MMC共模电压抑制方法、装置及系统

mmc共模电压抑制方法、装置及系统
技术领域
1.本发明属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种mmc共模电压抑制方法、装置及系统。


背景技术：

2.模块化多电平变换器(modular multilevel converter，mmc)以其良好的模块性、灵活的可扩展性和良好的波形质量，在直流输电、电机驱动、可再生能源集成等方面有着广阔的应用前景。常规的mmc调制方法会产生共模电压，从而感应出共模电流进一步传播与衍化产生电磁干扰，对变换器本身的安全运行产生威胁。在光伏系统中，共模电压会产生漏电流损坏光伏板；在电机系统中，共模电压会转变为轴电压危害电机运行。同时，由于共模电压与子模块电压成正比，随着功率器件额定电压的提升，尤其是sic器件在mmc中的应用的拓展，共模电压威胁在未来将进一步加大。
3.现有的mmc共模电压抑制的方法主要通过筛选mmc开关矢量中的零共模电压矢量来实现，该方法的一大缺陷就是会造成mmc交流侧总谐波失真(total harmonic distortion，thd)的提升。未来随着器件截止电压增加、子模块数减少，该缺陷将愈发明显，降低输出波形质量。同时，如何抑制mmc子模块的电容电压波动，也是mmc优化面临的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种mmc共模电压抑制方法、装置及系统，其目的在于在抑制共模电压的同时实现thd优化以及环流抑制。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种mmc共模电压抑制方法，包括：s1，根据mmc所采用的调制策略，为mmc构建多组备选开关矢量，所述备选开关矢量用于表征mmc中各桥臂中mmc子模块投入数量；s2，分别计算每组备选开关矢量下，三相上桥臂或三相下桥臂中mmc子模块投入数量的和，将和为3n/2-1的备选开关矢量分为第i类，和为3n/2的备选开关矢量分为第ii类，和为3n/2 1的备选开关矢量分为第iii类，n为任一桥臂中mmc子模块的数量；s3，分别计算每组备选开关矢量下，mmc交流侧实际输出向量相对于目标调制向量的偏差；s4，若最小偏差对应的备选开关矢量为第ii类，根据最小偏差对应的备选开关矢量控制mmc，否则，根据最小偏差对应的备选开关矢量下是否能抑制环流，选择相应的备选开关矢量控制mmc。
6.更进一步地，当最小偏差对应的备选开关矢量为第i类或第iii类时，若最小偏差对应的备选开关矢量下抑制环流，根据最小偏差对应的备选开关矢量控制mmc，否则，根据第ii类中偏差最小的备选开关矢量控制mmc。
7.更进一步地，当最小偏差对应的备选开关矢量为第i类或第iii类时，若最小偏差对应的备选开关矢量下环流的方向与环流的变化方向相反，能抑制环流，否则，不能抑制环流。
8.更进一步地，所述调制策略为nlm调制策略，j相桥臂中mmc子模块投入数量为
[n
j,ref
]或[n
j,ref
] 1，j＝a、b、c，所述s1中构建8组备选开关矢量；
[0009][0010][0011][0012]
其中，n
j,ref
为j相桥臂中mmc子模块投入数量理论值，m为调制比，ω0为基频角频率，为初始相位角，t为时间。
[0013]
更进一步地，所述偏差为：
[0014][0015][0016][0017]
其中，δv
x
为所述偏差，n
jo,ref
为mmc交流侧j相目标调制值，n
jo,x
为mmc交流侧j相实际输出值，n
jn,ref
、n
jp,ref
分别为mmc中j相上、下桥臂mmc子模块投入数量的目标值，n
jn,x
、n
jp,x
分别为mmc中j相上、下桥臂mmc子模块投入数量的实际值，j＝a、b、c。
[0018]
更进一步地，所述s4中对每一桥臂中mmc子模块分别进行排序，根据最终确定的备选开关矢量以及排序结果，实时投入或切除相应的mmc子模块。
[0019]
