一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法转让专利
申请号 : CN201410110712.9
文献号 : CN103888003B
文献日 : 2016-04-27
发明人 : 徐政 , 刘高任 , 许烽
申请人 : 浙江大学
摘要 :
本发明公开了一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法，其通过监测各相交流电压的相位、各桥臂子模块的初始开关状态以及电容电压的最大、最小值，并根据人为给定的分层比例因子γ以及排序裕度因子η对子模块进行分层处理；同时考虑桥臂电流方向、子模块投切变化以及相电压变化率等综合因素，对处于相应层的子模块进行排序并完成投切操作。本发明提出了分层比例因子γ以及排序裕度因子η两个创新控制指标，从两个控制维度对子模块进行分层处理，每次电平变化时只需对处于相应层的子模块进行排序处理，降低了排序所需的时间；同时尽量保持子模块的当前开关状态，使开关频率保持在较低水平，加快了系统响应速度，具有较强的工程应用价值。
权利要求 :
1.一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法，包括如下步骤：
(1)对于MMC的任一桥臂，检测当前该桥臂所在相交流电压的相位θ以及各子模块的投切状态，根据投切状态更新桥臂的投入队列和切除队列，即将当前处于投入状态的子模块分配至投入队列中，将当前处于切除状态的子模块分配至切除队列中；并通过检测子模块的电容电压在投入队列和切除队列中标记电容电压最大和最小的子模块；
(2)根据预设的分层比例因子γ以及排序裕度因子η，对投入队列和切除队列进行分层处理，即将队列分为高压层、低压层和中间层；具体过程如下：对于投入队列，将电容电压大于U1的子模块归为高压层，将电容电压小于U2的子模块归为低压层，将剩下其余子模块归为中间层；
对于切除队列，将电容电压大于U3的子模块归为高压层，将电容电压小于U4的子模块归为低压层，将剩下其余子模块归为中间层；
U1＝Umax_on-γ[η+(1-η)|cosθ|](Umax_on-Umin_on)U2＝Umin_on+γ[η+(1-η)|cosθ|](Umax_on-Umin_on)U3＝Umax_off-γ[η+(1-η)|cosθ|](Umax_off-Umin_off)U4＝Umin_off+γ[η+(1-η)|cosθ|](Umax_off-Umin_off)其中：Umax_on和Umin_on分别为投入队列中电容电压最大和最小的子模块的电容电压，Umax_off和Umin_off分别为切除队列中电容电压最大和最小的子模块的电容电压；
(3)利用最近电平逼近调制方法确定下一时刻桥臂所需投入的子模块个数，进而根据桥臂电流方向对投入队列或切除队列相应层中的子模块进行投切操作，具体标准如下：若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数大于当前已投入的子模块个数且增加数量为N，判断桥臂电流方向：若桥臂电流方向为正，则对切除队列低压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并投入其中电容电压最低的N个子模块；若桥臂电流方向为负，则对切除队列高压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并投入其中电容电压最高的N个子模块；
若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数小于当前已投入的子模块个数且减少数量为N，判断桥臂电流方向：若桥臂电流方向为正，则对投入队列高压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并切除其中电容电压最高的N个子模块；若桥臂电流方向为负，则对投入队列低压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并切除其中电容电压最低的N个子模块；
若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数等于当前已投入的子模块个数，则不对投入队列或切除队列中的子模块进行投切操作，N为大于0的自然数；
若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数相对当前已投入的子模块个数增加或减少的数量大于投入队列或切除队列相应层中的子模块个数，则返回步骤(2)将分层比例因子γ和排序裕度因子η均设定为1，重新对投入队列和切除队列进行分层处理。
2.根据权利要求1所述的子模块分层均压方法，其特征在于：所述的排序裕度因子η大于0.2且小于等于1。
说明书 :
