低功率运行下MMC开关损耗优化方法及设备

低功率运行下mmc开关损耗优化方法及设备
技术领域
1.本发明属于电力电子换流器控制及调节技术领域，具体涉及一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法。


背景技术：

2.mmc(modular multilevel converter，模块化多电平换流器)采用了模块化结构，因其具有高可靠性、输出特性好、结构调节灵活及可实现冗余控制等优点，在柔性直流输电、可再生能源并网和电机驱动等领域广受关注。
3.由于模块化多电平换流器子模块功率器件开关频率较高，会产生较大的开关损耗，导致器件使用寿命下降，增加mmc运行成本。当mmc低功率运行时，其桥臂电流较小，电容电压波动也较小，但较大功率运行场合，功率器件开关频率并没有明显降低。因此，mmc低功率运行下功率器件开关损耗仍有较大优化空间，较低的开关损耗有利于模块化多电平换流器系统的高效稳定运行。
4.针对模块化多电平换流器损耗优化问题，常规方法通过改变模块化多电平换流器电路拓扑结构或者重新匹配调制策略的方法，以达到减小损耗的目的，但上述方法会导致模块化多电平换流器建设成本增加、控制算法复杂度增加等问题，限制了上述方法在实际工程中的应用。
5.针对上述提出的问题，需要设计一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，通过减小电容电压控制周期，从而达到保证电容电压波动率低于10%的条件下，减小子模块平均开关次数n
ave
与子模块平均开关损耗p
loss
，实现降低器件损耗和延长器件寿命的目的。
7.本发明为解决以上技术问题采用以下技术方案实现：本发明提出一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，具体包括以下步骤：s1、基于模块化多电平换流器交流侧电流模型，当其运行于低功率等级时，采样桥臂中n个子模块开关信号si和桥臂电流i
arm
；其中子模块开关信号si表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中i=1,2
…
n。
8.s2、计算一个基频周期内n个子模块电容电压变化量δu
ci
(i=1,2
…
n)；在模
块化多电平换流器低功率运行时，一个基频周期内各个子模块电容电压变化量：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)其中，c是子模块的电容容值。
9.s3、根据子模块平均电容电压u
sm
，计算子模块电容电压波动率，
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)然后通过比较各个子模块电容电压波动率，得到桥臂子模块电容电压波动率最大值：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，代表各个子模块的电容电压波动率。
10.s4、若各个子模块电容电压波动率最大值小于10%，即电容电压波动在合理范围内，则减小电容电压控制周期t
control
，从而达到减小子模块平均开关次数n
ave
与子模块平均开关损耗p
loss
的目的。
11.其中桥臂中子模块平均开关次数n
ave
随基频周期tf的增大而减小，桥臂中子模块平均开关次数n
ave
随基频周期tf的减小而增大。
12.子模块平均开关损耗p
loss
根据公式求得，p
swt1
、p
swt2
、p
swd1
、p
swd2
的计算方法具体为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)公式(5)中，i
t1
为流过第一功率开关t1的电流大小，i
t2
为流过第二功率开关t2的电流大小，i
d1
为流过第一二极管d1的电流大小，i
d2
为流过第二二极管d2的电流大小，e
on
( )为功率开关导通能量函数，e
off
( )为功率开关关断能量函数，e
rec
( )为二极管反向恢复能量函数，u
sm
是子模块的平均电容电压。
13.若桥臂电流i
arm
》0且si=1，此时i
t1 =0，i
t2_jn
=0，i
d1 =i
arm
，i
d2 =0；若桥臂电流i
arm
》0且si=0，此时i
t1 =0，i
t2 =i
arm
，i
d1 =0，i
d2 =0；若桥臂电流i
arm
《0且si=1，此时i
t1
=-i
arm
，i
t2
=0，i
d1
=0，i
d2
=0；若桥臂电流i
arm
《0且si=0，此时i
t1
=0，i
t2
=0，i
d1
=0，i
d2
=-i
arm
。
14.由于低功率下桥臂电流较小，因此减小所述s2中电容电压控制周期t
control
后，所述s3中电容电压波动率不会显著上升，从而达到保证电容电压波动率低于10%的条件下，
减小所述s4中子模块平均开关次数n
ave
与子模块平均开关损耗p
loss
，实现降低器件损耗和延长器件寿命的目的。另一方面，本发明还提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令，所述处理器执行所述程序指令以实现本发明前述方法的步骤。
15.本发明采用以上技术方案所具有的有益技术效果如下：1、本发明提出的一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，通过调整电容电压控制周期，减小子模块平均开关次数与子模块平均开关损耗，实现降低器件损耗和延长器件寿命的目的，控制算法简单且易于实施。
16.2、本发明提出的一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，无需改变模块化多电平换流器子模块的拓扑结构，不会增加模块化多电平换流器的建设成本且易于在现有模块化多电平换流器系统中实施，具有较强的实用性。
17.3、本发明提出的一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，既能保证电容电压波动在合理范围，并且几乎不会影响输出电能质量。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1是本发明实施例的三相模块化多电平换流器拓扑结构示意图。