按照本发明的另一个方面，提供了一种mmc共模电压抑制装置，包括：构建模块，用于根据mmc所采用的调制策略，为mmc构建多组备选开关矢量，所述备选开关矢量用于表征mmc中各桥臂中mmc子模块投入数量；划分模块，用于分别计算每组备选开关矢量下，三相上桥臂或三相下桥臂中mmc子模块投入数量的和，将和为3n/2-1的备选开关矢量分为第i类，和为3n/2的备选开关矢量分为第ii类，和为3n/2 1的备选开关矢量分为第iii类，n为任一桥臂中mmc子模块的数量；计算模块，用于分别计算每组备选开关矢量下，mmc交流侧实际输出向量相对于目标调制向量的偏差；选择及控制模块，用于若最小偏差对应的备选开关矢量为第ii类，根据最小偏差对应的备选开关矢量控制mmc，否则，根据最小偏差对应的备选开关矢量下是否能抑制环流，选择相应的备选开关矢量控制mmc。
[0020]
按照本发明的另一个方面，提供了一种mmc共模电压抑制系统，包括：mmc和控制单元，所述mmc的每个桥臂包含n个串联的mmc子模块，所述控制单元用于执行如上所述的mmc共模电压抑制方法，以控制所述mmc。
[0021]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
[0022]
(1)提出一种mmc共模电压抑制方法，基于nlm调制策略，除了挑选桥臂子模块投入
和为n的开关组合外，还设计了投入和为n-1和n 1的开关组合，通过环流状态决定n-1、n、n 1开关组合的选取，利用了更多的开关矢量，实现mmc共模电压抑制的同时，避免了传统方法导致的交流电流thd升高的问题，优化了输出电能质量；
[0023]
(2)在环流大于0时选择n 1开关组合，环流小于0时选择n-1开关组合，使得直流侧投入子模块数的变化有利于环流抑制，进而降低mmc子模块电容电压波动，有利于降低mmc的体积，实现装置轻型化；同时，由于三相上桥臂的投入和、三相下桥臂的投入和始终一致，维持了共模电压抑制效果；
[0024]
(3)该可实现thd优化以及环流抑制的mmc共模电压抑制方法，不需要改变mmc的装置结构，适用于任意子模块、系统拓扑；此外，该方法不会造成mmc输出的变化，因此，兼容任意mmc系统层控制；
[0025]
(4)针对未来器件截止电压逐步提升的情形，相对于传统方法，该可实现thd优化以及环流抑制的mmc共模电压抑制方法的优势将更为明显，具备长久价值，适用场景丰富。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制方法的流程图；
[0027]
图2为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制方法的实现过程图；
[0028]
图3为本发明实施例提供的mmc拓扑及共模电压的示意图；
[0029]
图4为本发明实施例提供的mmc开关矢量分组示意图；
[0030]
图5为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制方法中基于nlm调制策略及向上、向下取整的示意图；
[0031]
图6为本发明实施例提供的第i、ii、iii三类的最近开关矢量与所需调制向量的示意图；
[0032]
图7为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制方法、未加入共模电压抑制、加入传统共模电压抑制方法的对比示意图；
[0033]
图8为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制装置的框图。
具体实施方式
[0034]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0035]
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
[0036]
图1为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制方法的流程图。参阅图1，结合图2-图7，对本实施例中mmc共模电压抑制方法进行详细说明，方法包括操作s1-操作s4。
