一种基于积分调制的MMC控制方法及装置与流程

一种基于积分调制的mmc控制方法及装置
技术领域
1.本发明涉及一种基于积分调制的mmc控制方法及装置，属于电力电子技术领域。


背景技术：

2.近年来，模块化多电平换流器(mmc)被广泛应用在大功率场景中，例如海上风电场系统和高压直流输电(hvdc)领域。相比其他类型的多电平换流器，模块化多电平换流器具有以下优势：制造难度下降、损耗成本下降、阶跃电压降低、高利用率、高冗余性、输出波形质量好和故障处理能力强。
3.传统的mmc调制技术主要有三类：基于载波移相调制技术、载波层叠调制技术和最近电平逼近调制技术。基于载波的调制技术不易实现冗余模块的备用，并且存在电容电压不易均衡、子模块损耗一致性差等问题。最近电平逼近调制方法尽管实现简单，但在电平数较低时，产生的电压/电流波形质量较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种基于积分调制的mmc控制方法及装置，使用双闭环控制结构，外环控制每个桥臂的平均电容电压，内环控制负载电流和循环电流，通过积分调制技术调制每个桥臂参考电压，进而选择导通的子模块，以控制开关的通断，同时保持电容器电压之间的平衡，大大降低了器件的平均开关损耗。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.本发明提供一种基于积分调制的mmc控制方法，包括：
7.对单相模块化多电平换流器上、下桥臂中的子模块采用双闭环控制结构，获得上、下桥臂参考电压；
8.采用积分调制对所获得的上、下桥臂参考电压进行修正；
9.综合考虑电容器电压平衡，基于修正后的桥臂参考电压选择导通的子模块，得到子模块中开关的控制信号。
10.进一步的，对单相模块化多电平换流器上、下桥臂中的子模块采用双闭环控制结构，包括：
11.通过外环控制子模块的电容器电压，通过内环控制负载和循环电流。
12.进一步的，
13.所述外环控制中，通过比较电容器电压参考值与桥臂平均电容器电压得出误差信号通过外环pi控制器使电容器电压跟踪电容器电压参考值，
[0014][0015]
其中，为电容器电压参考值，n为半桥子模块数量，和分别为上桥臂和
下桥臂上第j个子模块的电容器电压。
[0016]
进一步的，
[0017]
采用第一pi控制器控制负载电流，所述第一pi控制器输入为负载电流参考值i
ref
与实际负载电流之间的误差，第一pi控制器的输出为u
l
‑
u
u
；
[0018]
所述负载电流由以下方式确定：
[0019][0020]
i＝i
u
‑
i
l
；
[0021]
其中，i为负载电流，u
u
和u
l
分别为上桥臂电压和下桥臂电压，i
u
和i
l
分别为上桥臂电流和下桥臂电流，r
load
和l
load
分别为负载电阻和负载电感，l为半桥串联电感；
[0022]
采用第二pi控制器控制循环电流，所述第二pi控制器输入为循环参考电流与实际循环电流i
s
之间的误差，所述第二pi控制器的输出为u
l
+u
u
，所述循环参考电流为外环控制的输出；
[0023]
所述循环电流由以下方式确定：
[0024]
i
s
＝i
u
+i
l
；
[0025][0026]
其中，u
dc
为直流侧电压。
[0027]
进一步的，通过对输出u
l
‑
u
u
和u
l
+u
u
进行解耦，得到上、下桥臂参考电压和
[0028][0029]
进一步的，所述采用积分调制对所获得的上、下桥臂参考电压进行修正，包括：
[0030]
u
′
ref
(k)＝u
ref
(k)+int u(k
‑
1)；
[0031]
int u(k)＝int u(k
‑
1)+u
ref
(k)
‑
u
sum
(k)；
[0032]
其中，u
′
uref
(k)为采样时刻k上桥臂修正后的参考电压，u
′
lref
(k)为采样时刻k下桥臂修正后的参考电压，u
uref
(k)为采样时刻k通过双闭环控制得到的上桥臂参考电压，u
lref
(k)为采样时刻k通过双闭环控制得到的下桥臂参考电压，u
usum
(k)为采样时刻k上桥臂所有导通的子模块的电容器电压之和，u
lsum
(k)为采样时刻k下桥臂所有导通的子模块的电容器电压之和。
[0033]
进一步的，所述基于修正后的桥臂参考电压选择导通的子模块，得到子模块中开
关的控制信号，包括：
[0034]
分别对单相模块化多电平换流器上、下桥臂上的子模块根据电容器电压进行排序；
[0035]
根据排序后的子模块，按如下方式分别对上、下桥臂选择子模块进行导通：
[0036]
根据下式计算导通数量a：
[0037][0038]
u
sum,a
‑1(k)≤u'
ref
(k)≤u
sum,a
(k)，
[0039]
其中，表示排序后第j个子模块的电容器电压，u'
ref
(k)为修正后的桥臂参考电压，分为上桥臂参考电压和下桥臂参考电压；u
sum,a
‑1(k)为前a
‑
1个子模块的电容器电压之和，u
sum,a
(k)为前a个子模块的电容器电压之和，
