一种可闭锁直流故障电流的MMC变换器调制方法及系统与流程

本发明属于电力电子装置控制领域，具体涉及一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制方法及系统。

背景技术：

直流电网的发展仍受到诸如直流断路器、直流变换器等关键设备滞后的限制，其中直流变换器对于连接不同的直流线路形成直流电网意义重大。对比传统的交流电网可以发现，交流电网中存在着多个不同的电压等级，其中较高的电压等级用于长距离的功率传送，而较低的电压等级用于配电和用电领域。同样，在直流电网中为了减少传输损耗，从发电中心到负荷中心也需要使用较高的直流电压等级，而在配电网和用户侧则应使用较低的电压等级，因此，这些应用场合都对直流输电系统提出了高压dc-dc变换器的需求。同时，当前许多发电设备，例如风机，大型光伏电站，生物能发电站等均需配备额外的dc/ac逆变器才能并入电网有效使用，这种方案不仅造成大量损耗，而且由于大量逆变器的并联给传统交流电力系统带来稳定性等潜在威胁。如果采用直流电网，将省去dc/ac逆变的环节，降低变换损耗，提高运行效率。同样的在负载侧，大量的电子设备、数据中心、变频设备等负载均需直流电源或直流环节，因此直流电网意味着这些负载不在需要整流装置，节省变换器成本，提高运行效率。而这些应用的实现也有赖于高压dc-dc变换器的连接。

直流电网是一个“低惯量”系统，若发生直流故障时可能会产生较大的短路电流，并且将瞬间影响到整个直流电网，其对于保护系统的响应时间要求很高，传统的交流系统保护方式，如过电流保护、距离保护和差动保护等，均不适宜直接应用于直流电网；且直流电网的规模庞大、结构复杂、运行方式多样、设备数量众多，不能简单地采用两端直流输电系统从交流侧切除整个直流系统的保护方法；同时，在直流输配电系统中，大容量直流断路器的研制较为困难，通常要求直流变换器具有故障保护与隔离作用，防止故障传递危及正常供电系统；因此，需要dc-dc变换器具备可闭锁直流故障电流功能。

目前，直流断路器在高压大功率场合中的工程应用还无法实现，而在实际工程中所采用半桥子模块结构的mmc不具备直流电流闭锁能力，尤其在mmc发生双极短路故障时无法通过闭锁换流器来切断故障短路电流，因此整个系统只能在故障发生后通过交流断路器来切断故障电流，给系统的可靠性带来严重影响。为了尽可能的避免直流故障，现有的mmc工程均是采用故障率低而造价昂贵的海底电缆或者地下电缆作为传输线路，对mmc在长距离输电和多端直流系统应用产生了极大的制约。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明对dc-dc变压器控制保护策略进行深入研究，提供一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制方法及系统，应用范围广泛且简单易行，解决了mmc在长距离输电和多端直流系统应用等特殊工况下的故障恢复，实现了mmc稳定运行。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制方法，所述方法包括：

根据输入的调制信号，确定模块化多电平换流器桥臂子模块的投切状态；

根据所述投切状态下的桥臂子模块电容电压构建的dc-dc变换器等效电路模型，确定dc-dc变换器的稳态电压；

计算所述稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数；

根据所述投入的子模块个数定义dc-dc变换器传递函数以及按照预设方式确定投切顺序调整模块化多电平换流器桥臂子模块电容电压至稳压状态。

优选的，所述确定模块化多电平换流器的桥臂子模块投切状态包括：

基于预先定义的调制度上移输入调制信号的幅值相位，获得调制波；

采用nlm调制法，基于调制波确定当前时刻模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数；

基于所述模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数确定所述子模块投切状态。

进一步地，通过下式确定当前时刻模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数：

式中，nup和ndown分别表示当前时刻模块化多电平换流器上、下桥投入的子模块个数，0≤ndown≤n,0≤nup≤n，n表示桥臂子模块总数，round表示取整函数，us为调制波。