20.图2是本发明实施例的半桥子模块拓扑结构示意图。
21.图3是本发明实施例的整体方法流程示意图。
具体实施方式
22.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作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。
23.本发明针对子模块故障下模块化多电平换流器损耗优化问题，提出了一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，其中三相模块化多电平换流器及子模块的拓扑结构如图1、图2所示，三相模块化多电平换流器由六个桥臂构成，每个桥臂包含了n（n为正整数）个拓扑结构相同的子模块（sub-module, sm）以及一个桥臂电感l0；子模块为半桥结构，由两个二极管d1、d2，两个igbt功率开关t1、t2以及一个电容c0组成。
24.如图3所示，一种低功率运行下模块化多电平换流器开关损耗优化方法，包括：基于模块化多电平换流器交流侧电流模型，当其运行于低功率等级时，采样子模块开关信号和桥臂电流，计算一个基频周期内各个子模块电容电压变化量和子模块电容电压波动率；由于模块化多电平换流器运行于低功率等级时，桥臂电流较小，子模块电容电压波动率较小，若子模块电容电压波动率小于10%，则可以减小电容电压控制周期，从而达到减小开关频率与开关损耗的目的。
25.本发明的优化方法具体包括以下步骤：s1、基于模块化多电平换流器交流侧电流模型，当其运行于低功率等级时，采样桥臂中n个子模块开关信号si(i=1,2
…
n)和桥臂电流i
arm
；s2、计算一个基频周期t
funda
内n个子模块电容电压变化量δu
ci
(i=1,2
…
n)；s3、根据子模块平均电容电压u
sm
，计算子模块电容电压波动率，比较得到峭壁中子模块电容电压波动率最大值；s4、若各个子模块电容电压波动率最大值小于10%，即电容电压波动在合理范围内，则减小电容电压控制周期t
control
，从而达到减小子模块平均开关次数n与子模块平均开关损耗p
loss
的目的。
26.所述s1中的子模块开关信号si可表示为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)所述s2中的模块化多电平换流器低功率运行时，一个基频周期t
funda
内各个子模块电容电压变化量：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)公式(2)中，c是子模块的电容容值。
27.所述s3中的子模块电容电压波动率：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)公式(3)中，u
sm
是子模块的平均电容电压。
28.所述s3中，通过比较各个子模块电压波动率，可以得到桥臂子模块电容电压波动率最大值：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)所述s4中桥臂中子模块平均开关次数n
ave
随基频周期tf的增大而减小，桥臂中子模块平均开关次数n
ave
随基频周期tf的减小而增大。
29.所述s4中子模块平均开关损耗p
loss
根据公式，求得，p
swt1
、p
swt2
、p
swd1
、p
swd2
的计算方法具体为：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
公式(5)中，i
t1
为流过第一功率开关t1的电流大小，i
t2
为流过第二功率开关t2的电流大小，i
d1
为流过第一二极管d1的电流大小，i
d2
为流过第二二极管d2的电流大小，e
on
( )为功率开关导通能量函数，e
off ( )为功率开关关断能量函数，e
rec
( )为二极管反向恢复能量函数，u
sm
是子模块的平均电容电压。
30.所述s4中若桥臂电流i
arm
》0且si=1，此时i
t1 =0，i
t2_jn
=0，i
d1 =i
arm
，i
d2 =0；若桥臂电流i
arm
》0且si=0，此时i
t1 =0，i
t2 =i
arm
，i
d1 =0，i
d2 =0；若桥臂电流i
arm
《0且si=1，此时i
t1
=-i
arm
，i
t2
=0，i
d1
=0，i
d2
=0；若桥臂电流i
arm
《0且si=0，此时i
t1
=0，i
t2
=0，i
d1
=0，i
d2
=-i
arm
。
31.由于低功率下桥臂电流较小，因此减小所述s2中电容电压控制周期t
control
后，所述s3中电容电压波动率不会显著上升，从而达到保证电容电压波动率低于10%的条件下，减小所述s4中子模块平均开关次数n
ave
与子模块平均开关损耗p
loss
，实现降低器件损耗和延长器件寿命的目的。
32.本实施例还提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令所述处理器执行所述程序指令以实现本发明所提出方法的各个步骤。
33.需要说明的是，本技术实施例关于设备的技术方案描述，与上述方法实施例的描述是类似的，具有同方法实施例相似的有益效果，因此不做赘述。
34.用于实施本技术的方法的程序代码可以采用一个或多个编程语言的任何组合来编写。这些程序代码可以提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器或控制器，使得程序代码当由处理器或控制器执行时使流程图和/或框图中所规定的功能/操作被实施。程序代码可以完全在机器上执行、部分地在机器上执行，作为独立软件包部分地在机器上执行且部分地在远程机器上执行或完全在远程机器或服务器上执行。
35.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
36.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。