模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法及啟動方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法及啟動方法。該控制方法在不考慮冗余控制時僅需將每個橋臂中的至少三個子模塊控制在額定模塊電容電壓(簡稱模塊電壓)的一半，從而依靠輸出一半子模塊電壓實(shí)現(xiàn)電平數(shù)翻倍的效果。半壓子模塊(HVSM)集合參與全壓子模塊(FVSM)的均壓控制，同時半壓子模塊內(nèi)部進(jìn)行均壓，維持兩種子模塊的電壓穩(wěn)定。方法易于實(shí)現(xiàn)，不需進(jìn)行任何拓?fù)浜驼{(diào)制策略的改變，且不影響全壓子模塊的控制及均壓效果。在該方法控制下，單橋臂N個子模塊的換流器能從N+1電平提升至2N-2電平，電平數(shù)提升了近一倍。
【專利說明】模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法及啟動方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種半橋式子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法及啟動方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著全控型電力電子器件的發(fā)展和電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，基于電壓 源換流器的柔性直流輸電技術(shù)日益受到重視。模塊化多電平換流器是柔性直流輸電系統(tǒng)應(yīng) 用中電壓源換流器的一種，它由多個半橋或全橋式子模塊按照一定的方式連接而成，通過 分別控制各個子模塊IGBT組件的投入和切除狀態(tài)使換流器輸出的交流電壓逼近正弦波， 實(shí)現(xiàn)能量的高效傳輸。
[0003] 模塊化多電平換流器在小功率場合的應(yīng)用，會遇到模塊數(shù)較少導(dǎo)致的系統(tǒng)電平數(shù) 較少，交流輸出閥側(cè)電壓、電流諧波較大的問題。由此加大了電力濾波器成本，且降低了并 網(wǎng)電能質(zhì)量。若增大模塊數(shù)，會使閥控系統(tǒng)更為復(fù)雜，難以提高控制頻率，且增加了子模塊 的投資。本發(fā)明在小功率場合具備很好的應(yīng)用前景。
[0004] 壓接式IGBT串聯(lián)構(gòu)成高壓子模塊，在高壓大容量柔性直流輸電系統(tǒng)中有很好的 應(yīng)用前景。但高壓子模塊的應(yīng)用同樣會遇到子模塊數(shù)過少，系統(tǒng)電平數(shù)低的問題。
[0005] 電平數(shù)少，諧波問題較嚴(yán)重。電平數(shù)與子模塊數(shù)有直接關(guān)系，子模塊數(shù)越多，電平 數(shù)越多，同時電平數(shù)還受處罰頻率與輸出電壓調(diào)制臂的影響。
[0006] ((A novel topology and control strategy of modular multilevel converter)) (Jl 海交大）的論文中曾提出了一種通過每橋臂增加一個全橋子模塊方法，該方法將全橋子模 塊控制在半橋子模塊額定電壓的一半，實(shí)現(xiàn)了電平數(shù)翻倍的效果。同時利用全橋子模塊具 備正負(fù)兩種投入方式，控制模塊電容的充放電，可以達(dá)到維持模塊電壓的作用。
[0007] 上述方法需要借助對換流器硬件部分的改進(jìn)，成本高，控制復(fù)雜。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的是提供一種，用以解決現(xiàn)有技術(shù)需要借助硬件改進(jìn)、控制復(fù)雜的問 題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的方案包括：
[0010] 一種半橋式子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法，至少三個子模塊控制為 半壓子模塊，其余子模塊控制為全壓子模塊；半壓子模塊中，一個為增電平半壓模塊，用于 提供系統(tǒng)需要的一半模塊額定電壓，兩個控制為均壓半壓模塊，作為整體，用于參與全壓子 模塊的控制及均壓。
[0011] 當(dāng)系統(tǒng)需要輸出的橋臂電壓為模塊電壓整倍數(shù)時，增電平半壓模塊設(shè)置為切除狀 態(tài)，全壓子模塊與兩個均壓半壓模塊需要投入個數(shù)為橋臂電壓除以額定子模塊電壓的數(shù) 值。
