一種混雜式mmc電容電壓的均衡控制方法
2023-07-21 07:40:36 2
一種混雜式mmc電容電壓的均衡控制方法
【專利摘要】本發明公開了一種混雜式MMC電容電壓的均衡控制方法，包括如下步驟：(1)建立正投入記錄庫、負投入記錄庫和切除記錄庫；(2)確定橋臂內子模塊電容電壓最大偏差值；(3)根據橋臂內子模塊電容電壓最大偏差值，通過判斷邏輯分析橋臂子模塊的重投操作，並對記錄庫進行更新；(4)根據前後時刻的橋臂電平差，通過邏輯判斷與控制策略對橋臂內進行子模塊投切操作，並對記錄庫進行更新。故本發明方法不僅能夠在維持電容電壓穩定的情況下有效降低子模塊的開關頻率，減少換流器損耗，同時還能減少排序問題所帶來的系統運行性能惡化等問題。
【專利說明】—種混雜式圖C電容電壓的均衡控制方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力系統控制【技術領域】，具體涉及一種混雜式MMC電容電壓的均衡控制方法。
【背景技術】
[0002]自2001年德國慕尼黑聯邦國防軍大學的R.Marquardt教授提出模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)後,世界各國專家學者對其開展了廣泛而深入的研究。在半橋MMC基礎上，全橋MMC採用全橋型子模塊級聯而成，實現了直流電壓、直流電流四象限運行，從而具有更加靈活和優越的特性。但是，與相同容量和電壓等級的半橋MMC相比，全橋MMC使用的電力電子器件幾乎為其兩倍。由半橋子模塊和全橋子模塊構成的混雜式MMC綜合了兩種拓撲的優點，每個橋臂均由半橋子模塊和全橋子模塊混合級聯而成，既能實現換流站降壓運行、直流故障自清除問題，還能降低投資成本，是未來MMC工程發展的重要方向。
[0003]快速實現混雜式MMC拓撲中各個子模塊電容電壓的均衡控制，使得能量在整個換流器中均勻分配，是該拓撲實現的關鍵技術之一。對於半橋MMC拓撲的電容電壓控制策略，屠卿瑞、徐政、鄭翔等提出過一種優化的模塊化多電平換流器電壓均衡控制方法(電工技術學報，2011，26 (5):15-20.)，該策略在考慮子模塊初始狀態的情況下，根據橋臂電流的方向以及輸出電壓的變化選取需要投入或者切除的子模塊。該策略可以大大降低子模塊的開關頻率，避免隨意投切，但與現有其他策略一樣，並不適用於混雜式MMC拓撲的子模塊電容電壓均衡控制。混雜式MMC拓撲橋臂同時包含半橋子模塊與全橋子模塊，因此其子模塊不僅可以輸出正電平、零電平，還可輸出負電平。這三種電平的存在使得投切方法更為複雜多樣，電容電壓平衡策略需要進行重新設計。
【發明內容】
[0004]針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種混雜式MMC電容電壓的均衡控制方法，在維持子模塊電容電壓穩定運行的同時能夠有效降低子模塊的開關頻率，減少換流器損耗。
[0005]一種混雜式MMC電容電壓的均衡控制方法，包括如下步驟:
[0006](I)對於混雜式MMC的任一橋臂，建立關於子模塊投切狀態的三個記錄庫:正投入記錄庫、負投入記錄庫和切除記錄庫；在初始時刻，對橋臂內的各子模塊進行檢測，並將輸出電平為正、負或零的子模塊對應分配至正投入記錄庫、負投入記錄庫和切除記錄庫中；
[0007](2)對於當前時刻，檢測橋臂各子模塊的電容電壓以及橋臂電流iam，並確定橋臂子模塊電容電壓的最大值Usm max和最小值Usm min ；
[0008](3)利用最近電平調製方法計算出當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm _，判斷橋臂子模塊電容電壓的最大偏差AU:
[0009]gAUSA Uref,則對橋臂進行子模塊重投操作，並對各記錄庫進行更新；[0010]若AU < Λ Uref，則執行步驟(4)；
[0011]其中:AU= Usffljiax-Usffljlin, AUref為預設的橋臂子模塊電容電壓允許偏差；
[0012](4)使當前時刻—橋臂所需投入的電平數Mm nmt減去上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last，得到橋臂電平差Mdiff ;進而對橋臂進行子模塊投切操作，並對各記錄庫進行更新。
[0013]對於橋臂內的任一半橋子模塊，其輸出電平為U。或O且對應正向投入狀態或切除狀態；對於橋臂內的任一全橋子模塊，其輸出電平為U。、-U。或O且對應正向投入狀態、負向投入狀態或切除狀態；故正投入記錄庫和切除記錄庫中包含有半橋子模塊、全橋子模塊或者半橋子模塊和全橋子模塊兩種類型的子模塊，而負投入記錄庫中只包含有全橋子模塊。
[0014]所述的步驟⑵中確定橋臂子模塊電容電壓的最大值Usm _和最小值Usm min的具體實現方法為:首先，任取橋臂中兩個子模塊進行電容電壓比較，令較大的電容電壓為Usm_，較小的電容電壓為Usmjlin ;然後，使橋臂中其他子模塊的電容電壓與Usmjiax和Usmjin逐一進行比較，從而更新Usm max和Usnuilin ;直至完成所有比較後,最後使Usm max和Usnuilin分別作為橋臂子模塊電容電壓的最大值和最小值。
[0015]所述的步驟(3)中對橋臂進行子模塊重投操作的具體實現方法如下:
[0016]若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mmnmt > 0，且橋臂電流iam > O ;則對橋臂各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入橋臂中電容電壓最低的Mm nOT個子模塊，同時切除其他子模塊；
[0017]若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt > 0，且橋臂電流iam ( O ;則對橋臂各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入橋臂中電容電壓最高的Mm nOT個子模塊，同時切除其他子模塊；
