功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法技术

本发明专利技术公开了一种功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法，构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上，该策略可用于柔性直流输电，统一潮流控制器等工程包含的模块化多电平换流器的阀基控制，与传统投切策略相比，在基本不增加子模块电压波动的情况下可以大大减少子模块IGBT的投切次数，延长IGBT的寿命。本算法可以根据输送功率的变化，自适应的改变子模块投切策略，使得子模块电容电压波动幅度始终保持在一定范围内，而且可以在适当时减少子模块IGBT的投切频率，提高子模块IGBT寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法，属于电力系统

技术介绍
鉴于现有传统多电平变换器在较高应用电压等级、有功功率传输场合等方面存在的不足，模块化多电平技术(MMC)以其独特的结构和技术优势正成为高压多电平领域的研究热点。与传统多电平变换器相比，其继承了传统级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，适用于交流输出频率恒定、对电压和功率等级要求极高的有功功率变换场合，MMC具有许多适用于高压大功率应用场合的结构和输出特征。实际工程中，传统子模块均压环节通常选用将子模块电容电压排序后根据桥臂电流方向选择投入或者切除相应子模块的策略，其控制目标为：在任何时刻都能够保持各个子模块电压偏差最小。但其具有两个缺点：1、当输送有功功率变化时，采用传统算法会造成子模块电容电压波动随着输送功率的变化而变化，在输送有功较大时，子模块电容电压波动也会较大，不利于系统稳定运行和环流抑制；2、这种方法没有考虑子模块原先的通断状态，只是通过频繁投切每个子模块，最大限度的减小每个子模块的电压偏差，所以其会造成很高的IGBT投切损耗。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法，其特征在于,构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上；(以A相为例进行介绍，B、C两相步骤与A相相同)，包括以下步骤：步骤1)分别检测3个工频周期内上桥臂所有子模块电容电压最大波动值δU和附加调节子模块Ns数值：(1)如果δU<ZminUN且Ns>0且Ns数值在1s之内没有改变过，则执行Ns＝Ns-1；(2)如果δU>ZmaxUN且Ns<N且Ns数值在1s之内没有改变过,则执行Ns＝Ns+1；(3)如果(1)(2)都不满足，则Ns数值不变；步骤2)检测出上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数均不为0，则执行步骤3)到步骤6)，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数有一个为0，则执行特殊处理；步骤3)分别获取上桥臂、下桥臂已经投入的子模块和未投入的各子模块电压瞬时值，对上桥臂、下桥臂已经投入的子模块电压和未投入的子模块电压分别进行排序，形成四个子模块序列；步骤4)对这四个子模块序列进行处理，重新得到八组新的准备用于投入或者切除的子模块序列；步骤5)根据本次步长时的调制波电压计算出本次步长上下桥臂分别应投入的子模块数，再根据上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数计算出本次步长相对上次步长需要多投入或多切除的子模块数量；步骤6)根据桥臂电流方向以及自适应投切策略从八组新的子模块序列中决定需要投入或切除的具体子模块编号，进行投入或者切除；步骤7)对于上桥臂、下桥臂上一步长已投入的子模块数是零或未投入的子模块数是零的时候进行特殊处理。步骤1)中，电容电压最大波动值δU是指3个周期内A相上、下桥臂所有子模块电压最大值与电压最小值之差，Ns是指本步长附加调节子模块设定的数量。步骤2)中，分别检测出上一个步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数是指检测出上桥臂已经投入的子模块数npy和未投入的子模块数npw，下桥臂已经投入的子模块数nny和未投入的子模块数nnw。步骤3)中，形成四个排序过的子模块序列分别为上桥臂已投入的子模块序列Xpy和未投入的子模块序列Xpw，下桥臂已投入的子模块序列Xny和未投入的子模块序列Xnw。步骤4)中，重新得到八组准备用于投入或者切除的子模块序列是指：(1)将Xpy中电压最高的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpgin；(2)将Xpy中电压最低的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终形成序列Xpdin；(3)将Xny中电压最高的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xngin；(4)将Xny中电压最低的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终形成序列Xndin；(5)将Xpw中电压最高的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpgout；(6)将Xpw中电压最低的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终形成序列Xpdout；(7)将Xnw中电压最高的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xngout；(8)将Xnw中电压最低的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终形成序列Xndout。步骤5)中，上桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中nup表示本次步长中上桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数，N表示上下桥臂总的投入的子模块数，Uref表示调制波瞬时电压，Uc表示子模块电容电压；下桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式中ndown表示本次步长中下桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数；则本次上下桥臂应该投入或者切除几个子模块用nup和ndown与上次步长中上下桥臂已经投入的子模块数量和未投入的子模块数量进行对比即可得出：(1)如果nup-npy＝m(m>0)，表明上桥臂需要投入m个子模块；(2)如果nup-npy＝m(m<0),表明上桥臂需要切除m个子模块；(3)如果nup-npy＝0,表明上桥臂不需要投入或者切除子模块，则本步长对阀发送的触发脉冲与上一步长相同；下桥臂与上桥臂同理；在(1)(2)两种情况下再执行后续步骤5)，在(3)情况下，则等待下一个步长到来时返回步骤1)。步骤6)中，投切策略是指：(1)当上桥臂需要投入子模块m个时，进行NS数值判断，如果NS>npy，则令NS＝npy，否则NS数值不变，再一次进行逻辑判断，当上桥臂电流大于等于0时，则从Xpy中切除Ns个电压最高的子模块，同时从Xpgin中选取电压最低的m+Ns个子模块投入(由于在从Xpy中切除子模块之前，Xpgin就已形成，所以如果检测到Xpgin中需要投入的子模块包含Xpy中准备切除的那Ns个子模块，则对于该Ns个子模块不进行切除和投入操作)；(2)当上桥臂需要投入子模块m个，进行NS数值判断，如果NS>npy，...

