一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法

摘要

本发明公开了一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法，该模块化多电平换流器拓扑的每个桥臂由N个半桥子模块、1个辅助子模块和1个桥臂电感串联而成，辅助子模块采用全桥结构，控制辅助子模块电容电压为半桥子模块的1/2；对每个桥臂半桥子模块采用最近电平逼近调制方式，辅助子模块只在桥臂半桥子模块投入的个数小于等于预设值时投入；辅助子模块的正向投入和反向投入需根据当前状态下辅助子模块电容电压的实际值和参考值之间的偏差和桥臂电流方向决定；本发明的控制方法可使串联的辅助子模块只在部分时间段进行投入，在增加MMC输出电平数，降低模块化多电平换流器输出电压谐波畸变率的同时，有效地降低了辅助子模块的开关频率，减小了系统的损耗。

权利要求

1.一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法，其特征在于，所述的模块化多电平换流器由6个桥臂构成；6个桥臂平均分为3组，每组构成一个相单元，每个相单元包含上、下两个桥臂；上、下桥臂串联连接，连接处称为相单元中点，相单元与相单元之间并联连接；每个相单元的上桥臂由N个半桥子模块、1个全桥辅助子模块和1个桥臂电感依次串联而成，每个相单元的下桥臂由1个桥臂电感、1个全桥辅助子模块和N个半桥子模块依次串联而成；第x个相单元上桥臂的N个半桥子模块依次记为SMx_p1，SMx_p2，…，SMx_pj，…，SMx_pN，辅助子模块记为SMx_p(N+1)；第x个相单元的下桥臂的N个半桥子模块依次记为SMx_n1，SMx_n2，…，SMx_nj，…，SMx_nN，辅助子模块记为SMx_n(N+1)，下标x取1，2，3，分别表示第1、2、3三个相单元，下标j＝1，2，…，n；第x相上桥臂的桥臂电感记为Lx_p，下桥臂的桥臂电感记为Lx_n；

三个上桥臂的第一个子模块的正极连接在一起接入直流电源的正极，三个下桥臂的最后一个子模块的负极连接在一起接入直流电源的负极；三个相单元中点分别构成模块化多电平的换流器的三个输出端口，形成A，B，C三相；

半桥子模块由2个IGBT管T11、T12和1个电容C1构成；电容C1的正极和T11的集电极相连，电容C1的负极和T12的发射极相连；T11的发射极和T12的集电极相连构成半桥子模块的输出端正极，T12的发射极作为半桥子模块的输出端负极；辅助子模块采用全桥结构，由4个IGBT管T1、T2、T3、T4和1个电容C2构成；电容C2的正极和T1、T2的集电极相连，电容C2的负极和T3、T4的发射极相连；T1的发射极与T3的集电极相连并构成辅助子模块的输出端正极，T2的发射极与T4的集电极相连并构成辅助子模块的输出端负极；

所述的含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法，其特征在于由如下步骤组成：

针对模块化多电平换流器三个相单元中的任意一个相单元，分别采用以下步骤进行控制：

步骤1：计算上、下桥臂调制电压的参考值Upx_ref和Unx_ref，分别为：Upx_ref＝Udc/2[1‑m*sin(ωt+(x‑1)*(2π/3))]Unx_ref＝Udc/2[1+m*sin(ωt+(x‑1)*(2π/3))]其中，Udc为直流电源电压，通过电压互感器测量得到；m为电压调制比，根据用户的实际需求选取；ω为输出电压的角频率，根据用户的实际需求选取；t表示从模块化多电平换流器开始运行起进行计时获得的时间量；*表示数学符号的乘号；

步骤2：不考虑辅助子模块时，上、下桥臂需投入的半桥子模块个数npx_1和nnx_1分别为：npx_1＝floor(Upx_ref/UC_ref)nnx_1＝floor(Unx_ref/UC_ref)其中，floor()函数为向下取整函数；UC_ref为半桥子模块电容电压的参考值，取值为半桥子模块电容电压的额定值；

步骤3：上、下桥臂调制电压的参考值Upx_ref和Unx_ref分别与半桥子模块电容电压的参考值UC_ref作商，再分别与npx_1和nnx_1作差，得到差值p和q：p＝Upx_ref/UC_ref‑npx_1q＝Unx_ref/UC_ref–nnx_1步骤4：测量获得上桥臂辅助子模块电容电压值为Ux_p(N+1)；将Ux_p(N+1)和Ux_(N+1)_ref分别接入第一个滞环比较器的正向和负向输入端；Ux_(N+1)_ref为辅助子模块电容电压的参考值，取值为辅助子模块电容电压的额定值；当Ux_p(N+1)≥Ux_(N+1)_ref+δ时，第一个滞环比较器输出为1，其中，δ为滞环比较器的环宽，取值为0.5％倍的半桥子模块电容电压的额定值；当Ux_p(N+1)

