一種高壓直流mmc在基頻調(diào)制下的均壓方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高壓直流MMC在基頻調(diào)制下的均壓 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓直流輸電由于具有傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸損耗小等優(yōu)勢，近年來得到較快發(fā)展。但 是，與交流場合不同，不同電壓等級的直流電網(wǎng)之間不能使用交流變壓器連接，需要高壓直 流-直流電力電子變換器作為中間隔離環(huán)節(jié)。模塊化多電平變換器（Modularmultilevel converter，MMC)在擴(kuò)展性、靈活性、故障冗余等方面相對于其他拓?fù)涞亩嚯娖阶儞Q器優(yōu)勢 顯著，因此是實(shí)現(xiàn)高壓直流-直流變換的首選。
[0003] 專利申請公開號為CN103280977A，發(fā)明名稱為"一種基于模塊化多電平換流器 的隔離型DC/DC變換器"的專利申請文件中提出了一種輸入端輸出端均為模塊化多電平換 流器，輸入端輸出端之間通過隔離變壓器連接的高壓DC/DC變換器拓?fù)洌恢赋銎渲虚g變壓 器的基波電壓可在500Hz~1000Hz之間，并且充分利用模塊化多電平變換器的優(yōu)點(diǎn)減少中 間交流環(huán)節(jié)的諧波成分。本文中將這種用于實(shí)現(xiàn)高壓直流-直流變換的MMC記為高壓直流 MMC〇
[0004] 由于高壓直流MMC的中間變壓器不與電網(wǎng)連接，故可通過提高中間交流環(huán)節(jié)的基 波頻率以降低變壓器體積和系統(tǒng)其它無功元件的體積，提高系統(tǒng)功率密度。然而，變壓器的 高頻化又會(huì)導(dǎo)致組成MMC橋臂的功率模塊單元（下文記為子模塊）投切動(dòng)作次數(shù)上升，增 大子模塊開關(guān)損耗，因此在目前的研究文獻(xiàn)中，高壓直流MMC優(yōu)先采用的是基頻調(diào)制方法， 即：各子模塊的投切頻率等于中間交流電壓的基波頻率，各子模塊在一個(gè)基波周期內(nèi)只投 切動(dòng)作一次。但是，目前高壓直流MMC子模塊電容的均壓仍是采用傳統(tǒng)交流-直流場合的 排序方法實(shí)現(xiàn)，即在子模塊的各投切時(shí)刻對全部子模塊（或未投入/切出的子模塊）電容 電壓進(jìn)行排序，再結(jié)合相應(yīng)時(shí)刻的橋臂電流方向選擇恰當(dāng)?shù)淖幽K進(jìn)行投切動(dòng)作，這樣做 的缺陷是排序次數(shù)正比于子模塊數(shù)（各投切時(shí)刻對全部子模塊電容電壓排序時(shí)為2N2次， 各投切時(shí)刻對未投入/切出的子模塊電容電壓排序時(shí)為（N2+N)次，N為子模塊數(shù)目），因此 當(dāng)子模塊數(shù)眾多時(shí)排序計(jì)算負(fù)擔(dān)非常大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供了一種高壓直流MMC在基頻調(diào)制下的均壓方 法，旨在解決高壓直流MMC橋臂子模塊數(shù)眾多時(shí)排序計(jì)算負(fù)擔(dān)大的問題。
[0006] 本發(fā)明提供的一種高壓直流MMC在基頻調(diào)制下的均壓方法，包括下述步驟：
[0007] S1 :在第i個(gè)基波周期的起始時(shí)刻，采集N個(gè)子模塊的電容電壓；并在N個(gè)子模塊 中選擇x個(gè)電容電壓較大的第一子模塊以及y個(gè)電容電壓較小的第二子模塊，其余的N-x-y個(gè)子模塊的為第三子模塊；
[0008] S2:通過第一驅(qū)動(dòng)信號控制所述第一子模塊在當(dāng)前基波周期的終止時(shí)刻的電容電 壓小于起始時(shí)刻的電容電壓；
