一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法技术

本发明专利技术公开了一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，在对整数投入子模块桥臂电压进行调制的同时，提出了SAPWM调制算法，通过考虑全桥模块化多电平变换器在提压运行工况下的桥臂电压的正负情况自适应的调节上、下桥臂载波相位，并根据小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制用于输出电压小数部分的子模块的输出电平，从而同时实现对整数和小数投入子模块桥臂电压的调制，且能在全桥模块化多电平变换器整个提压运行基波周期内增加负载电压电平数，不仅有效降低了负载电压的总谐波畸变率，而且还增加了负载电压的谐波频率，降低了滤波成本，适用于提压运行工况下的全桥模块化多电平变换器。

An optimal modulation method of full bridge modular multilevel converter

【技术实现步骤摘要】
一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法
本专利技术属于电压变换器领域，更具体地，涉及一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法。
技术介绍
全桥模块化多电平变换器(FullBridgeModularMultilevelConverter,FBMMC)凭借其灵活的子模块输出能力，在提压运行，直流故障穿越、以及电机驱动等领域展现出独到的优势。通过子模块产生负输出电平，FBMMC可以在直流电压不变的情况下产生更高幅值的负载电压，实现提压运行，提升FBMMC容量。在直流侧短路故障情况下，则可以消除直流侧故障电流，提供无功补偿，不依靠额外装置即可实现直流故障穿越。FBMMC子模块灵活的电平输出能力允许同一桥臂的各子模块处于不同的充放电状态，增加了子模块电容电压的控制自由度，有效解决了电机低速运行时子模块电容电压波动剧烈的问题。常见的适用于FBMMC的调制方式主要有：最近电平逼近调制(NLM)以及脉冲宽度调制(PWM)。在中压条件下MMC子模块数较少，采用NLM会导致较低的负载电压电平数，进而引起严重的负载电压波形畸变。PWM虽然可以有效避免中压应用场景负载电压波形畸变的问题，但是较高的开关频率会带来居高不下的开关损耗以及沉重的散热压力，增加FBMMC整体成本，且不利于设备的长期安全可靠运行。因此，在中压应用领域，亟需一种优化的FBMMC调制策略，以较低的开关频率产生低波形畸变的负载电压。针对上述问题，现有的FBMMC的优化调制方法基于NLM，通过在FBMMC的每个桥臂中额外增加一个半电压子模块，以较低的开关频率增加负载电压电平数，降低波形畸变。但是此方法需要在每一个桥臂中额外增加半电压子模块，硬件成本较高。需要额外的闭环控制保证半电压子模块电容电压始终为普通子模块电容电压的一半，控制复杂。未考虑桥臂电压的小数部分，仅能调制整数桥臂子模块数所对应的桥臂电压，生成的负载电压波形质量改善效果有限，且谐波主要为低频成分，滤波成本高。没有考虑普通子模块(即整数子模块)的负电平输出，不适用于提压运行工况，难以发挥FBMMC的优势。综上所述，提出一种适用于提压运行工况的全桥模块化多电平变换器的优化调制方法及系统是亟待解决的问题。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提出一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，旨在解决现有技术由于未考虑整数子模块的负电平输出而导致的不适用于提压运行工况的问题。为实现上述目的，本专利技术提出了一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，包括以下步骤：S1、分别在各桥臂中基于其桥臂电流和桥臂电压确定其子模块电容充放电状态，并根据其子模块的电容充放电状态和子模块电容电压对其子模块进行排序；S2、分别在各桥臂中根据其桥臂电压和桥臂额定子模块平均电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数；S3、分别在各桥臂中采用NLM对其前整数投入子模块数个子模块进行控制，输出其桥臂电压的整数部分；判断其小数投入子模块数是否为0，若不为0，则基于其桥臂电压和小数投入子模块数，采用SAPWM对其第整数投入子模块数+1个子模块进行控制，输出其桥臂电压的小数部分，从而输出全桥臂电压；S4、根据步骤S2所述的方法分别重新计算各桥臂新的整数投入子模块数和小数投入子模块数；S5、分别在各桥臂中判断其相邻两次的整数投入子模块数是否相等，若不相等，则根据步骤S1所述的方法对其子模块进行排序；S6、重复步骤S3-S5进行迭代，持续输出低总谐波畸变率的全桥臂电压。进一步优选地，所述全桥模块化多电平变换器的桥臂包括上桥臂和下桥臂。进一步优选地，上述整数投入子模块数是整数，用于表示采用多少子模块来输出桥臂电压的整数部分；上述小数投入子模块数是小数，用于表示一个子模块以几分之几的占空比断续输出子模块电容电压，以得到桥臂电压的小数部分。进一步优选地，上述整数投入子模块数N和小数投入子模块数n的计算公式如下：其中，uarm为桥臂电压，UC为额定子模块平均电容电压。进一步优选地，分别在各桥臂中采用SAPWM对第整数投入子模块数+1个子模块进行控制的方法，包括以下步骤：S31、若上、下桥臂电压均大于等于0，则生成同相的在0-1区间波动的上桥臂三角载波和下桥臂三角载波，否则，生成反相的在0-1区间波动的上桥臂三角载波和下桥臂三角载波；S32、分别在上、下桥臂中，根据其桥臂电压、小数投入子模块数以及桥臂三角载波控制其第整数投入子模块数+1个子模块的输出电平，从而输出各桥臂电压的小数部分。进一步优选地，步骤S32所述的方法包括：若桥臂电压大于等于0且其小数投入子模块数大于其三角载波的瞬时值，则使其第整数投入子模块数+1个子模块输出正电平；若桥臂电压小于0且小数投入子模块数大于其三角载波的瞬时值，则使其第整数投入子模块数+1个子模块输出负电平；若小数投入子模块数小于等于其三角载波的瞬时值，则使其第整数投入子模块数+1个子模块输出零电平。进一步优选地，上述全桥模块化多电平变换器的优化调制方法适用于提压运行工况下的全桥模块化多电平变换器。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术所提出的一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，在对整数投入子模块桥臂电压进行调制的同时，提出了SAPWM调制算法，通过考虑全桥模块化多电平变换器在提压运行工况下的桥臂电压的正负情况自适应的调节上、下桥臂载波相位，并根据小数投入子模块数与桥臂载波信号的瞬时值的比较结果，控制用于输出电压小数部分的子模块的输出电平，从而在能够同时实现对整数和小数投入子模块桥臂电压的调制，且能在全桥模块化多电平变换器整个提压运行基波周期内增加负载电压电平数，适用于提压运行工况下的全桥模块化多电平变换器。2、本专利技术提出了全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，可以根据桥臂电压自适应的调节上、下桥臂载波相位，不仅能调制用于输出电压小数部分的子模块桥臂电压，还能在全桥模块化多电平变换器的整个提压运行基波周期增加负载电压的电平数。不仅有效降低了负载电压的总谐波畸变率，而且还增加了负载电压的谐波频率，降低了滤波成本。3、本专利技术所提出的一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，仅在整数投入子模块数变化时才进行新的排序操作，每桥臂仅一个子模块处于高频工作状态，显著降低了开关频率。附图说明图1是本专利技术所提供的一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法流程图；图2是本专利技术所适用的单相FBMMC的拓扑结构；图3是上、下桥臂载波相位对用于输出小数部分电压的子模块的输出电压与桥臂电感电压之和的影响；其中，图(a)为上、下桥臂载波反相，且uarmp≥0且uarmn≥0时上、下桥臂载波相位对用于输出电压小数部分的子模块的输出电压与桥臂电感电压之和的影响；图(b)为上、下桥臂载波同相，且uarmp≥0且uarmn≥0时上、下桥臂载波相位对用于输出电压小数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、分别在各桥臂中基于其桥臂电流和桥臂电压确定其子模块电容充放电状态，并根据其子模块的电容充放电状态和子模块电容电压对其子模块进行排序；/nS2、分别在各桥臂中根据其桥臂电压和桥臂额定子模块平均电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数；/nS3、分别在各桥臂中采用NLM对其前整数投入子模块数个子模块进行控制，输出其桥臂电压的整数部分；判断其小数投入子模块数是否为0，若不为0，则基于其桥臂电压和小数投入子模块数，采用SAPWM对其第整数投入子模块数+1个子模块进行控制，输出其桥臂电压的小数部分，从而输出全桥臂电压；/nS4、根据步骤S2所述的方法分别重新计算各桥臂新的整数投入子模块数和小数投入子模块数；/nS5、分别在各桥臂中判断其相邻两次的整数投入子模块数是否相等，若不相等，则根据步骤S1所述的方法对其子模块进行排序；/nS6、重复步骤S3-S5进行迭代，持续输出全桥臂电压。/n