步骤5：测量获得下桥臂辅助子模块电容电压值为将Ux_n(N+1)；将Ux_n(N+1)和Ux_(N+1)_ref分别接入第二个滞环比较器的正向和负向输入端；当Ux_n(N+1)≥Ux_(N+1)_ref+δ时，第二个滞环比较器输出为1；当Ux_n(N+1)

步骤6：当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0≤p<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取npx_2＝0；npx_2表示上桥臂需额外投入的半桥子模块个数；k表示降频系数，取值在(0，1)之间变化，可根据实际降频要求取值；k值越大，降频效果越差，但模块化多电平换流器系统的输出电压谐波畸变率越小；k值越小，降频效果越好，但模块化多电平换流器系统的输出电压谐波畸变率越大；

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取npx_2＝0；

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取npx_2＝1；

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0.75

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0≤p<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取npx_2＝0；

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取npx_2＝1；

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取npx_2＝0；

当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0.75

当npx_1>kN，且0≤p≤0.5时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取npx_2＝0；

当npx_1>kN，且0.5

1；

步骤7：当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0≤q<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取nnx_2＝0；nnx_2表示下桥臂需额外投入的半桥子模块个数；

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取nnx_2＝0；

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取nnx_2＝1；

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0.75

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0≤q<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取nnx_2＝0；

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取nnx_2＝1；

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取nnx_2＝0；

当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0.75

当nnx_1>kN，且0≤q≤0.5时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取nnx_2＝0；

当nnx_1>kN，且0.5

1；

步骤8：将npx_1和npx_2、nnx_1和nnx_2分别求和，得到考虑辅助子模块时，上、下桥臂需投入的半桥子模块个数npx和nnx：

npx＝npx_1+npx_2

nnx＝nnx_1+nnx_2

步骤9：根据npx和nnx，对上、下桥臂半桥子模块采用最近电平逼近调制。

2.根据权利要求1所述的一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法，其特征在于，所述每个桥臂中半桥子模块个数N取值为8；半桥子模块电容C1大小为

4700uF，半桥子模块电容电压的额定值UC_ref为2.1kV；辅助子模块电容C2大小为4700uF，辅助子模块电容电压的额定值Ux_(N+1)_ref为1.05kV；上、下桥臂的桥臂电感Lx_p和Lx_n大小均为

8mH；降频系数k为0.4。

说明书

一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子变流领域，特别涉及一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法。

背景技术

[0002] 近年来，工业和经济的快速发展导致了能源的快速消耗，电能因其具有清洁、方便和可持续等优势受到了各国的青睐，但传统的输电方式的电压等级和电能质量逐渐不能满
足需求。随着电力电子开关器件和控制技术的不断进步，柔性直流输电技术得已迅猛发展。
模块化多电平换流器(MMC)因其具有功率大、可靠性高、故障处理能力强和方便拓展等技术
优势成为当前直流输电工程的首选方案。

[0003] 常用的MMC调制策略主要包括最近电平逼近调制(NLM)和载波移相调制(CPS‑PWM)策略。相比于CPS‑PWM调制，NLM调制不需增加均压控制器，具有控制简单，开关频率低和开
关损耗小的显著优势。但当子模块数较少时，MMC输出电平数量减少，输出电压谐波畸变率
会较高，使得电能质量不能满足输电需求。

[0004] 因此，对NLM调制在子模块数较少时MMC输出电压的谐波畸变率高的问题的研究有重大意义。

[0005] 基于传统NLM在子模块数较少情况下的不足，本发明提出一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法。与传统的MMC相比，在每个桥臂中串联一个全桥结构
的辅助子模块，控制辅助子模块的电容电压为半桥子模块的1/2，给出了辅助子模块的降频
控制策略，在提高NLM调制下MMC输出电平数，降低输出电压的谐波畸变的同时，还有效地降
低了辅助子模块的开关频率，减小了MMC系统的损耗。

发明内容

[0006] 针对现有技术的不足，本发明提出了一种含有辅助子模块的模块化多电平换流器的降频控制方法，在增加MMC系统输出电平数，降低输出电压的谐波畸变率的同时，降低了
子模块开关频率和系统的损耗。

[0007] 发明的技术解决方案如下：

[0008] (1)在传统MMC三相六桥臂拓扑的基础上，每个桥臂中都串联一个全桥结构的辅助子模块；半桥子模块的控制采用取整函数为floor()的NLM调制策略，控制辅助子模块的电
容电压为半桥子模块的1/2，辅助子模块根据电容电压实际值和参考值的偏差和桥臂电流
方向，在每次半桥子模块投入个数发生变化后进行正向或反向投入。