进一步地，通过下式构建dc-dc变换器等效电路模型：

式中，up和un分别为根据上、下桥臂投入的子模块电容电压等效的可控电压源，vdc为高压侧直流电压，idc为高压侧电流，vo为dc-dc变换器的稳态电压，滤波器输出电流l＝la/2+lo，la为桥臂电感，lo为负载电流，ilo为电感电流；ro为负载电阻，ip和in分别表示上、下桥臂电流，d为控制占空比。

进一步地，通过下式确定dc-dc变换器处于稳态电压下投入的子模块个数：

式中，np和nn分别为处于稳态电压下上、下桥臂投入的子模块个数，n为处于稳态电压下桥臂投入的子模块个数。

进一步地，所述根据投入的子模块个数确定投切顺序包括：

将所述处于稳态电压下桥臂投入的子模块个数与当前时刻数据进行对比，当子模块数目不变时，各子模块的投切状态保持不变；

当子模块数目发生变化时，根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作；通过所述子模块的投切动作控制充放电状态，以平衡模块化多电平换流器桥臂子模块的电容电压。

进一步地，所述根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作，包括：

若桥臂电流大于零，则按照电容电压值由小到大的顺序选择投入ndown个子模块；

若桥臂电流小于零，则按照电容电压值由大到小的顺序选择投入nup个子模块。

进一步地，通过下式确定dc-dc变换器传递函数；

式中，v0(s)表示dc-dc变换器传递函数，nn为处于稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数，vc为静态工作点的子模块电容电压值，ro为负载电阻，uc(s)和nn(s)分别为vc和nn的扰动量，c0为dc-dc变换器的电容值，s为输出电压传感器采样比例系数。

一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制系统，包括：

第一确定模块，用于根据输入的调制信号，确定模块化多电平换流器桥臂子模块的投切状态；

第二确定模块，用于根据所述投切状态下的桥臂子模块电容电压构建的dc-dc变换器等效电路模型，确定dc-dc变换器的稳态电压；

计算模块，用于计算所述稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数；

调整模块，用于根据所述投入的子模块个数定义dc-dc变换器传递函数以及按照预设方式确定投切顺序，调整模块化多电平换流器桥臂子模块电容电压至稳压状态。

优选的，所述第一确定模块包括：

获取单元，用于基于预先定义的调制度上移输入调制信号的幅值相位，获得调制波；

投入个数确定单元，用于采用nlm调制法，基于调制波确定当前时刻模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数；

投切状态确定单元，用于基于所述模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数确定所述子模块投切状态。

进一步地，所述调整模块包括：

对比单元，用于将所述处于稳态电压下桥臂投入的子模块个数与当前时刻数据进行对比；

第一判断单元，用于当子模块数目不变时，各子模块的投切状态保持不变；

第二判断单元，用于当子模块数目发生变化时，根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作；通过所述子模块的投切动作控制充放电状态，以平衡模块化多电平换流器桥臂子模块的电容电压。

进一步地，所述第二判断单元包括：

第一调节子单元，用于若桥臂电流大于零，则按照电容电压值由小到大的顺序选择投入ndown个子模块；

第二调节子单元，用于若桥臂电流小于零，则按照电容电压值由大到小的顺序选择投入nup个子模块。

与最接近的现有技术相比，本发明具备以下有益效果：

本发明提供一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制方法，根据输入的调制信号，确定模块化多电平换流器桥臂子模块的投切状态；通过选取合适的子模块投入，抑制模块电容电压的波动，能够快速平衡模块间电压。

根据所述投切状态下的桥臂子模块电容电压构建的dc-dc变换器等效电路模型，确定dc-dc变换器的稳态电压；通过自平衡控制能够实现稳定运行。

计算稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数；根据投入的子模块个数定义dc-dc变换器传递函数以及按照预设方式确定投切顺序调整模块化多电平换流器桥臂子模块电容电压至稳压状态。从而减小了各子模块的电容电压波动量，进一步实现电容电压的稳定控制。

经大量实践证明，该方案的提出可以有效针对可闭锁直流故障电流dc-dc变换器提供安全、稳定、可靠的控制保护。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的方法总流程图；

