[发明专利]一种减小模块化多电平变换器子模块电容电压波动的均压控制方法

说明书

本发明公开了一种减小模块化多电平变换器子模块电容电压波动的均压控制方法。该方法通过排序子模块电容电压和电容电压波动与监督具有最大充电能力的门极驱动信号，实现减小子模块电容电压波动，达到子模块电容电压均衡的目的。本发明方法在保证模块化多电平变换器输出电压、传输功率等换流器外部特性不变的条件下，显著减小模块化多电平变换器桥臂子模块电容电压波动和子模块电容电压应力差异，降低了子模块电容选型要求，保证了模块化多电平变换器的稳定运行。

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种减小模块化多电平变换器子模块电容电压波动的均压控制方法。

背景技术

随着可再生能源发电、轨道交通电气化和大数据中心的迅猛发展，中压直流配电系统引起了广泛的研究兴趣。DC-DC变换器又称直流变压器，是连接不同电压等级的直流电网或将中压直流(MVDC)转换为低压直流(LVDC)电压供电的重要装置。

相比于传统的模块化、易于控制的基于串联输出并联输出(ISOP)拓扑结构的MVDC/LVDC变换器，模块化多电平谐振变换器的子模块的模块化多级结构具有良好的模块化和灵活性，适用于扩展输入电压和额定功率，集中式大功率变压器具有隔离绝缘设计难度低，功率密度高和易于制造等特点，谐振式结构可以实现全负载范围下子模块功率器件软开关，因此模块化多电平变换器拓扑在中压直流供电(MVDC)具有广泛应用前景。

子模块电容电压平衡是模块化多电平变换器稳定运行的重要条件。相比于柔性直流输电(HVDC)中低频模块化多电平变换器(MMC)使用的电压平衡方法，模块化多电平变换器运行在高开关频率和采样频率条件下，单个周期桥臂子模块仅开关一次，子模块电压仅采样一次，对子模块电容电压的平衡控制制造难度，同时实际运行的控制延迟和适用于宽范围直流输入电压的调制方式使得子模块电容承受着较大的电压波动。因此，子模块电容电压平衡是影响变换器稳定运行的重要因素。

当模块化多电平变换器上子模块电容电压波动幅度大时，一方面可以排序子模块电容电压和门极驱动信号来平衡子模块电容电压，另一方面可以通过增大子模块电容来吸收更多的电容电压波动。显然，前者成本较低，无需升级硬件，是降低模块化多电平子模块电容电压波动的主要手段。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种减小模块化多电平变换器子模块电容电压波动的均压控制方法。本发明通过排序子模块电容电压和电容电压波动和监督具有最大充电能力的门极驱动信号，有效减小子模块电容电压波动，达到子模块电容电压均衡的目的。本发明方法在保证模块化多电平变换器传输功率不变，维持低压直流侧输出电压恒定的条件下，显著降低桥臂子模块电容电压波动和减小子模块电容电压应力差异，保证了模块化多电平变换器的稳定与可靠运行。

本发明的技术方案如下：所述的模块化多电平变换器由模块化多电平电路、谐振腔、输出整流电路组成；其中模块化多电平电路可由一相、两相或三相组成，每相分为上、下两个桥臂，每个桥臂由N个结构相同的半桥子模块和一个桥臂电感串联而成，模块化多电平电路交流输出端经过谐振腔连接至输出整流电路；输出整流电路为全桥整流电路、半桥整流电路、倍压整流电路或是基于模块化多电平结构的电路；

所述的均压控制方法在单个控制周期中的具体实现步骤包括：

1)根据模块化多电平电路输入直流电压V_in，确定桥臂上驱动信号占空比为100％的子模块数为K个，占空比为50％的子模块数为N–K个；

2)收集模块化多电平电路的桥臂上N个子模块电容电压v_r1～v_rN，并计算相邻两个控制周期电容电压采样值的偏差量Δv_ri＝v_ri-v_{ri_pre}，其中i为桥臂子模块编号1,2,3,…,N，r代表模块化多电平的桥臂，v_{ri_pre}表示上一控制周期保存的子模块电容电压的采样值；