一种模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法

本发明属于模块化多电平直流变压器领域，公开了一种模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法。

背景技术：

1、直流输配电技术在可靠性、传输效率、输送能力、电能质量等方面的优势日益突显，直流电网极具发展潜力，而直流电网目前存在多种电压等级，需要用于实现不同电压等级直流输配电线路互联并具有电气隔离、功率双向传输控制的直流变压器。模块化多电平直流变压器是用串联的半桥子模块替换双向有源h桥中的单个开关器件来构成的，可以结合双向有源h桥和模块化多电平换流器的优点，适用于中高压直流电网的多种应用场景。

2、由于模块化多电平直流变压器的子模块电容是分散连接的，其电容电压在稳态运行时会受到电容值的偏差、开关器件偏差、各个子模块开关器件导通和关断时间不一致等因素的影响而导致桥臂内子模块电容电压不均衡，从而威胁设备的安全稳定运行。现有的模块化多电平直流变压器的子模块均压控制方法存在不足之处，具有无法兼顾控制方法简单、计算量少、全功率和宽电压增益范围运行的特点。

技术实现思路

1、发明目的，提供一种模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，以解决现有技术存在的上述问题。

2、技术方案，一种模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，所述方法应用于包含单相mmc、中高频隔离变压器和h桥的模块化多电平直流变压器拓扑，其中单相mmc连接在中高频隔离变压器的原边、h桥连接在中高频功率变压器的副边，单相mmc的每相单元包含上桥臂和下桥臂，且上、下桥臂各自具有n个级联的子模块，单个桥臂的输出电压采用类两电平调制；

3、所述方法包括以下步骤：

4、s1、获取当前模块化多电平直流变压器的负载电流io和输出电压参考值u2ref；

5、s2、计算传输功率标幺值p，其中p=(u2ref·io) / pb，pb为传输功率基准值，pb =(nu1u2) / (8fl)，其中n为中高频隔离变压器的变比，u1为输入侧直流电压，u2为输出侧直流电压，f为开关频率，l为模块化多电平直流变压器的等效漏感；

6、s3、将计算得到的传输功率标幺值p与工作模式切换值ps进行比较，其中ps = 0.5-d0+ d02/2 ，其中d0为类两电平调制比；

7、s4、如果传输功率标幺值p小于等于工作模式切换值ps，则切换为第一工作模式运行，即h桥的开关脉冲加入内移相控制；如果传输功率标幺值p 大于工作模式切换值 ps，则切换为第二工作模式运行，即h桥的开关脉冲不加入内移相控制；

8、s5、采样每个桥臂内子模块的电容电压，对每个桥臂内n个子模块电容电压进行升序排序，得出第k个子模块电容电压升序排序后的序号j；

9、s6、计算第k个子模块的开关脉冲的占空比dk，其中dk = 0.5 + 0.5dp(n-2j+1)，其中dp为类两电平调制移相比；

10、s7、根据占空比dk与载波比较得到每个桥臂内子模块的开关脉冲。

11、根据本申请的一个方面，所述第一工作模式中，h桥的第二个桥臂的开关脉冲滞后第一个桥臂的开关脉冲dht时间，其中t为半个开关周期，dh为内移相比，内移相比的计算公式为：

12、dh = 1-d0/2-d，

13、其中d为模块化多电平直流变压器工作时的移相比。

14、根据本申请的一个方面，所述第二工作模式中，h桥的第二个桥臂的开关脉冲滞后第一个桥臂的开关脉冲t时间，其中t为半个开关周期。

15、根据本申请的一个方面，类两电平调制比d0的取值满足：

16、。

17、根据本申请的一个方面，类两电平调制比d0与类两电平调制移相比dp之间的关系为：d0=(n-1)dp。

18、根据本申请的一个方面，所述单相mmc的每相单元的上、下桥臂中的子模块采用半桥结构。

19、根据本申请的一个方面，所述方法通过调整每个子模块的开关脉冲占空比从而调整开关周期内吸收的电荷量来维持每个桥臂内子模块电容电压的均衡。

20、根据本申请的一个方面，所述方法的子模块的开关频率等于中高频隔离变压器的频率。

21、根据本申请的一个方面，步骤s3还包括对类两电平调制比d0进行调整，具体为：

22、s3a、获取功率变化量dp和时间变化量dt，基于功率变化量dp和时间变化量dt，计算得到功率波动指数pfi；

23、pfi= (dp/dt)/ prated，

24、其中dp/dt为功率变化率，prated为额定功率；

25、s3b、基于功率波动指数pfi，计算得到自适应调制比d0-adaptive；

26、d0-adaptive = d0-base -k1·tanh(k2·pfi)