图2是本发明实施例中提供的均衡电容电压nlm调制方法流程图；

图3是本发明实施例中提供的dc-dc变换器系统等效电路图；

图4是本发明实施例中提供的dc-dc变换器系统简化等效电路图；

图5本发明实施例中提供的闭环控制框图；

图6是本发明实施例中提供的基于mmc的dc-dc变压器仿真系统结构图；

图7a是本发明实施例中提供的双极短路故障mmc换流器直流输出电流示意图；

图7b是本发明实施例中提供的双极短路故障mmc换流器三相交流电流示意图；

图7c是本发明实施例中提供的双极短路故障mmc换流器a相上桥臂电流示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

本发明提供的一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制方法，mmc型dc-dc变压器调制策略主要包含了桥臂级的多电平调制、子模块投入机制与电压均衡控制和dc-dc变压器级控制。

实施例1：

一、桥臂级的多电平调制：

目前，常用的多电平调制策略主要分为脉宽调制(pulsewidthmodulation，pwm)方式和阶梯波调制(steppedwaveformmodulation，swm)方式两种。脉宽调制开关频率高，开关损耗较大；而阶梯波调制原理简单，谐波含量低，不需要控制脉冲宽度，实现起来较为简单。因此，从经济性、实用性方面考虑，阶梯波调制比脉宽调制方式更具有优势。

脉宽调制包括载波移相调制spwm(carrierphaseshiftedspwm，cps-spwm)、空间矢量脉宽调制(spacevectorpwm，svpwm)、脉冲移相调制spwm(pulsephase-shiftedspwm，pps-spwm)、特定谐波脉宽调制(selectedharmoniceliminationpwm，she-pwm)等多种控制方式。其中，cps-spwm是一种基于载波水平分布的多载波调制技术，采用cps-spwm调制时，mmc中各功率元件开关频率相同，能量分布较为均衡，利于子模块电容电压的平衡，同时，在较低的开关频率下实现了较高的等效开关频率，优化了谐波特性，因此，cps-spwm被认为是最适合mmc的多载波调制技术。但是，在大电容、高电压的直流输出场合，mmc电平数较多的情况下，cps-spwm存在控制算法和实现方式复杂的缺陷。

阶梯波调制方式适用于mmc型dc-dc变压器，根据拟合方式的不同又可分为基于pwm技术的阶梯波调制和基于正弦波的阶梯波调制方式。基于正弦波拟合思想的阶梯波调制以最近电平逼近调制(nearestvoltagelevelmodulation，nlm)为典型代表。nlm调制法控制思想比较简单，将所期望的调制电压除以单个子模块电容电压，然后取整，得到各桥臂应投入的子模块个数，即用子模块电压的叠加来最大可能地逼近调制波，进而得到所有子模块的pwm脉冲。一般情况下，逼近的误差不得超过子模块电容电压的50％。应用nlm调制法的mmc的输出电压所含谐波少。此外，nlm调制法在电平数较少时误差很大，适用于电平数较多的场合。因此，mmc广泛使用nlm调制法。

如图1所示，包括：

s1根据输入的调制信号，确定模块化多电平换流器桥臂子模块的投切状态；

s2根据所述投切状态下的桥臂子模块电容电压构建的dc-dc变换器等效电路模型，确定dc-dc变换器的稳态电压；

s3计算所述稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数；

s4根据所述投入的子模块个数定义dc-dc变换器传递函数以及按照预设方式确定投切顺序调整模块化多电平换流器桥臂子模块电容电压至稳压状态。

步骤s1中，确定模块化多电平换流器的桥臂子模块投切状态包括：

a，基于预先定义的调制度上移输入调制信号的幅值相位，获得调制波；

b，采用nlm调制法，基于调制波确定当前时刻模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数；

c，基于步骤b投入模块化多电平换流器上、下桥臂子模块个数后，即可知晓子模块投切状态。

由于各桥臂子模块电容电压平衡是实现mmc稳定运行的首要前提。目前，国内外关于电容电压均衡策略的研究主要分为两类，一类适用于低频的阶梯波调制技术，另一类则是基于高频pwm调制的均衡策略。当前实际工程中广泛使用的是一种基于模块电压排序结果选择相应模块投入或者切除，通过桥臂电流对电容的充、放电作用平衡各模块电压。该策略效果优异，广泛应用于实际工程，但是需要对所有的模块进行实时全排序，占据大量的控制计算资源，造成系统的运行速度下降。同时，该策略要求开关高频动作，导致器件损耗增加。实现电容电压均衡的本质是改变各子模块的正常触发状态，因此均衡策略的制定必须要依托于调制手段的特性。对于步骤a中nlm调制，通常采用基于排序算法的电容电压均衡策略，其实现流程图如图2所示。