[0040]
如果(|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
(k)|＞|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
‑1(k)|)，则选择排序为1至a
‑
1的子模块导通，确定子模块中开关的控制信号；
[0041]
如果(|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
(k)|＜|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
‑1(k)|)，则选择排序为1至a的子模块导通，确定子模块中开关的控制信号。
[0042]
进一步的，
[0043]
如果桥臂电流为正，则子模块按从最低的电容器电压到最高的电容器电压进行排序；
[0044]
如果桥臂电流为负，则子模块按从最高的电容器电压到最低的电容器电压进行排序。
[0045]
本发明还提供一种基于积分调制的mmc控制装置，包括：
[0046]
控制模块，用于对单相模块化多电平换流器上、下桥臂中的子模块采用双闭环控制结构，获得上、下桥臂参考电压；
[0047]
修正模块，用于采用积分调制对所获得的上、下桥臂参考电压进行修正；
[0048]
以及，
[0049]
选择模块，用于综合考虑电容器电压平衡，基于修正后的桥臂参考电压选择导通的子模块，得到子模块中开关的控制信号。
[0050]
进一步的，所述修正模块具体用于，
[0051]
采用如下方式对所获得的上、下桥臂参考电压进行修正：
[0052]
u
′
ref
(k)＝u
ref
(k)+int u(k
‑
1)；
[0053]
int u(k)＝int u(k
‑
1)+u
ref
(k)
‑
u
sum
(k)；
[0054]
其中，u
′
uref
(k)为采样时刻k上桥臂修正后的参考电压，u
′
lref
(k)为采样时刻k下桥臂修正后的参考电压，u
uref
(k)为采样时刻k通过
双闭环控制得到的上桥臂参考电压，u
lref
(k)为采样时刻k通过双闭环控制得到的下桥臂参考电压，u
usum
(k)为采样时刻k上桥臂所有导通的子模块的电容器电压之和，u
lsum
(k)为采样时刻k下桥臂所有导通的子模块的电容器电压之和。
[0055]
进一步的，所述选择模块具体用于，
[0056]
分别对单相模块化多电平换流器上、下桥臂上的子模块根据电容器电压进行排序；
[0057]
根据排序后的子模块，按如下方式分别对上、下桥臂选择子模块进行导通：
[0058]
根据下式计算导通数量a：
[0059][0060]
u
sum,a
‑1(k)≤u'
ref
(k)≤u
sum,a
(k)，
[0061]
其中，表示排序后第j个子模块的电容器电压，u'
ref
(k)为修正后的桥臂参考电压，分为上桥臂参考电压和下桥臂参考电压；u
sum,a
‑1(k)为前a
‑
1个子模块的电容器电压之和，u
sum,a
(k)为前a个子模块的电容器电压之和，
[0062]
如果(|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
(k)|＞|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
‑1(k)|)，则选择排序为1至a
‑
1的子模块导通，确定子模块中开关的控制信号；
[0063]
如果(|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
(k)|＜|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
‑1(k)|)，则选择排序为1至a的子模块导通，确定子模块中开关的控制信号。
[0064]
本发明达到的有益效果为：
[0065]
本发明提出一种基于积分调制的mmc控制方法，使用双闭环控制结构，外环控制每个桥臂的平均电容电压，内环控制负载电流和循环电流，通过积分调制技术修正每个桥臂参考电压，进而选择导通的子模块，以控制开关的通断，能够保持电容器电压之间的平衡，同时大大降低了器件的平均开关损耗。
附图说明
[0066]
图1为单相模块化多电平换流器拓扑图。
[0067]
图2为本发明中调制和电压平衡原理图。
[0068]
图3为本发明中双闭环控制原理图。
[0069]
图4为本发明实施例中换向次数对比图。
具体实施方式
[0070]
下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0071]
本发明实施例提供一种基于积分调制的mmc控制方法，包括如下步骤：
[0072]
步骤1：基于单相模块化多电平换流器的拓扑结构，建立单相模块化多电平换流器
动态方程。
[0073]
步骤2：基于所建立的单相模块化多电平换流器动态方程，综合考虑电容电压平衡确定导通的子模块，包括排序、选择与积分三个阶段。
