5％u]；
[0099]
其中，u为子模块电容电压标准值。
[0100]
进一步的，按下式确定所述子模块电容电压标准值：
[0101][0102]
式中，u为隔离型变换器的额定电压，n为隔离型变换器的子模块总数。
[0103]
在仿真软件中搭建前述mmc拓扑，在均压控制的仿真实验中，vsc侧接入 800v的直流电压源，lcc侧接入 900v，将vsc侧a相上桥臂4个子模块电容电压仿真实验波形作为分析对象，如图3所示，在初始时刻之后的一段时间内，4个子模块电容电压呈现明显的发散趋势，在0.2s时投入本发明的均压控制方法后，即将其移相角重新分配，在随后的时间中，电压呈现明显的收敛趋势，最终电压电容呈现稳定状态。图3中横轴表示时间time，单位是秒s，纵轴表示电容电压，capacitors voltage，单位是伏特v。
[0104]
并且，控制vsc侧直流电流为43a，用以模拟负载突变的情况。如图4所示，可以看出，电容电压波动范围变大，其波动值小于1.4v，且直流电流升高。但各子模块电容电压依然呈现收敛趋势。对于额定工作电压为200v的子模块来说，1.4v的电压波动依然在接受范围内。就此可以看出，该均压控制方法具有一定的适用性，在负载较大和较小时也可以保持较好的均压控制效果，并且在负载突变的瞬间，均压控制没有失效。图4中横轴表示时间time，单位是秒s，左侧纵轴表示直流电流dc current，单位是安培a，右侧纵轴表示电容电压，capacitors voltage，单位是伏特v。
[0105]
基于同一发明构思，本发明还提供一种隔离型模块化多电平变换器均压控制装置，如图5所示，所述装置包括：
[0106]
获取模块，用于获取隔离型变换器各子模块的电压；
[0107]
控制模块，用于根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制。
[0108]
优选的，所述获取模块，具体用于：
[0109]
判断单元，用于判断隔离型变换器各子模块的电压是否偏离预设电压区间；
[0110]
调节单元，用于若是，则调节隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角，若否，则结束操作。
[0111]
进一步的，所述调节单元，包括：
[0112]
第一调节子单元，用于基于隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的电压对各子模块进行升序/降序排序，获取子模块升序/降序序列并依次对子模块升序/降序序列中子模块进行编号；
[0113]
第二调节子单元，用于对隔离型变换器中偏离预设电压区间的各子模块的移相角进行降序/升序排序，获取移相角降序/升序序列并依次对移相角降序/升序序列中移相角进行编号；
[0114]
第三调节子单元，用于调节所述子模块升序/降序序列中的编号为i的子模块的移相角为移相角降序/升序序列中编号为i的移相角；
[0115]
其中，i∈[1,m]，m为编号总数。
[0116]
进一步的，所述预设电压区间为[99.5％u,100.5％u]；
[0117]
其中，u为子模块电容电压标准值。
[0118]
进一步的，按下式确定所述子模块电容电压标准值u：
[0119][0120]
式中，u为隔离型变换器的额定电压，n为隔离型变换器的子模块总数。
[0121]
综上所述，本发明提供的一种隔离型模块化多电平变换器均压控制方法及装置，包括：获取隔离型变换器各子模块的电压；根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制；本发明的控制方法可以实现在变换器的交直流侧传输功率的同时，维持子模块电容电压的稳定，无需采集模块的电流，方案简单易实现；
[0122]
其中，在根据隔离型变换器各子模块的电压对隔离型变换器进行均压控制中，设置电压区间，考虑到子模块物理器件的差异性，使能量正常和能量较低的子模块不参加均压控制，避免了均压控制失效和电压发散的缺点，提高了子模块的安全性；并且，通过重新分配移相角实现均压控制，解决了现有技术中子模块会被反复投入和切除的问题，减小了子模块的开关频率，从另一层面增加了系统稳定性。
[0123]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0124]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0125]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0126]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0127]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。