一种模块化多电平变换器的电容均压控制方法

本发明涉及电力电子多电平变换器，尤其是涉及一种模块化多电平变换器的电容均压控制方法。

背景技术：

1、现有技术中，脉宽调制（pwm）技术是模块化多电平变换器（mmc）调制的核心技术，直接关系到mmc输出电压的谐波特性、直流侧电容电压的平衡以及功率器件开关次数的均衡。基于载波的正弦脉宽调制（spwm）控制方法简单、响应速度快，在多电平变换器中得到广泛应用。根据载波的空间位置不同，spwm调制可分为载波相移脉宽调制与载波层叠脉宽调制。载波相移调制能够在较低的开关频率下获得良好的输出电压谐波特性，并自然实现功率器件开关次数的均衡分配，但由于三角载波相位的差异，各单元会吸收不等量的有功功率，从而影响直流侧电压的均衡；载波同相层叠调制（pd-pwm）具有优秀的线电压消谐特性，但存在功率器件的开关状态不均衡的固有缺陷，同样会导致直流侧电压的不均衡。

2、针对这一问题，相关学者提出了载波轮换方法。然而，该方法虽然能在一定程度上实现有功功率的平均分配，但当各单元存在参数差异或受外部条件影响而导致有功功率需求不均衡时，该方法则难以满足各单元有功功率的按需分配，进而影响装置的性能和运行。同时，随着功率和电压等级的不断提高，变换器所需子模块个数逐渐增加，传统的均压方法需要对所有模块进行实时全排序，这会占据控制器大量的计算资源，导致系统运行速度下降甚至影响控制器的电流动态追踪性能。因此，在保证子模块均压效果的同时尽可能降低子模块均衡策略的复杂度，成为了mmc实际应用中的一关键问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种模块化多电平变换器的电容均压控制方法，可以解决模块化多电平变换器子模块电容电压失衡的问题，以及在电容电压平衡过程中随着变换器电平数的增多，数字控制器资源被严重消耗的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种模块化多电平变换器的电容均压控制方法，包括以下步骤：

3、s1、基于载波轮换pd-pwm，对载波进行工频周期的轮换；

4、s2、采集直流侧电压、子模块电容电压以及上、下桥臂电流信息，将其发送至控制器进行预处理，以确定载波交换的条件；

5、s3、对上桥臂的载波进行交换，根据子模块电容电压的大小和上桥臂电流的正负情况，确定对应子模块载波的交换情况；

6、s4、对下桥臂的载波进行交换，根据子模块电容电压的大小和下桥臂电流的正负情况，确定对应子模块载波的交换情况；

7、s5、获取单个等效控制周期内的pwm控制信号，并在该控制周期内完成一次子模块电容均压控制过程。

8、优选的，在步骤s1中，将2n列载波进行纵向叠加后得到pd-pwm的载波波形，然后每隔一个工频周期对2n列载波进行一次纵向顺序的重排列，具体为，将原来最下层的载波放置于最上层，而其它载波的层数均下降一层，经过2n个工频周期完成一轮轮换过程，并将此过程视为一个等效控制周期；其中，2n为单个桥臂子模块个数。

9、优选的，在步骤s2中，采用电压传感器或电阻分压等方式对直流侧输入电压以及各个桥臂子模块电容电压进行采样，并采用电流传感器等方式对每一相上、下桥臂电流进行采样，在控制器中对采样数据进行预处理后，作为下一步载波交换的条件。

10、优选的，在步骤s3中，上桥臂的子模块数量为2n个，总共对应有n组，其中n为不小于2的整数；

11、子模块组的划分方式为上桥臂中的前后对称分布的子模块为一组进行载波交换，具体表现为将子模块sm1与子模块sm2n为第1组，将子模块sm2与子模块sm（2n-1）为第2组，并以此类推至将子模块smn与子模块sm（n+1）为第n组；或者为上桥臂中的前后相邻的两个子模块为一组进行载波交换，具体表现为将子模块sm1与子模块sm2为第1组，并以此类推直至将子模块sm（2n-1）与子模块sm2n为第n组。

12、优选的，前后对称分布的子模块为一组时，当n为偶数时，第1组到第组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且上桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且上桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；第组到第n组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且上桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且上桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；

13、当n为奇数时，第1组到第组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且上桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且上桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；第组到第n组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且上桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且上桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；其中，中间位置处的第组采用上述两种是否进行载波交换的判定方式中的其中一种；

14、前后相邻分布的子模块为一组时，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若前方子模块的电容电压大于后方子模块的电容电压且上桥臂电流小于零，或者前方子模块的电容电压小于后方子模块的电容电压且上桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换。

15、优选的，在步骤s4中，下桥臂的子模块数量与上桥臂中相同，且下桥臂采用与上桥臂中不同的子模块分组方式，具体为，若上桥臂中采用的前后对称分布的子模块为一组，则下桥臂中采用前后相邻分布的子模块为一组，若上桥臂中采用的前后相邻分布的子模块为一组，则下桥臂中采用前后对称分布的子模块为一组。

16、优选的，前后对称分布的子模块为一组时，当n为偶数时，第1组到第组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且下桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且下桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；第组到第n组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且下桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且下桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；

17、当n为奇数时，第1组到第组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且下桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且下桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；第组到第n组，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若后方子模块的电容电压大于前方子模块的电容电压且下桥臂电流小于零，或者后方子模块的电容电压小于前方子模块的电容电压且下桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换；其中，中间位置处的第组采用上述两种是否进行载波交换的判定方式中的其中一种；

18、前后相邻分布的子模块为一组时，子模块之间是否进行载波交换的判定方式为：若前方子模块的电容电压小于后方子模块的电容电压且下桥臂电流小于零，或者前方子模块的电容电压大于后方子模块的电容电压且下桥臂电流大于零，则交换两子模块的载波，否则不进行载波交换。

19、优选的，在步骤s5中，通过将经过优化的载波与调制信号进行比较，得到单个等效控制周期内的pwm控制信号，注意分配pwm控制信号至对应的功率开关器件，从而驱动mmc运行，并在该控制周期内完成一次子模块电容均压控制过程。

20、因此，本发明采用上述一种模块化多电平变换器的电容均压控制方法的有益效果为：本发明方法和现有载波轮换pd-pwm相比，仅在原有基础上额外引入了对载波的重新分配环节，即可有效解决子模块电容电压失衡的问题，在部分子模块电容电压能量缺额或溢出时，通过改变子模块开关状态的有效占空比，挽回能量过低的子模块电容而释放能量过高的子模块电容，实现整体电容的均压，同时整体控制策略依旧采用了基于载波的调制方法，无额外的硬件成本与复杂的实施过程，从而可有效减轻控制器负担。

21、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。