[0009] 通過第二驅(qū)動(dòng)信號控制所述第二子模塊在當(dāng)前基波周期的終止時(shí)刻的電容電壓 大于起始時(shí)刻的電容電壓；
[0010] 通過第三驅(qū)動(dòng)信號控制所述第三子模塊在當(dāng)前基波周期的終止時(shí)刻的電容電壓 近似等于起始時(shí)刻的電容電壓；
[0011]S3:i=i+l，并返回至步驟S1;
[0012] 其中，x為第一子模塊的數(shù)目，y為第二子模塊的數(shù)目，第三子模塊的數(shù)目為N-x_y;i為基波周期的序號；N為子模塊的數(shù)目。
[0013] 更進(jìn)一步地，驅(qū)動(dòng)信號的獲取方法具體為：
[0014] (1)構(gòu)造一個(gè)參考信號Mraf⑴和L個(gè)直流信號THj;
[0015] (2)獲得參考信號的上升區(qū)間與第j個(gè)直流信號的交點(diǎn)時(shí)刻tsa和參考信號的下 降區(qū)間與第j個(gè)直流信號的交點(diǎn)時(shí)刻
[0016] (3)重復(fù)步驟（2)，遍歷j= 1，2,…，L，獲得一個(gè)基波周期中L個(gè)投入時(shí)刻和L個(gè) 切出時(shí)刻；其中第a個(gè)投入時(shí)刻表示為tsa;第b個(gè)切出時(shí)刻表示為teb;a= 1，2,…，L;b= 1，2,…，L;
[0017] (4)對橋臂電流在上時(shí)間段進(jìn)行積分處理，獲得L組第一充放電效果；對橋臂電流 在下時(shí)間段進(jìn)行積分處理，獲得L組第二充放電效果；
[0018] 其中，所述上時(shí)間段是指投入時(shí)刻tsa到二分之一基波周期時(shí)刻k之間的時(shí)間段； 所述下時(shí)間段是指二分之一基波周期時(shí)刻k到切出時(shí)刻t&之間的時(shí)間段；
[0019] (5)對L個(gè)投入時(shí)刻和L個(gè)切出時(shí)刻進(jìn)行一一配對，獲得L!種配對結(jié)果，每種配 對結(jié)果中含L個(gè)時(shí)間段；
[0020] (6)根據(jù)L組第一充放電效果和L組第二充放電效果，在L!種配對結(jié)果中選出一 種配對結(jié)果，使得其中含x個(gè)放電效果好的第一時(shí)間段，y個(gè)充電效果好的第二時(shí)間段，N-x_y個(gè)充放電效果不明顯的第三時(shí)間段；
[0021] (7)根據(jù)所述第一時(shí)間段和基波周期構(gòu)造所述第一驅(qū)動(dòng)信號，所述第一驅(qū)動(dòng)信號 為方波信號，周期為基波周期，高電平持續(xù)時(shí)間為所述第一時(shí)間段，低電平持續(xù)時(shí)間為基波 周期減去所述第一時(shí)間段；
[0022] 根據(jù)所述第二時(shí)間段和基波周期構(gòu)造所述第二驅(qū)動(dòng)信號，所述第二驅(qū)動(dòng)信號為方 波信號，周期為基波周期，高電平持續(xù)時(shí)間為所述第二時(shí)間段，低電平持續(xù)時(shí)間為基波周期 減去所述第二時(shí)間段；
[0023] 根據(jù)所述第三時(shí)間段和基波周期構(gòu)造所述第三驅(qū)動(dòng)信號，所述第三驅(qū)動(dòng)信號為方 波信號，周期為基波周期，高電平持續(xù)時(shí)間為所述第三時(shí)間段，低電平持續(xù)時(shí)間為基波周期 減去所述第二時(shí)間段。