[0037]
操作s1，根据mmc所采用的调制策略，为mmc构建多组备选开关矢量，备选开关矢量用于表征mmc中各桥臂中mmc子模块投入数量。
[0038]
本实施例中，mmc拓扑如图3所示。参阅图3，mmc包括多个桥臂，每个桥臂(即每相的上桥臂或下桥臂)上设置有n个串联的mmc子模块sm1、sm2、
……
、smn，每个mmc子模块的结构
如图3中半桥子模块所示。n为设定值，可以根据mmc的应用场景确定。
[0039]
优选地，本实施例选，mmc所采用的调制策略为最近电平逼近调制(nearest level modulation，nlm)策略。nlm调制策略下，j相桥臂中mmc子模块投入数量为[n
j,ref
]或[n
j,ref
] 1，j＝a、b、c，其中，[]为取整运算，如图5所示。
[0040][0041][0042][0043]
其中，n
j,ref
为j相桥臂中mmc子模块投入数量理论值，m为调制比，ω0为基频角频率，为初始相位角，t为时间。
[0044]
由此，操作s1中，构建8组备选开关矢量，分别为：{[n
a,ref
],[n
b,ref
],[n
c,ref
]}、{[n
a,ref
],[n
b,ref
] 1,[n
c,ref
]}、{[n
a,ref
],[n
b,ref
],[n
c,ref
] 1}、{[n
a,ref
],[n
b,ref
] 1,[n
c,ref
] 1}、{[n
a,ref
] 1,[n
b,ref
],[n
c,ref
]}、{[n
a,ref
] 1,[n
b,ref
] 1,[n
c,ref
]}、{[n
a,ref
] 1,[n
b,ref
],[n
c,ref
] 1}、{[n
a,ref
] 1,[n
b,ref
] 1,[n
c,ref
] 1}。备选开关矢量中的三个参数分别代表a、b、c相桥臂投入的mmc子模块数量，同一相上、下桥臂投入的mmc子模块数量相同。
[0045]
操作s2，分别计算每组备选开关矢量下，三相上桥臂或三相下桥臂中mmc子模块投入数量的和，将和为3n/2-1的备选开关矢量分为第i类，和为3n/2的备选开关矢量分为第ii类，和为3n/2 1的备选开关矢量分为第iii类，n为任一桥臂中mmc子模块的数量。
[0046]
参阅图4，对于任一组备选开关矢量，以上桥臂为例，将三相上桥臂投入的mmc子模块数量相加，相加所得结果有3n/2-1、3n/2、3n/2 1三种情况，分别对应第i类、第ii类、第iii类。由此，将操作s1中构建的8组备选开关矢量划分为三组。
[0047]
操作s3，分别计算每组备选开关矢量下，mmc交流侧实际输出向量相对于目标调制向量的偏差。
[0048]
根据本发明的实施例，计算得到的偏差为：
[0049][0050][0051][0052]
其中，δv
x
为偏差，n
jo,ref
为mmc交流侧j相目标调制值，n
jo,x
为mmc交流侧j相实际输出值，n
jn,ref
、n
jp,ref
分别为mmc中j相上、下桥臂mmc子模块投入数量的目标值，n
jn,x
、n
jp,x
分别为mmc中j相上、下桥臂mmc子模块投入数量的实际值，j＝a、b、c。
[0053]
操作s4，若最小偏差对应的备选开关矢量为第ii类，根据最小偏差对应的备选开关矢量控制mmc，否则，根据最小偏差对应的备选开关矢量下是否能抑制环流，选择相应的备选开关矢量控制mmc。
[0054]
根据本发明的实施例，当最小偏差对应的备选开关矢量为第i类或第iii类时，若最小偏差对应的备选开关矢量下抑制环流，根据最小偏差对应的备选开关矢量控制mmc，否则，根据第ii类中偏差最小的备选开关矢量控制mmc。
[0055]
根据本发明的实施例，当最小偏差对应的备选开关矢量为第i类或第iii类时，若最小偏差对应的备选开关矢量下环流的方向与环流的变化方向相反，能抑制环流，否则，不能抑制环流。
[0056]