一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法。
背景技术
[0002] 近年来，基于MMC（modular multilevel converter，模块化多电平换流器）的高压直流输电（MMC-HVDC）技术得到了极为广泛的关注。该型拓扑的桥臂采用基本运行单元级联的形式，避免大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题，大幅降低了直流输电的技术壁垒。但由于该拓扑将能量分散存储在桥臂的各个子模块电容中，因此，如何在运行过程中快速实现各个子模块电容电压的均衡控制是其实现难点之一。
[0003] 在现有工程中，各桥臂一般需要串联较多的子模块以实现较高的电压等级（如美国的Trans Bay Cable工程，其每个桥臂包含216个子模块），这对于子模块的快速均压是很大的挑战。目前的子模块均压策略通常采用子模块电容电压排序选通的方法，这种策略首先通过最近电平逼近调制方法确定下一时刻每个桥臂所需投入的子模块个数，之后根据子模块的投切要求，对处于投入或切除状态的全部子模块采用排序选通法，即在每个控制周期根据子模块投切要求的变化以及桥臂电流的方向，将所有子模块进行排序并从中挑选合适的子模块进行投切操作。这种方法的缺点在于：1）每个控制周期中需要排序的子模块数量较多，而最终投切状态发生改变的子模块数量远小于参与排序的子模块数，这对于系统计算资源形成了较大的浪费，会导致严重的控制延时，影响系统的综合稳定性；2）没有考虑相电压变化率对排序操作的影响，相电压变化率与子模块投切数量的变化近似成正比，在电压变化不剧烈时，传统方法依然按照电压变化剧烈的标准维持着较多的待排序子模块，这种方法排序裕度过高，加重了系统的运算负担。
[0004] 公开号为CN102916592A的中国专利提出了一种基于分组思想的均压控制方法，其首先根据桥臂子模块数，对子模块进行平均分组，并采集各组子模块电压值；然后计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略得到需投切的子模块数，并计算得到各组需投切的子模块数；最后将每组子模块按电压值进行排序，根据各组需投切的子模块数，对各组子模块进行投切。该方法虽然提高了子模块的电容电压排序速度，但依然需要对所有子模块进行排序，没有克服计算量大的缺点。
发明内容
[0005] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法，能够避免不必要的排序计算，可以加快系统响应速度，具有很强的工程应用价值。
[0006] 一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法，包括如下步骤：
[0007] （1）对于MMC的任一桥臂，检测当前该桥臂所在相交流电压的相位θ以及各子模块的投切状态，根据投切状态更新桥臂的投入队列和切除队列，并通过检测子模块的电容电压在投入队列和切除队列中标记电容电压最大和最小的子模块；
[0008] （2）根据预设的分层比例因子γ以及排序裕度因子η，对投入队列和切除队列进行分层处理，即将队列分为高压层、低压层和中间层；
[0009] （3）利用最近电平逼近调制方法确定下一时刻桥臂所需投入的子模块个数，进而根据桥臂电流方向对投入队列或切除队列相应层中的子模块进行投切操作。
[0010] 所述的步骤（1）中更新桥臂投入队列和切除队列的方法为：将当前处于投入状态的子模块分配至投入队列中，将当前处于切除状态的子模块分配至切除队列中。
[0011] 所述的步骤（2）中对投入队列和切除队列进行分层处理的具体过程如下：
[0012] 对于投入队列，将电容电压大于U1的子模块归为高压层，将电容电压小于U2的子模块归为低压层，将剩下其余子模块归为中间层；
[0013] 对于切除队列，将电容电压大于U3的子模块归为高压层，将电容电压小于U4的子模块归为低压层，将剩下其余子模块归为中间层；
[0014]
[0015]
[0016]
[0017]
[0018] 其中：Umax_on和Umin_on分别为投入队列中电容电压最大和最小的子模块的电容电压，Umax_off和Umin_off分别为切除队列中电容电压最大和最小的子模块的电容电压。
[0019] 分层比例因子γ应大于0且小于等于1，它代表着在排序裕度因子η为1时，被分配到对应状态的电压较高或电压较低层的子模块在处于对应状态的子模块中所占的比例。γ越大，被分配到电压较高或电压较低层的子模块数量越多，这意味着在之后步骤中有可能进行排序操作的子模块数量越多。当γ大于0.5时，对应状态的电压较高与电压较低层将出现重叠。当γ为1时，处于投入（或切除）状态的每个子模块将同时属于对应状态的电压较高和电压较低层。