[0024] 更進(jìn)一步地，當(dāng)橋臂子模塊數(shù)非常多時(shí)，第一、二、三時(shí)間段的獲取均可采用多種 智能優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)，其中，第一時(shí)間段的解空間為全部L!種投切時(shí)刻配對結(jié)果，第二、三 時(shí)間段的生成優(yōu)先級逐次降低，相應(yīng)的解空間范圍逐漸減??；也可以根據(jù)需要使得第二時(shí) 間段的解空間為全部L!種投切時(shí)刻配對結(jié)果，第一、三時(shí)間段的生成優(yōu)先級低于第一時(shí) 間段。以第一時(shí)間段的生成優(yōu)先級最高為例，具體說明如下：
[0025] 第一時(shí)間段的目標(biāo)函數(shù)為：1)在該時(shí)間段內(nèi)子模塊電容放電，電容電壓下降；2) 在該時(shí)間段內(nèi)子模塊的電容電壓脈動(dòng)在系統(tǒng)正常工作允許范圍內(nèi)；3)全部x個(gè)第一時(shí)間段 的子模塊電容放電效果（取絕對值）總和為解空間中的極大。
[0026] 第二時(shí)間段的目標(biāo)函數(shù)為：1)在該時(shí)間段內(nèi)子模塊電容充電，電容電壓上升；2) 在該時(shí)間段內(nèi)子模塊的電容電壓脈動(dòng)在系統(tǒng)正常工作允許范圍內(nèi)；3)全部y個(gè)第二時(shí)間段 的子模塊電容充電效果總和為第一時(shí)間段的解空間中的極大。
[0027] 第三時(shí)間段的目標(biāo)函數(shù)為：1)在該時(shí)間段內(nèi)子模塊電容充放電不明顯，電容電壓 增量近似為〇;2)在該時(shí)間段內(nèi)子模塊的電容電壓脈動(dòng)在系統(tǒng)正常工作允許范圍內(nèi)；3)全 部N-x-y個(gè)第三時(shí)間段的子模塊電容充放電效果（取絕對值）總和為第二時(shí)間段的解空 間中的極小。
[0028] 在本發(fā)明實(shí)施例中，預(yù)先設(shè)計(jì)N個(gè)驅(qū)動(dòng)信號，其中，第一時(shí)間段對應(yīng)于第一驅(qū)動(dòng)信 號在一個(gè)基波周期中的高電平時(shí)間段；第二時(shí)間段對應(yīng)于第二驅(qū)動(dòng)信號在一個(gè)基波周期中 的高電平時(shí)間段；第三時(shí)間段對應(yīng)于第三驅(qū)動(dòng)信號在一個(gè)基波周期中的高電平時(shí)間段。使 得有x個(gè)第一驅(qū)動(dòng)信號在一個(gè)基波周期內(nèi)的放電效果明顯，有y個(gè)第二驅(qū)動(dòng)信號在一個(gè)基 波周期內(nèi)的充電效果明顯，而剩余N-x-y個(gè)第三驅(qū)動(dòng)信號在一個(gè)基波周期內(nèi)的充放電效果 不明顯，則在進(jìn)行均壓時(shí)則只需找出當(dāng)前所有子模塊中電容電壓較大的x個(gè)第一子模塊和 電容電壓較小的y個(gè)第二子模塊，并且由于驅(qū)動(dòng)信號的充放電效果是預(yù)先計(jì)算好的，因此 只需在每個(gè)基波周期的開始時(shí)刻對子模塊和驅(qū)動(dòng)信號的匹配關(guān)系進(jìn)行調(diào)整，綜上來看相比 傳統(tǒng)的均壓方法大大降低了系統(tǒng)排序計(jì)算的負(fù)擔(dān)。
[0029] 本發(fā)明的通用性在于，參考信號的諧波成分可根據(jù)電路工作特性要求給定，并且 任何基頻調(diào)制下的電路穩(wěn)態(tài)工作時(shí)的電壓電流都可以準(zhǔn)確分析，各個(gè)投切時(shí)刻可以預(yù)先計(jì) 算，橋臂電流對子模塊電容的充放電效果可以分段準(zhǔn)確預(yù)測。
[0030] 在本發(fā)明的實(shí)施例中，首先，設(shè)定每個(gè)基波周期內(nèi)的子模塊驅(qū)動(dòng)信號是周期重復(fù) 出現(xiàn)的，于是只需在每個(gè)基波周期開始時(shí)刻對全部子模塊電容電壓排序以完成驅(qū)動(dòng)信號在 本周期內(nèi)