[0009] (2)辅助子模块开关频率的降低采用部分时间投入的降频策略，只在桥臂半桥子模块投入的个数小于等于预设值时，辅助子模块再进行投入。

[0010] 本发明的有益效果是：1)在MMC三相的每个桥臂中串入一个辅助子模块，控制辅助子模块的电容电压为半桥子模块的1/2，可以利用此辅助子模块增加输出电平，降低MMC输
出电压的谐波畸变率，提高电能质量；2)采用降频策略可以降低辅助子模块器件的开关频
率，降低了MMC系统对MMC子模块开关器件性能的要求和成本，减小了系统的损耗。

附图说明

[0011] 图1为含有辅助子模块的模块化多电平换流器拓扑结构图；

[0012] 图2为含有辅助子模块的模块化多电平换流器上桥臂的降频控制框图；

[0013] 图3为含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相输出电压波形；

[0014] 图4为含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相输出电压的畸变率；

[0015] 图5为含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相上桥臂半桥和辅助子模块的电容电压波形；

[0016] 图6为kN取不同值时，含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相输出电压的谐波畸变率和辅助子模块开关频率的关系；

[0017] 图7为含有辅助子模块的模块化多电平换流器降频后A相上桥臂辅助子模块的4个IGBT的脉冲信号。

具体实施方式

[0018] 为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发
明，并不用于限定本发明。

[0019] 图1为含有辅助子模块的模块化多电平换流器拓扑结构图，所述的模块化多电平换流器由6个桥臂构成；6个桥臂平均分为3组，每组构成一个相单元，每个相单元包含上、下
两个桥臂；上、下桥臂串联连接，连接处称为相单元中点，相单元与相单元之间并联连接；每
个相单元的上桥臂由N个半桥子模块、1个全桥辅助子模块和1个桥臂电感依次串联而成，每
个相单元的下桥臂由1个桥臂电感、1个全桥辅助子模块和N个半桥子模块依次串联而成；第
x个相单元上桥臂的N个半桥子模块依次记为SMx_p1，SMx_p2，…，SMx_pj，…，SMx_pN，辅助子模块
记为SMx_p(N+1)；第x个相单元的下桥臂的N个半桥子模块依次记为SMx_n1，SMx_n2，…，SMx_nj，…，
SMx_nN，辅助子模块记为SMx_n(N+1)，下标x取1，2，3，分别表示第1、2、3三个相单元，下标j＝1，
2，…，n；第x相上桥臂的桥臂电感记为Lx_p，下桥臂的桥臂电感记为Lx_n；三个上桥臂的第一
个子模块的正极连接在一起接入直流电源的正极，三个下桥臂的最后一个子模块的负极连
接在一起接入直流电源的负极；三个相单元中点分别构成模块化多电平的换流器的三个输
出端口，形成A，B，C三相。

[0020] 半桥子模块由2个IGBT管T11、T12和1个电容C1构成；电容C1的正极和T11的集电极相连，电容C1的负极和T12的发射极相连；T11的发射极和T12的集电极相连构成半桥子模块的输
出端正极，T12的发射极作为半桥子模块的输出端负极；辅助子模块采用全桥结构，由4个
IGBT管T1、T2、T3、T4和1个电容C2构成；电容C2的正极和T1、T2的集电极相连，电容C2的负极和
T3、T4的发射极相连；T1的发射极与T3的集电极相连并构成辅助子模块的输出端正极，T2的发
射极与T4的集电极相连并构成辅助子模块的输出端负极。

[0021] 在本实施例中，每个桥臂中半桥子模块个数N取值为8；半桥子模块电容C1大小为4700uF，半桥子模块电容电压的额定值UC_ref为2.1kV；辅助子模块电容C2大小为4700uF，辅
助子模块电容电压的额定值Ux_(N+1)_ref为1.05kV；上、下桥臂的桥臂电感Lx_p和Lx_n大小均为
8mH；降频系数k为0.4。

[0022] 图2为含有辅助子模块的模块化多电平换流器上桥臂的降频控制框图，针对模块化多电平换流器三个相单元中的任意一个相单元，分别采用以下步骤进行控制：

[0023] 步骤1：计算上、下桥臂调制电压的参考值Upx_ref和Unx_ref，分别为Upx_ref＝Udc/2[1‑m*sin(ωt+(x‑1)*(2π/3))]和Unx_ref＝Udc/2[1+m*sin(ωt+(x‑1)*(2π/3))]。

[0024] 其中，Udc为直流电源电压，通过电压互感器测量得到；m为电压调制比，根据用户的实际需求选取；ω为输出电压的角频率，根据用户的实际需求选取；t表示从模块化多电平
换流器开始运行起进行计时获得的时间量；*表示数学符号的乘号。

[0025] 步骤2：不考虑辅助子模块时，上、下桥臂需投入的半桥子模块个数npx_1和nnx_1分别为npx_1＝floor(Upx_ref/UC_ref)和nnx_1＝floor(Unx_ref/UC_ref)。