具体地，本实施例中，从三个类别中分别挑选出该类别下偏差最小的备选开关矢量，分别相应记为备选开关矢量i、备选开关矢量ii、备选开关矢量iii，这三个备选开关矢量与目标调制向量之间的关系例如图6所示。
[0057]
本实施例中，采用第ii类备选开关矢量的开关方式，不会影响环流量幅值，采用第i类备选开关矢量的开关方式，会造成特定两相环流量的增加，采用第iii类备选开关矢量的开关方式，会造成特定两相环流量的降低。基于此，挑选出上述三个备选开关矢量后，执行如图2所示的方式确定最终选择的备用开关矢量。
[0058]
参阅图2，若备选开关矢量ii最小，即最小偏差对应的备选开关矢量为第ii类，直接根据备选开关矢量ii控制mmc。
[0059]
若备选开关矢量i最小，即最小偏差对应的备选开关矢量为第i类，每相环流会随时间实时变化，需要依据环流进一步判定：当环流变化i
cir_j
为负时，环流变化方向与环流方向相反，起到环流抑制作用，可直接根据备选开关矢量i控制mmc，当环流变化i
cir_j
为正时，环流变化方向与环流方向相同，会造成环流增加，应根据备选开关矢量ii控制mmc。
[0060]
若备选开关矢量iii最小，即最小偏差对应的备选开关矢量为第iii类，每相环流会随时间实时变化，需要依据环流进一步判定：当环流变化i
cir_j
为正时，环流变化方向与环流方向相反，起到环流抑制作用，可直接根据备选开关矢量iii控制mmc，当环流变化i
cir_j
为负时，环流变化方向与环流方向相同，会造成环流增加，应根据备选开关矢量ii控制mmc。
[0061]
根据本发明的实施例，操作s4中，根据最终确定的备选开关矢量控制mmc包括：对每一桥臂中mmc子模块分别进行排序，根据最终确定的备选开关矢量以及排序结果，实时投入或切除相应的mmc子模块。
[0062]
参阅图7，示出了本实施例mmc共模电压抑制方法、未加入共模电压抑制、加入传统共模电压抑制方法的控制效果对比图。从图7中可以看出，相较于另外两种方式，本实施例中mmc共模电压抑制方法在实现共模电压抑制的基础上，大幅优化了thd，并且具备一定的环流抑制能力，降低mmc子模块电容电压波动。除此之外，该方法无需增加额外的功率器件，适用于任意拓扑，适用场景丰富。
[0063]
图8为本发明实施例提供的mmc共模电压抑制装置的框图。参阅图8，该mmc共模电压抑制装置800包括构建模块810、划分模块820、计算模块830以及选择及控制模块840。
[0064]
构建模块810例如执行操作s1，用于根据mmc所采用的调制策略，为mmc构建多组备选开关矢量，备选开关矢量用于表征mmc中各桥臂中mmc子模块投入数量。
[0065]
划分模块820例如执行操作s2，用于分别计算每组备选开关矢量下，三相上桥臂或
三相下桥臂中mmc子模块投入数量的和，将和为3n/2-1的备选开关矢量分为第i类，和为3n/2的备选开关矢量分为第ii类，和为3n/2 1的备选开关矢量分为第iii类，n为任一桥臂中mmc子模块的数量。
[0066]
计算模块830例如执行操作s3，用于分别计算每组备选开关矢量下，mmc交流侧实际输出向量相对于目标调制向量的偏差。
[0067]
选择及控制模块840例如执行操作s4，用于若最小偏差对应的备选开关矢量为第ii类，根据最小偏差对应的备选开关矢量控制mmc，否则，根据最小偏差对应的备选开关矢量下是否能抑制环流，选择相应的备选开关矢量控制mmc。
[0068]
mmc共模电压抑制装置800用于执行上述图1-图7所示实施例中的mmc共模电压抑制方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图7所示实施例中的mmc共模电压抑制方法，此处不再赘述。
[0069]
本发明实施例还提供了一种mmc共模电压抑制系统，包括mmc和控制单元。mmc的每个桥臂包含n个串联的mmc子模块，如图3所示。控制单元用于执行上述图1-图7所示实施例中的mmc共模电压抑制方法，以控制mmc。
[0070]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。