[0020] 排序裕度因子η应大于0且小于等于1，它体现了相电压变化率对分层均压以及电容排序的影响。若MMC任一相的相电压表示为U*sinθ，则|cosθ|近似表征相电压的变化率，变化范围为0～1，绝对值越小表示需要投入的子模块数量的变化越不剧烈，与电压变化剧烈（如|cosθ|=1）的情况相比较，此时可储备更少的待排序子模块，进一步减少排序操作所需时间。当裕度因子η为1时，最终被分配到对应状态电压较高或电压较低层的子模块在处于对应状态的子模块中所占的比例为γ，此时表示裕度最大，即不考虑相电压变化率的影响，将较多的子模块进行分层并在后续步骤中进行排序均压。当裕度因子η为0时，最终被分配到对应状态的电压较高或电压较低层的子模块在处于对应状态的子模块中所占的比例为|cosθ|；此时若|cosθ|为0，则总比例将为0，这会导致后续操作无法进行，因此在计算中应保留一定的裕度，η的取值应尽量大于0.2。
[0021] 所述的步骤（3）中对投入队列或切除队列相应层中的子模块进行投切操作的具体标准如下：
[0022] 若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数大于当前已投入的子模块个数且增加数量为N，判断桥臂电流方向：若桥臂电流方向为正，则对切除队列低压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并投入其中电容电压最低的N个子模块；若桥臂电流方向为负，则对切除队列高压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并投入其中电容电压最高的N个子模块；
[0023] 若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数小于当前已投入的子模块个数且减少数量为N，判断桥臂电流方向：若桥臂电流方向为正，则对投入队列高压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并切除其中电容电压最高的N个子模块；若桥臂电流方向为负，则对投入队列低压层中的子模块按电容电压大小进行排序，并切除其中电容电压最低的N个子模块；
[0024] 若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数等于当前已投入的子模块个数，则不对投入队列或切除队列中的子模块进行投切操作，N为大于0的自然数。
[0025] 若下一时刻桥臂所需投入的子模块个数相对当前已投入的子模块个数增加或减少的数量大于投入队列或切除队列相应层中的子模块个数，则返回步骤（2）将分层比例因子γ和排序裕度因子η均设定为1，重新对投入队列和切除队列进行分层处理。
[0026] 本发明方法提出了分层比例因子γ以及排序裕度因子η两个创新控制指标，在此基础上对子模块进行了分层处理，考虑桥臂电平数量变化的剧烈程度以及桥臂电流的方向，从两个维度对均压排序的参与数量进行调整，每次只需对处于相应层的子模块进行排序操作，相对于每次均需要对所有子模块进行全排序的现有技术比，大大缩短了排序时间，改善了系统的动态响应特性。为此，本发明方法在进行均压排序操作时，首先根据子模块的当前开关状态进行分类，后续操作尽量维持子模块的当前投切状态。在投入子模块数量发生改变时，只对增加或减少的N个子模块进行相应的投切操作，大大降低了子模块开关频率，减小了损耗以及设备发生故障的风险。
附图说明
[0027] 图1为MMC的拓扑结构示意图。
[0028] 图2为MMC半桥子模块的结构及开关状态示意图。
[0029] 图3为本发明监测桥臂子模块当前开关状态及电容电压的流程示意图[0030] 图4为本发明对桥臂子模块进行分层处理的流程示意图。
[0031] 图5为本发明投切操作的流程示意图。
具体实施方式
[0032] 为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0033] 一种模块化多电平换流器的子模块分层均压方法，具体步骤包括：
[0034] 步骤1：对于每个桥臂，监测该桥臂子模块的初始开关状态，并记录电容电压的最大、最小值，监测该相交流电压的相位θj。
[0035] MMC拓扑结构采用三相六桥臂结构如图1所示，每桥臂由N个基本运行功率单元级联而成，同时配置一个缓冲电抗L0以抑制环流和故障电流上升率。Udc为MMC双极直流母线电压差。现有工程中的子模块一般采用半桥结构，如图2所示；子模块有两种工作状态，当处于“投入”状态时，模块端口输出电压为电容电压Uc；当处于“切除”状态时，模块端口输出电压为0。
[0036] 对于每桥臂的N个子模块，按照编号从1到N的顺序扫描其电容电压，并记录每个子模块当前的开关状态。如图3所示，扫描过程中遇到的处于投入状态的子模块电容电压最大值记为Umax_on，最小值记为Umin_on；扫描过程中遇到的处于切除状态的子模块电容电压最大值记为Umax_off，最小值记为Umin_off；同时，记录该桥臂对应相的相电压的相位θ（jθj取-180°至180°）。