[0026] 其中，floor()函数为向下取整函数；UC_ref为半桥子模块电容电压的参考值，取值为半桥子模块电容电压的额定值。

[0027] 步骤3：上、下桥臂调制电压的参考值Upx_ref和Unx_ref分别与半桥子模块电容电压的参考值UC_ref作商，再分别与npx_1和nnx_1作差，得到差值p和q，分别为p＝Upx_ref/UC_ref‑npx_1和
q＝Unx_ref/UC_ref–nnx_1。

[0028] 步骤4：测量获得上桥臂辅助子模块电容电压值为Ux_p(N+1)；将Ux_p(N+1)和Ux_(N+1)_ref分别接入第一个滞环比较器的正向和负向输入端；Ux_(N+1)_ref为辅助子模块电容电压的参考
值，取值为辅助子模块电容电压的额定值；当Ux_p(N+1)≥Ux_(N+1)_ref+δ时，第一个滞环比较器
输出为1，其中，δ为滞环比较器的环宽，取值为0.5％倍的半桥子模块电容电压的额定值；当
Ux_p(N+1)

[0029] 步骤5：测量获得下桥臂辅助子模块电容电压值为将Ux_n(N+1)；将Ux_n(N+1)和Ux_(N+1)_ref分别接入第二个滞环比较器的正向和负向输入端；当Ux_n(N+1)≥Ux_(N+1)_ref+δ时，第
二个滞环比较器输出为1；当Ux_n(N+1)

[0030] 步骤6：当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0≤p<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取npx_2＝0；npx_2表示上桥臂需额外投入的半桥子模块个数；k表
示降频系数，取值在(0，1)之间变化，可根据实际降频要求取值；k值越大，降频效果越差，但
模块化多电平换流器系统的输出电压谐波畸变率越小；k值越小，降频效果越好，但模块化
多电平换流器系统的输出电压谐波畸变率越大。

[0031] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取npx_2＝0。

[0032] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取npx_2＝1。

[0033] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx≥0，且0.75

[0034] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0≤p<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取npx_2＝0。

[0035] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取npx_2＝1。

[0036] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0.25≤p≤0.75，且第一个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取npx_2＝0。

[0037] 当npx_1≤kN，且上桥臂电流ipx<0，且0.75

[0038] 当npx_1>kN，且0≤p≤0.5时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取npx_2＝0。

[0039] 当npx_1>kN，且0.5

[0040] 步骤7：当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0≤q<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取nnx_2＝0；nnx_2表示下桥臂需额外投入的半桥子模块个数。

[0041] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取nnx_2＝0。

[0042] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取nnx_2＝1。

[0043] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx≥0，且0.75

[0044] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0≤q<0.25时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取nnx_2＝0。

[0045] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为‑1时，控制辅助子模块的开关管T2和T3导通，T1和T4关断；取nnx_2＝1。

[0046] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0.25≤q≤0.75，且第二个滞环比较器输出为1时，控制辅助子模块的开关管T1和T4导通，T2和T3关断；取nnx_2＝0。

[0047] 当nnx_1≤kN，且下桥臂电流inx<0，且0.75

[0048] 当nnx_1>kN，且0≤q≤0.5时，控制辅助子模块的开关管T1和T2导通，T3和T4关断；取nnx_2＝0。

[0049] 当nnx_1>kN，且0.5

[0050] 步骤8：将npx_1和npx_2、nnx_1和nnx_2分别求和，得到考虑辅助子模块时，上、下桥臂需投入的半桥子模块个数npx和nnx，分别为npx＝npx_1+npx_2和nnx＝nnx_1+nnx_2。

[0051] 步骤9：根据npx和nnx，对上、下桥臂半桥子模块采用最近电平逼近调制。

[0052] 图3为含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相输出电压波形，输出电压基波幅值为8.268kV，与A相输出电压参考幅值8.164kV相比非常接近，误差率1.27％。

[0053] 图4为含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相输出电压的畸变率，总畸变率为3.61％，输出电压波形平滑满足电能质量要求。

[0054] 图5为含有辅助子模块的模块化多电平换流器A相上桥臂半桥和辅助子模块的电容电压波形，上桥臂各半桥子模块电容电压在2.043至2.139之间波动，电压纹波约为
4.57％；上桥臂辅助子模块电容电压在1.045至1.055之间波动，电压纹波约为0.95％，满足
工程要求。

[0055] 图6为kN(0曲线，实线表示辅助子模块的开关频率曲线；kN＝0时表示只有半桥子模块参与投切时，A相
输出电压的谐波畸变率和辅助子模块开关频率。

[0056] 图7为含有辅助子模块的模块化多电平换流器降频后A相上桥臂辅助子模块的4个IGBT的脉冲信号，每个IGBT的平均开关频率约为558Hz。