【技术特征摘要】
1.一种全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、分别在各桥臂中基于其桥臂电流和桥臂电压确定其子模块电容充放电状态，并根据其子模块的电容充放电状态和子模块电容电压对其子模块进行排序；
S2、分别在各桥臂中根据其桥臂电压和桥臂额定子模块平均电容电压计算其整数投入子模块数和小数投入子模块数；
S3、分别在各桥臂中采用NLM对其前整数投入子模块数个子模块进行控制，输出其桥臂电压的整数部分；判断其小数投入子模块数是否为0，若不为0，则基于其桥臂电压和小数投入子模块数，采用SAPWM对其第整数投入子模块数+1个子模块进行控制，输出其桥臂电压的小数部分，从而输出全桥臂电压；
S4、根据步骤S2所述的方法分别重新计算各桥臂新的整数投入子模块数和小数投入子模块数；
S5、分别在各桥臂中判断其相邻两次的整数投入子模块数是否相等，若不相等，则根据步骤S1所述的方法对其子模块进行排序；
S6、重复步骤S3-S5进行迭代，持续输出全桥臂电压。


2.根据权利要求1所述的全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，其特征在于，所述全桥模块化多电平变换器的桥臂包括上桥臂和下桥臂。


3.根据权利要求1所述的全桥模块化多电平变换器的优化调制方法，其特征在于，所述整数投入子模块数是整数，用于表示采用多少子模块来输出桥臂电压的整数部分；
所述小数投入子模块数是小数，用于表示一个子模块以几分之几的占空比断续输出子模块电容电压，以得到桥臂电压的小数部分。


4.根据权利要求3所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林磊，何佳璐，徐晨，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42