[0037] 步骤2：按照人为给定的分层比例因子γ以及排序裕度因子η，对各桥臂的子模块进行分层处理。
[0038] 对于每个桥臂，人为给定计算所需的分层比例因子γ以及排序裕度因子η；如图4所示，若子模块处于投入状态并且电容电压大于[Umax_on-γ*[η+(1-η)*|cosθj|]*(Umax_on-Umin_on)]，则该子模块被归为“电压较高（投入）层”；若子模块处于投入状态并且电容电压小于[Umin_on+γ*[η+(1-η)*|cosθj|]*(Umax_on-Umin_on)]，则该子模块被归为“电压较低（投入）层”；若子模块处于切除状态并且电容电压大于[Umax_off-γ*[η+(1-η)*|cosθj|]*(Umax_off-Umin_off)]，则该子模块被归为“电压较高（切除）层”；若子模块处于切除状态并且电容电压小于[Umin_off+γ*[η+(1-η)*|cosθj|]*(Umax_off-Umin_off)]，则该子模块被归为“电压较低（切除）层”；其余子模块被归为“电压中间层”。
[0039] 分层比例因子γ应大于0且小于等于1，它代表着在排序裕度因子η为0时，被分配到对应状态的电压较高或电压较低层的子模块在处于对应状态的子模块中所占的比例。γ越大，被分配到电压较高或电压较低层的子模块数量越多，这意味着在之后步骤中有可能进行排序操作的子模块数量越多。当γ大于0.5时，对应状态的电压较高与电压较低层将出现重叠。当γ为1时，处于投入（或切除）状态的每个子模块将同时属于对应状态的电压较高和电压较低层。排序裕度因子η应大于0且小于等于1，它体现了相电压变化率对分层均压以及电容排序的影响。|cosθj|为相电压变化率的绝对值，变化范围为0～1，绝对值越小表示需要投入的子模块数量的变化越不剧烈，与电压变化剧烈（如|cosθj|=1）的情况相比较，此时可储备更少的待排序子模块，进一步减少排序操作所需时间。当裕度因子η为1时，最终被分配到对应状态电压较高或电压较低层的子模块在处于对应状态的子模块中所占的比例为γ，此时表示裕度最大，即不考虑相电压变化率的影响，将较多的子模块进行分层并在后续步骤中进行排序均压。当裕度因子η为0时，最终被分配到对应状态的电压较高或电压较低层的子模块在处于对应状态的子模块中所占的比例为|cosθj|；此时若|cosθj|为0，则总比例将为0，这会导致后续操作无法进行，因此在计算中应保留一定的裕度，η的最小取值应尽量大于0.2。
[0040] 步骤3：根据桥臂电流方向及子模块投切要求，对处于相应层的子模块进行排序并完成投切操作；如图5所示：
[0041] 若需投入的子模块数大于已投入子模块的数量，增加数量为ΔN+，且桥臂电流为正，则对该桥臂属于“电压较低（切除）层”的子模块进行排序，并投入电容电压最低的ΔN+个子模块；
[0042] 若需投入的子模块数大于已投入子模块的数量，增加数量为ΔN+，且桥臂电流为负，则对该桥臂属于“电压较高（切除）层”的子模块进行排序，并投入电容电压最高的ΔN+个子模块；
[0043] 若需投入的子模块数小于已投入子模块的数量，减小数量为ΔN-，且桥臂电流为正，则对该桥臂属于“电压较高（投入）层”的子模块进行排序，并切除电容电压最高的ΔN-个子模块；
[0044] 若需投入的子模块数小于已投入子模块的数量，减小数量为ΔN-，且桥臂电流为负，则对该桥臂属于“电压较低（投入）层”的子模块进行排序，并切除电容电压最低的ΔN-个子模块；
[0045] 若需投入的子模块数等于已投入子模块的数量，则不进行投切操作。
[0046] 若子模块投切改变量ΔN+或ΔN-大于对应分层的子模块的数量，说明此时系统运行状态发生较大扰动，此时将分层比例因子γ取为1，排序裕度因子η取为1，对处于对应开关状态的所有子模块进行排序操作。
[0047] 以下我们假设桥臂子模块数量为N，使现有排序选通法与本实施方式对于所需的单次排序时间进行对比分析：
[0048] 对于现有方法，每一次电平变化时，均需对所有子模块进行排序，排序的时间复杂度（即指执行算法所需要的计算工作量，可近似认为与排序所耗费的时间成正比例关系）为O（NLog2N）；
[0049] 对于本实施方式，每次电平变化时，只需对相应分层的子模块进行排序操作，若暂不考虑排序裕度因子η的影响，将其设为1，对于人为给定的分层比例因子γ（如25%），平均时间复杂度约为O
[0050] 不同子模块数量下，两种方法所需时间如表1所示：
[0051] 表1
[0052]
[0053] 从表1可以看出，本发明方法所需时间远远小于传统方法，若将排序裕度因子η调低，系统的计算时间将进一步降低。随着子模块数量的增加，现有方法所需时间将快速上升，产生控制延时，这对系统的安全稳定运行会产生较大影响。