[0018]若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt ( 0，且橋臂電流iam > O ;則對橋臂各全橋子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入橋臂中電容電壓最高的|MmnOT|個全橋子模塊，同時切除其他子模塊；
[0019]若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt ( 0，且橋臂電流iam ( O ;則對橋臂各全橋子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入橋臂中電容電壓最低的|Mm nOT|個全橋子模塊，同時切除其他子模塊。
[0020]所述的步驟(4)中對橋臂進行子模塊投切操作的具體實現方法如下:
[0021 ] 在橋臂電平差Mdiff = O情況下，不對橋臂中的子模塊進行投切操作，且使各子模塊維持上一時刻的投切狀態；
[0022]在橋臂電平差Mdiff > O情況下:
[0023]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,且橋臂電流iam > O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最低的Mdiff個子模塊；
[0024]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,且橋臂電流iam ( O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最高的Mdiff個子模塊；
[0025]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mon now > O,且橋臂電流> O ;則首先切除橋臂中所有負向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最低的Mm nOT個子模塊；
[0026]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mon now > O,且橋臂電流( O ;則首先切除橋臂中所有負向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最高的Mm nOT個子模塊；
[0027]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Monnow ( 0，且橋臂電流iam > O ;則對負投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最低的Mdiff個子模塊；
[0028]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Monnow ( 0，且橋臂電流iam ( O ;則對負投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最聞的Mdiff個子|旲塊；
[0029]在橋臂電平差Mdiff < O情況下:
[0030]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,且橋臂電流iam > O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最高的
Mdiff I個全橋子模塊；
[0031]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,且橋臂電流iam ( O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最低的
Mdiff I個全橋子模塊；
[0032]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Monnow > 0，且橋臂電流iam > O ;則對正投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最聞的|Mdiff|個子|旲塊；
[0033]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Monnow > 0，且橋臂電流iam ( O ;則對正投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最低的IMdiffI個子模塊；
[0034]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mon now^O,且橋臂電流> O ;則首先切除橋臂中所有正向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最高的|Mm—nOT|個全橋子模塊；
[0035]若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mon now ( O,且橋臂電流( O ;則首先切除橋臂中所有正向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最低的I Mm—nOT I個全橋子模塊。
[0036]本發明均衡控制方法的有益技術效果如下:
[0037](I)本發明考慮混雜式模塊化多電平換流器特點，提出任何時刻橋臂內不同時存在正投入子模塊和負 投入子模塊原則，根據橋臂子模塊的初始狀態、橋臂電平數量變化及橋臂電流方向綜合考慮，確定子模塊投切的數量和編號，避免大範圍子模塊投切引起子模塊開關頻率較高的問題，僅讓最需要投切的子模塊進行動作能夠有效降低子模塊的開關頻率，進而降低開關損耗。
[0038](2)本發明引入子模塊電壓最大偏差參考AUMf指標，當子模塊電壓最大偏差越限時，通過重投操作平衡橋臂電容電壓，維持了各子模塊的能量均衡，有效控制電容電壓幅值的波動限定在一定範圍內。
[0039](3)本發明方法只需在換流器啟動時刻以及電壓偏差過大時進行子模塊全排序，之後僅需對某個記錄庫中的子模塊進行排序操作，從而有效減少了控制所需時間，提高響應速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0040]圖1 (a)為MMC的結構示意圖。
[0041]圖1 (b)為MMC任一橋臂的結構示意圖。
[0042]圖1(c)為半橋子模塊的結構示意圖。
[0043]圖1(d)為全橋子模塊的結構示意圖。
[0044]圖2為混雜式雙極直流輸電系統的主迴路仿真模型示意圖。
[0045]圖3為本發明均衡控制方法的流程示意圖。
[0046]圖4(a)為採用本發明方法MMC子模塊電容電壓的波形圖。
[0047]圖4(b)為採用本發明方法MMC橋臂子模塊電容電壓最大偏差的波形圖。
[0048]圖4(c)為採用本發明方法MMC半橋子模塊觸發信號的波形圖。
[0049]圖4(d)為採用本發明方法MMC全橋子模塊觸發信號的波形圖。
[0050]圖4(e)為未採用本發明方法MMC半橋子模塊觸發信號的波形圖。
【具體實施方式】
[0051 ] 為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發明的技術方案進行詳細說明。
[0052]圖1給出了混雜式模塊化多電平換流器的結構示意圖。混雜式模塊化多電平換流器由三相六個橋臂構成，每個橋臂由一個橋臂串聯電感和若干個半橋子模塊與全橋子模塊級聯而成。其中半橋子模塊和全橋子模塊的比例視工程要求而定。每個半橋子模塊包括一個電容C，兩個IGBT管T1、T2和兩個二極體D1、D2組成；其中，IGBT管Tl的集電極與IGBT管T2的發電極各和電容C的一端相連，IGBT管Tl的發射極與IGBT管T2的集電極相連且為半橋子模塊的一端(A端)，IGBT管T2的發射極和電容C的一端相連,為半橋子模塊的另一端(B端)。每個全橋子模塊包括一個電容C、四個IGBT管Tl?T4和四個二極體Dl?D4組成；其中，IGBT管Tl的集電極與IGBT管T2的集電極和電容C的一端相連，IGBT管Tl的發射極與IGBT管T3的集電極相連且為全橋子模塊的一端(A端)，IGBT管T3的發射極與IGBT管T4的發射極和電容C的另一端相連，IGBT管T2的發射極與IGBT管T4的集電極相連且為全橋子模塊的另一端(B端)。
[0053]表I給出了圖1中半橋子模塊的工作狀態。從表中可以看出，半橋子模塊能夠輸出兩種電平+ue(+l)和0，依次對應正向投入狀態和切除狀態。不同的狀態，不同的電流方向決定了子模塊電容電壓的充放電情況。
[0054]表I
【權利要求】
1.一種混雜式MMC電容電壓的均衡控制方法，包括如下步驟: (1)對於混雜式MMC的任一橋臂，建立關於子模塊投切狀態的三個記錄庫:正投入記錄庫、負投入記錄庫和切除記錄庫；在初始時刻，對橋臂內的各子模塊進行檢測，並將輸出電平為正、負或零的子模塊對應分配至正投入記錄庫、負投入記錄庫和切除記錄庫中； (2)對於當前時刻，檢測橋臂各子模塊的電容電壓以及橋臂電流，並確定橋臂子模塊電容電壓的最大值Usm max和最小值Usm min ； (3)利用最近電平調製方法計算出當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm_，判斷橋臂子模塊電容電壓的最大偏差AU: 若AUS AUref,則對橋臂進行子模塊重投操作，並對各記錄庫進行更新； 若AU < ΛUref，則執行步驟⑷； 其中:AU = Usm max-Usm min, AUref為預設的橋臂子模塊電容電壓允許偏差； (4)使當前時刻橋臂所需投入的電平數兄?_減去上一時刻橋臂所需投入的電平數Mmlast，得到橋臂電平差Mdiff ;進而對橋臂進行子模塊投切操作，並對各記錄庫進行更新。
2.根據權利要求1所述的均衡控制方法，其特徵在於:對於橋臂內的任一半橋子模塊，其輸出電平為U。或O且對應正向投入狀態或切除狀態；對於橋臂內的任一全橋子模塊，其輸出電平為U。、-Uc或O且對應正向投入狀態、負向投入狀態或切除狀態；故正投入記錄庫和切除記錄庫中包含有半橋子模塊、全橋子模塊或者半橋子模塊和全橋子模塊兩種類型的子模塊，而負投入記錄庫中只包含有全橋子模塊。
3.根據權利要求1所述的均衡控制方法，其特徵在於:所述的步驟(2)中確定橋臂子模塊電容電壓的最大值Usmmax和最小值Usm min的具體實現方法為:首先，任取橋臂中兩個子模塊進行電容電壓比較，令較大的電容電壓為Usmmax，較小的電容電壓為Usmmin ;然後，使橋臂中其他子模塊的電容電壓與Usm max和Usm min逐一進行比較，從而更新Usm max和Usm min ;直至完成所有比較後，最後使Usm _和Usm min分別作為橋臂子模塊電容電壓的最大值和最小值。