将调制波上移一个调制波幅值后直接用round函数取整，由此得到各桥臂应投入的子模块个数；然后对各子模块电容电压进行排序，根据桥臂电流的大小确定电流流向，从而确定各子模块的投切状态，得到相应的触发脉冲，这就是nlm调制的整个过程。

步骤b中，最近电平逼近法的实质是任意时刻投入若干子模块构成的方波尽可能逼近于调制波。据此提出最近电平在mmc中的实现方式，即在任意时刻，mmc的下桥臂和上桥臂需要投入的子模块数ndown和nup。通过下式确定当前时刻模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数：

式中，nup和ndown分别表示当前时刻模块化多电平换流器上、下桥投入的子模块个数，0≤ndown≤n,0≤nup≤n，n表示桥臂子模块总数，round表示取整函数，us为调制波。

步骤d中，根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作，包括：

若桥臂电流大于零，则按照电容电压值由小到大的顺序选择投入ndown个子模块；

若桥臂电流小于零，则按照电容电压值由大到小的顺序选择投入nup个子模块。

步骤s2中，dc-dc变换器系统等效电路如图3所示.

通过下式构建dc-dc变换器等效电路模型：

式中，up和un分别为根据上、下桥臂投入的子模块电容电压等效的可控电压源，vdc为高压侧直流电压，idc为高压侧电流，vo为dc-dc变换器的稳态电压，滤波器输出电流l＝la/2+lo，la为桥臂电感，lo为负载电流，ilo为电感电流；ro为负载电阻，ip和in分别表示上、下桥臂电流，d为控制占空比。

步骤s3中，通过下式确定dc-dc变换器处于稳态电压下投入的子模块个数：

式中，np和nn分别为处于稳态电压下上、下桥臂投入的子模块个数，n为处于稳态电压下桥臂投入的子模块个数。

由上式可知，从输出级看，变换器可部分等效为常规斩波电路，简化等效电路如图4。子模块电容电压通过均衡控制策略能够实现稳定运行，由上式可知，变压器输出电压仅与下桥臂投入系数呈线性关系，采用常规buck变换的直流控制方式即可实现输出电压和电流的稳定控制。

步骤s4中，通过下式确定dc-dc变换器传递函数；

式中，v0(s)表示dc-dc变换器传递函数，nn为处于稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数，vc为静态工作点的子模块电容电压值，ro为负载电阻，uc(s)和nn(s)分别为vc和nn的扰动量，c0为dc-dc变换器的电容值，s为输出电压传感器采样比例系数。

从变换器传递函数可知，输出电压与子模块电容电压和下桥臂投入个数线性相关。为减小子模块电容电压波动，在得到上、下桥臂投入个数后，可根据各子模块电容瞬时电压，有选择性地投入子模块。

步骤s4中，根据投入的子模块个数确定投切顺序包括：

将所述处于稳态电压下桥臂投入的子模块个数与当前时刻数据进行对比，当子模块数目不变时，各子模块的投切状态保持不变；

当子模块数目发生变化时，根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作；通过所述子模块的投切动作控制充放电状态，以平衡模块化多电平换流器桥臂子模块的电容电压。

其中，根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作，包括：利用上桥臂功率支路电流对投入子模块的充电作用，将上桥臂电容电压较小的子模块优先投入；利用下桥臂功率支路电流对投入子模块的放电作用，将下桥臂电容电压较大的子模块优先投入。