【技术保护点】
一种功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法，其特征在于,构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上；包括以下步骤：步骤1)分别检测3个工频周期内上桥臂所有子模块电容电压最大波动值δU和附加调节子模块Ns数值：(1)如果δU<ZminUN且Ns>0且Ns数值在1s之内没有改变过，则执行Ns＝Ns‑1；(2)如果δU>ZmaxUN且Ns<N且Ns数值在1s之内没有改变过,则执行Ns＝Ns+1；(3)如果(1)(2)都不满足，则Ns数值不变；步骤2)检测出上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数均不为0，则执行步骤3)到步骤6)，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数有一个为0，则执行特殊处理；步骤3)分别获取上桥臂、下桥臂已经投入的子模块和未投入的各子模块电压瞬时值，对上桥臂、下桥臂已经投入的子模块电压和未投入的子模块电压分别进行排序，形成四个子模块序列；步骤4)对这四个子模块序列进行处理，重新得到八组新的准备用于投入或者切除的子模块序列；步骤5)根据本次步长时的调制波电压计算出本次步长上下桥臂分别应投入的子模块数，再根据上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数计算出本次步长相对上次步长需要多投入或多切除的子模块数量；步骤6)根据桥臂电流方向以及自适应投切策略从八组新的子模块序列中决定需要投入或切除的具体子模块编号，进行投入或者切除；步骤7)对于上桥臂、下桥臂上一步长已投入的子模块数是零或未投入的子模块数是零的时候进行特殊处理。...

【技术特征摘要】
1.一种功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控制方法，其特征在
于,构架在采用最近电平逼近调制策略的模块化多电平换流器上；包括以下
步骤：
步骤1)分别检测3个工频周期内上桥臂所有子模块电容电压最大波
动值δU和附加调节子模块Ns数值：
(1)如果δU<ZminUN且Ns>0且Ns数值在1s之内没有改变过，则执
行Ns＝Ns-1；
(2)如果δU>ZmaxUN且Ns<N且Ns数值在1s之内没有改变过,则
执行Ns＝Ns+1；
(3)如果(1)(2)都不满足，则Ns数值不变；
步骤2)检测出上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投
入的子模块数，如果上桥臂、下桥臂已经投入的子模块数和未投入的子模
块数均不为0，则执行步骤3)到步骤6)，如果上桥臂、下桥臂已经投入
的子模块数和未投入的子模块数有一个为0，则执行特殊处理；
步骤3)分别获取上桥臂、下桥臂已经投入的子模块和未投入的各子
模块电压瞬时值，对上桥臂、下桥臂已经投入的子模块电压和未投入的子
模块电压分别进行排序，形成四个子模块序列；
步骤4)对这四个子模块序列进行处理，重新得到八组新的准备用于
投入或者切除的子模块序列；
步骤5)根据本次步长时的调制波电压计算出本次步长上下桥臂分别
应投入的子模块数，再根据上一步长时上桥臂、下桥臂已经投入的子模块