4.根據權利要求1所述的均衡控制方法，其特徵在於:所述的步驟(3)中對橋臂進行子模塊重投操作的具體實現方法如下: 若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt > O，且橋臂電流iam > O ;則對橋臂各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入橋臂中電容電壓最低的Mm nOT個子模塊，同時切除其他子模塊； 若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt > O，且橋臂電流iam ( O ;則對橋臂各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入橋臂中電容電壓最高的Mm nOT個子模塊，同時切除其他子模塊； 若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt ( O，且橋臂電流iam > O ;則對橋臂各全橋子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入橋臂中電容電壓最高的|Μ?|個全橋子模塊，同時切除其他子模塊； 若當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt ( O，且橋臂電流iam ( O ;則對橋臂各全橋子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入橋臂中電容電壓最低的|Μ?|個全橋子模塊，同時切除其他子模塊。
5.根據權利要求1所述的均衡控制方法，其特徵在於:所述的步驟(4)中對橋臂進行子模塊投切操作的具體實現方法如下:在橋臂電平差Mdiff = O情況下，不對橋臂中的子模塊進行投切操作，且使各子模塊維持上一時刻的投切狀態； 在橋臂電平差Mdiff > O情況下: 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,且橋臂電流iam > O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最低的Mdiff個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,且橋臂電流iam ( O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最高的Mdiff個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt>O，且橋臂電流iam > O ;則首先切除橋臂中所有負向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最低的Mm nOT個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt>O，且橋臂電流iam ( O ;則首先切除橋臂中所有負向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而正向投入該記錄庫中電容電壓最高的Mm nOT個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mmnow ( O，且橋臂電流> O ;則對負投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最低的Mdiff個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last ( O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mmnow ( O，且橋臂電流( O ;則對負投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最聞的Mdiff個子|旲塊； 在橋臂電平差Mdiff O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最高的Mdiff I個全橋子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mrauast ( O，且橋臂電流iam ( O ;則對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最低的Mdiff I個全橋子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt>O，且橋臂電流iam > O ;則對正投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最高的IMdiffI個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mm nmt>O，且橋臂電流iam ( O ;則對正投入記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而切除該記錄庫中電容電壓最低的IMdiffI個子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O，當前時刻橋臂所需投入的電平數Mmnow ( O，且橋臂電流iam > O ;則首先切除橋臂中所有正向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最高的|M?|個全橋子模塊； 若上一時刻橋臂所需投入的電平數Mm last > O,當前時刻橋臂所需投入的電平數Mmnow ≤ O，且橋臂電流iam ≤ O ;則首先切除橋臂中所有正向投入的子模塊，並對各記錄庫進行更新；然後對切除記錄庫中的各子模塊按電容電壓從高到底進行排序，進而負向投入該記錄庫中電容電壓最低的I Mm—nOT I個全橋子模塊。
【文檔編號】H02M7/5387GK103956925SQ201410172233
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月28日 優先權日:2014年4月28日
【發明者】徐政, 董桓鋒, 劉高任, 許烽, 周煜智 申請人:浙江大學