27、其中d0-base为基础调制比，k1和k2为预设的调节系数，tanh( )表示双曲正切函数；

28、s3c、在每个控制周期内，判断所述自适应调制比d0-adaptive是否满足以下条件：

29、d0-adaptive＜(3n-5-2sqrt((2n-3)(n-2)))/(n-1)；

30、d0-adaptive＜(9-4 sqrt(3))/11；

31、其中n为每个桥臂内子模块的数量；

32、s3d、如果满足条件，则将类两电平调制比d0更新为自适应调制比d0-adaptive；否则，保持类两电平调制比d0为d0-base。

33、根据本申请的一个方面，预设的调节系数k1和k2满足：

34、k1=δd0-max / tanh(k2·pfimax)

35、其中δd0-max表示系统允许的最大调制比变化量，pfimax表示系统允许的最大功率波动指数。

36、有益效果，本发明采用改变开关脉冲占空比的方式实现子模块电容电压均衡且均压方法不会受到电压增益的影响；子模块开关脉冲占空比的大小只需要通过子模块电容电压的排序来确定，不需要检测桥臂电流方向的传感器，开关频率等于中高频变压器的频率，降低了开关频率且控制简单可靠、计算量少；在不同运行功率标幺值处引入了副边h桥内移相控制，可以使得均压控制方法不受功率运行条件的影响，能在全功率范围内有效。

技术特征：

1.一种模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，所述方法应用于包含单相mmc、中高频隔离变压器和h桥的模块化多电平直流变压器拓扑，其中单相mmc连接在中高频隔离变压器的原边、h桥连接在中高频功率变压器的副边，单相mmc的每相单元包含上桥臂和下桥臂，且上、下桥臂各自具有n个级联的子模块，单个桥臂的输出电压采用类两电平调制；

2.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，所述第一工作模式中，h桥的第二个桥臂的开关脉冲滞后第一个桥臂的开关脉冲dht时间，其中t为半个开关周期，dh为内移相比，内移相比的计算公式为：

3.根据权利要求2所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，所述第二工作模式中，h桥的第二个桥臂的开关脉冲滞后第一个桥臂的开关脉冲t时间，其中t为半个开关周期。

4.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，类两电平调制比d0的取值满足：

5.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，类两电平调制比d0与类两电平调制移相比dp之间的关系为：d0=(n-1)dp。

6.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，所述单相mmc的每相单元的上、下桥臂中的子模块采用半桥结构。

7.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，所述方法通过调整每个子模块的开关脉冲占空比从而调整开关周期内吸收的电荷量来维持每个桥臂内子模块电容电压的均衡。

8.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，所述方法的子模块的开关频率等于中高频隔离变压器的频率。

9.根据权利要求1所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，步骤s3还包括对类两电平调制比d0进行调整，具体为：

10.根据权利要求9所述的模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，其特征在于，预设的调节系数k1和k2满足：

技术总结本发明公开了一种模块化多电平直流变压器全功率范围均压控制方法，包括获取当前模块化多电平直流变压器的负载电流和输出电压参考值；计算传输功率标幺值，将其与工作模式切换值进行比较，如果传输功率标幺值小于等于工作模式切换值则切换为第一工作模式运行；如果传输功率标幺值大于工作模式切换值则切换为第二工作模式运行；采样每个桥臂内子模块的电容电压，对每个桥臂内子模块电容电压进行升序排序，得出子模块电容电压升序排序后的序号；计算子模块的开关脉冲的占空比，根据占空比与载波比较得到每个桥臂内子模块的开关脉冲。本发明的均压控制方法不仅控制简单可靠、计算量少，且不会受到电压增益的影响，能在全功率范围内有效。技术研发人员：季振东,朱述超,吕建国,王建华,赵剑锋受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/29