基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法技术

本发明专利技术涉及基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法，通过对串联子模块电容的充放电原理进行分析，建立串联功率模块电容充放电的数学模型，确定影响电容电压平衡的被控参变量，对于大量串联的功率模块，通过采样获得每一个模块的电容电压后进行求平均值处理，此平均值即为每个功率模块的均压目标，当功率模块电容电压大于平均电压值时，通过控制高位取能电源持续运行，当功率模块电容电压小于平均电压时，首先求出控制电源运行的调制信号，之后，计算和确定三角载波信号的频率和占空比，最后将调制信号和三角载波信号进行比较，得到控制电源运行的执行信号。本发明专利技术鞥能够实现大量功率模块串联的电压均衡控制。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及柔性直流输电领域，具体涉及基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法。
技术介绍
随着大功率电力电子技术的发展,全控型电力电子器件在直流输电系统中的应用越来越广泛，特别是以IGBT、IGCT等为主要开关器件的柔性直流输电系统已经成为国内外相关企业和高校研究的主流。模块化多电平换流器(MMC)因其具备开关频率低、损耗小等优点，已被广泛应用于大功率风力发电、太阳能发电、孤岛供电、海上供电等直流输电系统中。目前，用于构成MMC拓扑结构的子模块主要有H-MMC(半桥子模块)、F-MMC(全桥子模块)和C-MMC(箝位双子模块)三种。其中，半桥子模块因具有结构简单、功率器件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势已经广泛在模块化多电平换流器的工程中得到应用。MMC的系统拓扑结构与传统的三相H桥相似，但是，在MMC的拓扑中，其每一相都有很多个功率模块串联组成，其基本的原理图如图1所示，功率模块的基本原理图如图2所示。然而在实际的工程应用中，每一功率模块皆由核心开关器件(IGBT)、模块电容、旁路开关、旁路晶闸管、均压电阻及自取能电源装置组成；其中自取能电源也称为高位取能电源。实际工程应用中的功率模块拓扑如图3所示。由于MMC的众多优点，对于MMC研究的学者或专家也越来越多，关于模块化多电平换流器模块均压方面的研究，有较多的论文或期刊提出了相关控制方法，然而现有的众多方法其本质仍是根据系统桥臂电流的正负，当模块电压较低时，控制IGBT动作对模块进行充电，当模块电压较高对模块进行放电，这样的控制方法能够完成均压的要求，但是，往往会带来更多的功率器件损耗，降低了系统的效率。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法，能够较好的实现串联功率模块电压的均衡控制，且系统效率高。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：包括以下步骤：步骤1)：对串联的功率模块的充放电过程进行数学建模，得到功率模块的电容充放电的数学表达公式Δuz；步骤2)：根据步骤1)得到的电容充放电数学表达公式Δuz，确定影响电容电压平衡的被控参变量；步骤3)：计算功率模块电容电压的平均值uavr；步骤4)：计算功率模块电容电压与其平均值uavr的电压差Δuj；步骤5)：计算三角载波的周期Ts和频率fs；根据三角载波幅值和频率确定三角函数的泰勒展开式u(t)；步骤6)：定义u*为自取能电源跳频控制的调制波幅值，(1)当uavr≤uj，令u*＝1，此值与三角载波进行比较，得到自取能电源的控制信号drp＝1，此时自取能电源保持连续运行状态；(2)当uavr>uj，自取能电源控制的调制信号如下计算： u * = 0.5 + Δu j u j - - - ( 1 ) ]]>将u*将和u(t)进行比较，drp控制信号的变换如下表达式所示： d r p = 1 , u * > u ( t ) d r p = 0 , u * < u ( t ) - - - ( 2 ) . ]]>进一步地，步骤1)中的数学建模过程如下：101、首先定义urms为模块化多电平换流器系统交流输出电压有效值，irms为模块化多电平换流器系统交流输出电流有效值，效为功率因数角，mu为电压调制比，mi为电流调制比，得到： m u = 2 u r m s / 1 2 U d c 本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1)：对串联的功率模块的充放电过程进行数学建模，得到功率模块的电容充放电的数学表达公式Δuz；步骤2)：根据步骤1)得到的电容充放电数学表达公式Δuz，确定影响电容电压平衡的被控参变量；步骤3)：计算功率模块电容电压的平均值uavr；步骤4)：计算功率模块电容电压与其平均值uavr的电压差Δuj；步骤5)：计算三角载波的周期Ts和频率fs；根据三角载波幅值和频率确定三角函数的泰勒展开式u(t)；步骤6)：定义u*为自取能电源跳频控制的调制波幅值，(1)当uavr≤uj，令u*＝1，此值与三角载波进行比较，得到自取能电源的控制信号drp＝1，此时自取能电源保持连续运行状态；(2)当uavr>uj，自取能电源控制的调制信号如下计算：u*=0.5+Δujuj---(1)]]>将u*将和u(t)进行比较，drp控制信号的变换如下表达式所示：drp=1,u*>u(t)drp=0,u*<u(t)---(2).]]>

【技术特征摘要】
1.基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法，其特征在于：包括以下
步骤：
步骤1)：对串联的功率模块的充放电过程进行数学建模，得到功率模块的电容充放电
的数学表达公式Δuz；
步骤2)：根据步骤1)得到的电容充放电数学表达公式Δuz，确定影响电容电压平衡的被
控参变量；
步骤3)：计算功率模块电容电压的平均值uavr；
步骤4)：计算功率模块电容电压与其平均值uavr的电压差Δuj；
步骤5)：计算三角载波的周期Ts和频率fs；根据三角载波幅值和频率确定三角函数的泰
勒展开式u(t)；
步骤6)：定义u*为自取能电源跳频控制的调制波幅值，
(1)当uavr≤uj，令u*＝1，此值与三角载波进行比较，得到自取能电源的控制信号drp＝1，
此时自取能电源保持连续运行状态；
(2)当uavr>uj，自取能电源控制的调制信号如下计算：
u * = 0.5 + Δu j u j - - - ( 1 ) ]]>将u*将和u(t)进行比较，drp控制信号的变换如下表达式所示：
d r p = 1 , u * > u ( t ) d r p = 0 , u * < u ( t ) - - - ( 2 ) . ]]>2.根据权利要求1所述的基于自取能电源跳频控制的模块化多电平换流器均压方法，
其特征在于：步骤1)中的数学建模过程如下：
101、首先定义urms为模块化多电平换流器系统交流输出电压有效值，irms为模块化多电
平换流器系统交流输出电流有效值，效为功率因数角，mu为电压调制比，mi为电流调制比，
得到：
m u = 2 u r m s / 1 2 U d c m i = 2 2 i r m s / 1 3 i d c - - - ( 3 ) ; ]]>其中，Udc为模块化多电平换流器系统直流侧母线电压，idc为直流侧电流；
102、定义uao(t)为模块化多电平换流器系统中a相交流侧输出电压，iao(t)为模块化多
电平换流器系统中a相交流侧输出电流，ula(t)为模块化多电平换流器系统中a相下桥臂输
出电压，则：
定义ulr为下桥臂参考输出电压，则由此得到下桥臂每个功率模块的参考输出电压ulrz的表达式：
u l r z ...

【专利技术属性】
技术研发人员：雒龙飞，张彦斌，贾立新，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61