若桥臂电流大于零，则按照电容电压值由小到大的顺序选择投入ndown个子模块；

若桥臂电流小于零，则按照电容电压值由大到小的顺序选择投入nup个子模块。

其余未投入的子模块通过局部电容并联传递电能实现电压均衡。由此减小了各子模块的电容电压波动量，进一步实现电容电压的稳定控制。

假设子模块电容电压保持稳定，则输出电压仅与下桥臂投入系数相关。上桥臂与下桥臂互补工作。采用常规电流内环、电压外环控制策略即可实现输出电压稳定控制，相应的控制框图如图5所示。其中，m为输出电压传感器采样比例系数；gc(s)为变换器控制至输出传递函数；g1(s)和g2(s)分别为电压环比例-积分(pi)调节器和电流环pi调节器，其参数由电路参数和动态特性决定。

实施例2：

为了验证本发明提出的mmc型dc-dc变压器调制策略对于闭锁直流故障电流的可靠性，以drb-mmc系统为例，在matlab/simulink下搭建了基于mmc的dc-dc变压器完成实验。由于仿真速度和精度等限制因素，本dc-dc变压器仿真模型应用于双端直流输电网络中，其高压侧采用9电平的drb-mmc结构，每个桥臂含有4个子模块，低压侧采用三相全桥结构，如图6所示。高压侧采用最近电平逼近调制策略和电容电压排序的均衡控制算法，具体的仿真参数如表1所示。

表1仿真系统参数设计

故障类型选择影响较为严重的双极短路故障，当系统正常运行后0.15s发生，采用短路电阻投入的方式进行仿真模拟，考虑到系统反应延迟等诸多因素，延迟0.5ms，drb-mmc闭锁以阻断故障电流。

本仿真设置t＝0.15s时发生双极短路故障，考虑到系统反应延迟等诸多因素，延迟0.5ms，闭锁换流器。图7a～图7c分别给出了发生双极短路时直流侧输出电流idc、交流侧a相电流ia和a相上桥臂电流iap的波形。从图中可以看出，0.15s之前，即正常工作模式下，系统副边直流侧输出电流idc＝0.08ka。0.15s时发生双极短路故障，idc由于子模块电容放电迅速增大至8ka。换流器闭锁后，idc在极短的时间内衰减至零，故障清除；交流侧相电流ia及桥臂电流iap也均迅速降为零，阻断了交流侧能量持续向直流故障点馈入。

实施例3：

基于同一发明构思，本发明还提供一种可闭锁直流故障电流的mmc变换器调制系统，包括：

第一确定模块，用于根据输入的调制信号，确定模块化多电平换流器桥臂子模块的投切状态；

第二确定模块，用于根据所述投切状态下的桥臂子模块电容电压构建的dc-dc变换器等效电路模型，确定dc-dc变换器的稳态电压；

计算模块，用于计算所述稳态电压下的下桥臂投入的子模块个数；

调整模块，用于根据所述投入的子模块个数定义dc-dc变换器传递函数以及按照预设方式确定投切顺序，调整模块化多电平换流器桥臂子模块电容电压至稳压状态。

优选的，所述第一确定模块包括：

获取单元，用于基于预先定义的调制度上移输入调制信号的幅值相位，获得调制波；

投入个数确定单元，用于采用nlm调制法，基于调制波确定当前时刻模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数；

投切状态确定单元，用于基于所述模块化多电平换流器上、下桥臂投入的子模块个数确定所述子模块投切状态。

其中，所述调整模块包括：

对比单元，用于将所述处于稳态电压下桥臂投入的子模块个数与当前时刻数据进行对比；

第一判断单元，用于当子模块数目不变时，各子模块的投切状态保持不变；

第二判断单元，用于当子模块数目发生变化时，根据电流方向和电容电压确定子模块的投切动作；通过所述子模块的投切动作控制充放电状态，以平衡模块化多电平换流器桥臂子模块的电容电压。

所述第二判断单元又包括：

第一调节子单元，用于若桥臂电流大于零，则按照电容电压值由小到大的顺序选择投入ndown个子模块；

第二调节子单元，用于若桥臂电流小于零，则按照电容电压值由大到小的顺序选择投入nup个子模块。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。