[0012] 當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r，投入電容電壓較低的子模塊；當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時，投入電容電 壓較高的子模塊。
[0013] 當(dāng)系統(tǒng)需要輸出的橋臂電壓超過一半模塊的電壓時，增電平半壓模塊設(shè)置為投入 狀態(tài)，全壓子模塊及兩個均壓半壓模塊整體需要的投入個數(shù)需向下取整。
[0014] 兩個均壓半壓模塊作為整體參與全壓子模塊均壓時，使用的電壓值為3個半壓模 塊電壓均值二倍。
[0015] 啟動方法為：首先進(jìn)行不控整流充電至穩(wěn)定；然后進(jìn)行軟啟均壓控制，將半壓子 模塊調(diào)整至額定子模塊電壓的一半，全壓子模塊繼續(xù)充電至額定子模塊電壓。
[0016] 軟啟均壓控制中，需要閉鎖子模塊個數(shù)由閥側(cè)線電壓除以子模塊額定電壓的數(shù)值 決定；同時確定全壓子模塊的切除個數(shù)n，及增電平半壓模塊的驅(qū)動狀態(tài)；當(dāng)電流方向?yàn)檎?時，切除電容電壓較高的η個子模塊；當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時，切除電容電壓較低的η個子模塊。
[0017] 本發(fā)明的控制方法在不考慮冗余控制時僅需將每個橋臂中的3個子模塊控制在 額定模塊電容電壓（簡稱模塊電壓）的一半，從而依靠輸出一半子模塊電壓實(shí)現(xiàn)電平數(shù)翻 倍的效果。半壓子模塊（HVSM)集合參與全壓子模塊（FVSM)的均壓控制，同時半壓子模塊 內(nèi)部進(jìn)行均壓，維持兩種子模塊的電壓穩(wěn)定。方法易于實(shí)現(xiàn)，不需進(jìn)行任何拓?fù)浜驼{(diào)制策略 的改變，且不影響全壓子模塊的控制及均壓效果。在該方法控制下，單橋臂Ν個子模塊的換 流器能從Ν+1電平提升至2Ν-2電平，電平數(shù)提升了近一倍。為了適應(yīng)實(shí)際工程的需求，本 發(fā)明提出了該控制方法專用的啟動控制策略，在正常運(yùn)行前將全壓子模塊和半壓子模塊充 電至額定子模塊電壓和半額定電壓。為提高工程系統(tǒng)的可靠性，本發(fā)明提出了冗余控制策 略，在部分半壓子模塊出現(xiàn)故障時，保證系統(tǒng)持續(xù)正常運(yùn)行。冗余方法實(shí)現(xiàn)簡單，對原方法 的改動小，且具備較好的擴(kuò)展性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為模塊化多電平換流器結(jié)構(gòu)圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明正常運(yùn)行控制方法（3個半壓模塊）結(jié)構(gòu)圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明冗余控制方法結(jié)構(gòu)圖；
[0021] 圖4為正常運(yùn)行工況新方法與傳統(tǒng)方法仿真對比波形；
[0022] 圖5為正常運(yùn)行工況新方法子模塊電壓仿真波形；
[0023] 圖6為屏蔽橋臂環(huán)流抑制功能時閥側(cè)交流電壓仿真對比波形；
[0024] 圖7為啟動控制的仿真波形；
[0025] 圖8為冗余控制的仿真波形。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0027] 實(shí)施例1
[0028] 作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，如圖1所述半橋子模塊多電平換流器，在不考慮冗 余控制時，本發(fā)明僅需將三個子模塊控制在全壓子模塊額定電壓的一半，從而依靠輸出一 半子模塊電壓實(shí)現(xiàn)電平數(shù)翻倍的效果。
[0029] 由于橋臂電流中存在一定的直流分量，導(dǎo)致在電流正負(fù)半周時為半壓子模塊充放 電的電量不同。當(dāng)系統(tǒng)工作在〇. 85的空載調(diào)制度時，系統(tǒng)在額定有功功率、零無功功率的 最惡劣工況運(yùn)行時，橋臂電流為單個子模塊充放電電量之比將達(dá)到4倍以上。半壓子模塊 均壓控制中，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)充放電電量調(diào)節(jié)投入的半壓子模塊個數(shù)，以保證半壓子模塊整體 的充放電電量平衡。
[0030] 該工況下，若僅使用一到兩個半壓子模塊，難以在不犧牲控制性能的前提下，保證 半壓子模塊電壓穩(wěn)定，同時達(dá)到電平數(shù)翻倍的效果。因此本文將三個半橋子模塊控制在一 般全壓子模塊額定電壓。