\t数和未投入的子模块数计算出本次步长相对上次步长需要多投入或多切除
的子模块数量；
步骤6)根据桥臂电流方向以及自适应投切策略从八组新的子模块序
列中决定需要投入或切除的具体子模块编号，进行投入或者切除；
步骤7)对于上桥臂、下桥臂上一步长已投入的子模块数是零或未投
入的子模块数是零的时候进行特殊处理。
2.根据权利要求1所述的功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控
制方法，其特征在于：步骤1)中，电容电压最大波动值δU是指3个周期
内A相上、下桥臂所有子模块电压最大值与电压最小值之差，Ns是指本步
长附加调节子模块设定的数量。
3.根据权利要求1所述的功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控
制方法，其特征在于：步骤2)中，分别检测出上一个步长时上桥臂、下桥
臂已经投入的子模块数和未投入的子模块数是指检测出上桥臂已经投入的
子模块数npy和未投入的子模块数npw，下桥臂已经投入的子模块数nny和未
投入的子模块数nnw。
4.根据权利要求1所述的功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控
制方法，其特征在于：步骤3)中，形成四个排序过的子模块序列分别为上
桥臂已投入的子模块序列Xpy和未投入的子模块序列Xpw，下桥臂已投入的
子模块序列Xny和未投入的子模块序列Xnw。
5.根据权利要求4所述的功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控
制方法，其特征在于：步骤4)中，重新得到八组准备用于投入或者切除的

\t子模块序列是指：
(1)将Xpy中电压最高的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终
形成序列Xpgin；
(2)将Xpy中电压最低的子模块取出，放进Xpw中，重新排序，最终
形成序列Xpdin；
(3)将Xny中电压最高的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终
形成序列Xngin；
(4)将Xny中电压最低的子模块取出，放进Xnw中，重新排序，最终
形成序列Xndin；
(5)将Xpw中电压最高的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终
形成序列Xpgout；
(6)将Xpw中电压最低的子模块取出，放进Xpy中，重新排序，最终
形成序列Xpdout；
(7)将Xnw中电压最高的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终
形成序列Xngout；
(8)将Xnw中电压最低的子模块取出，放进Xny中，重新排序，最终
形成序列Xndout。
6.根据权利要求1所述的功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控
制方法，其特征在于：步骤5)中，
上桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，式
中nup表示本次步长中上桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模块数，

\tN表示上下桥臂总的投入的子模块数，Uref表示调制波瞬时电压，Uc表示子
模块电容电压；
下桥臂本次步长应投入的子模块数利用公式计算，
式中ndown表示本次步长中下桥臂根据调制波电压计算出的应该投入的子模
块数；
则本次上下桥臂应该投入或者切除几个子模块用nup和ndown与上次步长
中上下桥臂已经投入的子模块数量和未投入的子模块数量进行对比即可得
出：(1)如果nup-npy＝m(m>0)，表明上桥臂需要投入m个子模块；(2)如
果nup-npy＝m(m<0),表明上桥臂需要切除m个子模块；(3)如果nup-npy＝0,
表明上桥臂不需要投入或者切除子模块，则本步长对阀发送的触发脉冲与
上一步长相同；下桥臂与上桥臂同理；在(1)(2)两种情况下再执行后续
步骤5)，在(3)情况下，则等待下一个步长到来时返回步骤1)。
7.根据权利要求4所述的功率自适应的MMC子模块电容电压均衡控
制方法，其特征在于：步骤6)中，投切策...

【专利技术属性】
技术研发人员：王业，高磊，李鹏，李群，袁宇波，管益斌，徐宁，肖学权，汪萍，周卫，易新，曹海欧，杜云龙，黄浩声，卜强生，孔祥平，林金娇，宋亮亮，杨毅，宋爽，黄哲晨，弓新月，庞福滨，张星宇，
申请(专利权)人：江苏省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，江苏省电力公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32