[发明专利]一种模块化多电平变换器子模块电容电压优化均压的控制方法

说明书

本发明主要应用于电力电子技术领域，目标是提供一种模块化多电平变换器子模块电容电压优化均压的控制方法。通过选择不同的优化算法实现模块化多电平变换器子模块电容电压的平衡控制，主要包括以下步骤：基于最近电平逼近调制策略计算需要投入的子模块数目；将MMC系统每个桥臂上的子模块按照从大到小排序；将计算得到的子模块数N与当前投入子模块n进行判断，在不同的条件下选择不同的投切子模块方式；找出当前桥臂上电容电压最大和电容电压最小的子模块，比较两者的差值，再选择不同的优化算法进行子模块的投切。基于本发明的MMC技术，在能够控制子模块电容电压均衡的前提下，还可以保证系统具有较低的开关频率，减少了MMC系统中功率变换器的损耗。

技术领域

本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体涉及到一种模块化多电平变换器子模块电容电压优化均压的控制方法。

背景技术

目前电力电子变换器技术得到了快速的发展，已经成为了电力系统中进行电能变换的核心装置，尤其是在进行电能的供电、电能的输送以及电能配置方面起着重要的影响。自从2002年由德国的慕尼黑联邦国防军大学的R.Marquart教授提出基于半桥结构的模块化多电平变换器装置(modular multilevel converter，MMC)，标志着电力电子技术输电领域的变换装置迎来了重大创新，其结构主要采用电压等级低的功率半导体器件——IGBT功率管，通过IGBT和电容并联构成MMC的子模块，可以构成高电压等级的输电装置。MMC技术经过快速的发展，在整流系统和逆变系统中得到了广泛的应用。自从MMC技术提出以后，其在高压直流输电、柔性直流输电以及高压DC/DC变换器装置等应用领域得到广泛的关注。

MMC通过对子模块的投入或切除，利用每相单元桥臂上各个子模块的电容电压值可以得到所期望的正弦波输出波形。MMC中各子模块的电容是悬浮的，各子模块电容之间彼此独立，主电路中有非理想的功率器件，会产生损耗，各个电容器件之间的参数存在差异等，这些因素容易导致各子模块电容电压产生不平衡现象，而子模块的电容电压是否均衡会影响系统的输出波形质量，甚至会影响系统的安全稳定运行，所以对于模块化多电平变换器而言，如何实现各悬浮、独立的子模块电容电压的均衡是研究的关键技术之一。基于最近电平逼近调制方式，只需要通过合理的选择所投入的子模块数，即可逼近所给定的电压波形，较为适合应用于子模块数比较多的调制方式中。传统平衡控制方法的优点是实现简单，但是该均压算法要求在系统的每个动作时刻将子模块电容电压值进行严格排序，从而来控制每个模块的开通或者关断，这种频繁的开关动作必然会增加开关损耗，因此有必要对MMC的开关频率开展相应的研究。

发明内容

针对目前模块化多电平变换器在上述中存在的技术问题，本发明公开了一种基于最近电平逼近调制策略的模块化多电平变换器子模块电容电压优化均压的控制方法。

一种基于半桥型子模块结构的MMC电容电压均衡控制方法，主要包括以下步骤：

通过最近电平逼近调制策略计算得到需要投入的子模块数N；

设定需要限定的最大电压偏差量、子模块电容电压的上下限值以及具体的保持因子值，将子模块根据当前电容电压值按照从大到小的方式进行排序，在同一时刻对需要投入的子模块数N和已投入的子模块数n进行判断，在满足0<N<n的条件时，找出当前桥臂上电容电压最大和电容电压最小的子模块，比较两者的差值，基于最大电压偏差算法，最大电压偏差大于给定的参考值时选择优化方法1进行子模块的投/切，最大电压偏差小于给定的参考值时选择优化方法2进行子模块的投/切；

优化方法1是指当桥臂电流大于零时，选择将MMC系统中当前处于切除状态并且子模块的电容电压大于设定的电压下限值的子模块电容电压乘上一个比1略大的保持因子，该保持因子限制在1到1.1之间，基于计算后的子模块电容电压再进行重新排序，基于重新排序后子模块，投入电容电压最低的N个子模块；