[0031] 三個半壓子模塊中有一個子模塊（簡稱增電平半壓模塊）用于提供系統(tǒng)需要的一 半模塊額定電壓，另外兩個子模塊（簡稱均壓半壓模塊）作為整體參與到全壓子模塊的控 制及均壓。
[0032] 增電平半壓模塊并非固定由某一個子模塊充當(dāng)，而是由三個半壓模塊的均壓策略 決定。
[0033] 當(dāng)系統(tǒng)需要輸出的橋臂電壓為模塊電壓整倍數(shù)時，增電平半壓模塊設(shè)置為切除狀 態(tài)，全壓子模塊（包括兩個均壓半壓模塊整體）需要投入個數(shù)與傳統(tǒng)控制方法相同，為橋臂 電壓除以額定子模塊電壓的數(shù)值。
[0034] 當(dāng)系統(tǒng)需要輸出的橋臂電壓含一半模塊電壓時，增電平半壓模塊設(shè)置為投入狀 態(tài)，全壓子模塊（包括兩個均壓半壓模塊整體）需要的投入個數(shù)需向下取整，例如橋臂電壓 為5. 5倍額定模塊電壓時，需投入5個全壓子模塊。
[0035] 全壓子模塊的均壓策略如下，當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r，投入電容電壓較低的子模塊；當(dāng) 電流方向?yàn)樨?fù)時，投入電容電壓較高的子模塊。投入個數(shù)上文已確定，其他子模塊切除。
[0036] 兩個均壓半壓模塊作為整體參與全壓子模塊均壓時，使用的電壓值為3個半壓模 塊電壓均值二倍。
[0037] 全壓子模塊均壓策略可以得到所有全壓子模塊的驅(qū)動狀態(tài)，及兩個均壓半壓模塊 的驅(qū)動狀態(tài)。
[0038] 由不同功能半壓模塊的驅(qū)動狀態(tài)確定半壓模塊的總切除數(shù)。相同的軟啟均壓策略 控制下，將驅(qū)動狀態(tài)分配給3個半壓模塊，即可實(shí)現(xiàn)半壓模塊的均壓。
[0039] 全壓子模塊和半壓子模塊按上述均壓策略執(zhí)行，既能保證全壓子模塊之間電壓均 衡，3個半壓子模塊電壓均衡，且半壓模塊電壓值能夠很好的控制在全壓子模塊電壓的一 半。
[0040] 在該方法控制下，單橋臂N個子模塊的換流器能從N+1電平提升至2N-2電平，接 近提升了 一倍。
[0041] 正常運(yùn)行中，系統(tǒng)需要半壓子模塊電壓維持在全壓子模塊電壓值的一半。故該控 制方法下?lián)Q流器不能使用傳統(tǒng)的啟動方法，專用啟動方法如下：
[0042] 首先進(jìn)行不控整流充電至穩(wěn)定，穩(wěn)定后所有子模塊電壓（包括半壓子模塊）基本 保持一致。之后需要進(jìn)行軟啟均壓控制，將半壓子模塊調(diào)整至額定子模塊電壓的一半，全壓 子模塊繼續(xù)充電至額定子模塊電壓。
[0043] 具體實(shí)現(xiàn)如下：子模塊充電至額定電壓需要閉鎖子模塊個數(shù)由閥側(cè)線電壓除以子 模塊額定電壓的數(shù)值決定。同時確定了切除子模塊個數(shù)（個數(shù)均近似取為0.5整倍數(shù)）。 由此可以確定全壓子模塊的切除個數(shù)n，及增電平半壓模塊的驅(qū)動狀態(tài)。
[0044] 含均壓半壓模塊整體的全壓子模塊軟啟均壓策略為，當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r，切除電 容電壓較高的η個子模塊；當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時，切除電容電壓較低的η個子模塊。根據(jù)均壓 結(jié)果可得全壓子模塊的驅(qū)動狀態(tài)，和兩個均壓半壓模塊的驅(qū)動狀態(tài)。
[0045] 由不同功能半壓模塊的驅(qū)動狀態(tài)確定半壓模塊的總切除數(shù)。相同的軟啟均壓策略 控制下，將驅(qū)動狀態(tài)分配給3個半壓模塊，即可完成軟啟均壓控制。
[0046] 實(shí)施例2
[0047] 如圖3所示為冗余系統(tǒng)的控制框圖，由于需要應(yīng)用冗余設(shè)計(jì)來增加系統(tǒng)工作可靠 性。全壓子模塊冗余控制在傳統(tǒng)方法中已經(jīng)有應(yīng)用，本發(fā)明僅分析半壓子模塊冗余的控制 方法。
[0048] 控制方法與實(shí)施例1基本相同，區(qū)別在于半壓子模塊數(shù)量是Μ個，多于3各，其中 3個按照實(shí)施例方式進(jìn)行控制，Μ-3個作為冗余半壓模塊。
[0049] 將冗余半壓模塊與工作半壓模塊一起進(jìn)行控制、均壓，冗余方法（見圖3)是上述 方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，下文只闡述改進(jìn)部分。
[0050] 冗余半壓模塊參與半壓模塊的整體均壓控制，但半壓模塊投入個數(shù)計(jì)算時，不考 慮冗余半壓模塊，依然按只有3個半壓模塊的方法確定。
[0051] 在全壓子模塊的均壓控制中，依然選用2個半壓均壓子模塊作為一個整體參與到 全壓子模塊的均壓中。但該整體電壓取所有（Μ個）半壓模塊電壓平均值的二倍。
[0052] 對故障半壓子模塊的處理可按全壓子模塊故障處理方式執(zhí)行。
[0053] 以上給出了具體的實(shí)施方式，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。本發(fā)明的基 本思路在于上述基本方案，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)，設(shè)計(jì)出各種變 形的模型、公式、參數(shù)并不需要花費(fèi)創(chuàng)造性勞動。在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下對 實(shí)施方式進(jìn)行的變化、修改、替換和變型仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 一種半橋式子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法，其特征在于，至少三個子 模塊控制為半壓子模塊，其余子模塊控制為全壓子模塊；半壓子模塊中，一個為增電平半壓 模塊，用于提供系統(tǒng)需要的一半模塊額定電壓，兩個控制為均壓半壓模塊，作為整體，用于 參與全壓子模塊的控制及均壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的半橋子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法，其特征在 于，當(dāng)系統(tǒng)需要輸出的橋臂電壓為模塊電壓整倍數(shù)時，增電平半壓模塊設(shè)置為切除狀態(tài)，全 壓子模塊與兩個均壓半壓模塊需要投入個數(shù)為橋臂電壓除以額定子模塊電壓的數(shù)值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半橋子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法，其特征在 于，當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r，投入電容電壓較低的子模塊；當(dāng)電流方向?yàn)樨?fù)時，投入電容電壓較 1?的子|旲塊。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半橋子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法，其特征在 于，當(dāng)系統(tǒng)需要輸出的橋臂電壓超過一半模塊的電壓時，增電平半壓模塊設(shè)置為投入狀態(tài)， 全壓子模塊及兩個均壓半壓模塊整體需要的投入個數(shù)需向下取整。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的半橋子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法，其特征在 于，兩個均壓半壓模塊作為整體參與全壓子模塊均壓時，使用的電壓值為3個半壓模塊電 壓均值二倍。
6. 應(yīng)用權(quán)利要求1所述半橋子模塊模塊化多電平換流器電平數(shù)倍增方法的啟動方法， 其特征在于，首先進(jìn)行不控整流充電至穩(wěn)定；然后進(jìn)行軟啟均壓控制，將半壓子模塊調(diào)整至 額定子模塊電壓的一半，全壓子模塊繼續(xù)充電至額定子模塊電壓。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的啟動方法，其特征在于，軟啟均壓控制中，需要閉鎖子模塊個 數(shù)由閥側(cè)線電壓除以子模塊額定電壓的數(shù)值決定；同時確定全壓子模塊的切除個數(shù)n，及 增電平半壓模塊的驅(qū)動狀態(tài)；當(dāng)電流方向?yàn)檎龝r，切除電容電壓較高的 n個子模塊；當(dāng)電流 方向?yàn)樨?fù)時，切除電容電壓較低的η個子模塊。
【文檔編號】H02M1/36GK104065290SQ201410298387
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月26日
【發(fā)明者】張建, 張 浩, 吳金龍, 劉欣和, 王先為, 楊美娟, 李道洋 申請人:許繼電氣股份有限公司, 西安許繼電力電子技術(shù)有限公司