[0074]
步骤3：对所确定导通的子模块采用双闭环控制结构，通过外环控制子模块的电容电压，通过内环控制负载和输出电流，通过积分调制技术调制每个桥臂施加的电压，以控制开关的通断，同时保持电容器电压之间的平衡。
[0075]
本发明实施例中，建立单相模块化多电平换流器动态方程具体如下：
[0076]
参见图1，典型单相模块化多电平拓扑结构，由上下两个桥臂组成，每个桥臂包含n个相同的半桥子模块(sm)和一个串联的电感l。上、下桥臂的电压u
u
和u
l
可表示为：
[0077][0078]
其中，指的是上桥臂第j个子模块的电容电压；指的是下桥臂第j个子模块的电容电压。
[0079]
s
j
可以表示为：
[0080][0081]
每个sm有两种状态，如表1所示。
[0082]
表1
[0083][0084]
当上部开关d1开启并且下部开关d2关闭时，u
sm
＝u
c
；当下部开关d2开启且上部开关d1关闭时，u
sm
＝0。u
sm
表示子模块电压。
[0085]
在导通状态下，sm输出电压变化取决于实际桥臂电流i
arm
流向：当桥臂电流i
arm
为正时，电容器处于充电模式，子模块两端电压将增加。当i
arm
为负时，电容器处于放电模式，子模块两端的电压将降低。sm处于关断状态时，无论i
arm
流向如何，sm中相应电容电压u
c
不变，电压和电流方程为：
[0086][0087]
i＝i
u
‑
i
l
ꢀꢀꢀ
(4)
[0088]
式中，r
load
和l
load
分别为负载电阻和负载电感，i为负载电流，i
u
为上桥臂电流，i
l
为下桥臂电流，u为负载电压，u
dc
为直流侧电压。
[0089]
基于式(3)，单相mmc的动态方程可以表示为：
[0090][0091]
式中，l为子模块中串联的电感；
[0092]
α，β，γ为正数：
[0093][0094]
本发明实施例中，综合考虑电容电压平衡确定导通的子模块，包括排序、选择与积分三个阶段。参见图2，其中u
arm
表示桥臂电压，表示排序前第1个子模块到第n个子模块的电容器电压。具体如下：
[0095]
(1)排序阶段
[0096]
首先需要根据传统平衡算法中的排序原则对一条桥臂上的所有子模块电容器电压进行排序。如果桥臂电流是正的(电容器充电)，排序将从最低的电容器电压到最高的电压，如果桥臂电流是负的(电容器放电)，排序将从最高的电容器电压到最低的电压，
[0097]
(2)选择阶段
[0098]
基于第一阶段的排序和桥臂参考电压选择子模块，如公式(7)所示，在一个采样周期内选择的电容器的数量用a表示。
[0099]
当1≤a≤n时
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0100]
其中，表示排序后第j个子模块电容器电压，u
ref
为桥臂参考电压。
[0101]
对已排序的子模块进行选择导通：
[0102][0103]
上式中，sm
′1→
sm
′
a
表示1至a的子模块导通，sm
′
a+1
→
sm
′
n
表示a+1至n的子模块关断。
[0104]
在每个采样周期内，桥臂电压与参考电压之间都会生成一个正误差“ε”，如下式所示：
[0105][0106]
为了减小桥臂电压与参考电压之间的误差。定义公式(10)如下：
[0107][0108]
其中，
[0109]
u
sum,a
‑1≤u
ref
≤u
sum,a
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0110]
如果(|u
ref
‑
u
sum,a
|＞|u
ref
‑
u
sum,a
‑1|)，那么令u
sum
＝u
sum,a
‑1；
[0111]
如果(|u
ref
‑
u
sum,a
|＜|u
ref
‑
u
sum,a
‑1|)，那么令u
sum
＝u
sum,a
。
[0112]
因此，误差ε如下式所示：
[0113]
ε＝u
sum
‑
u
ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0114]
(3)积分阶段
[0115]
引入积分阶段减小误差ε到0。采用下式修改参考电压u
ref
，如下所示：
[0116]
u
′
ref
(k)＝u
ref
(k)+int u(k
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0117]
其中，
[0118]
int u(k)＝int u(k
‑
1)+u
ref
(k)
‑
u
sum
(k)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0119]
定义int u(0)为零，采用上述的方法将在k
‑
1时计算的累积误差int u(k
‑
1)加到k时的参考电压u
ref
(k)上。将前一时刻的累计误差加入到当前时刻的电压参考值中，从而大大减小当前时刻的误差，随着系统的不断运行，误差会逐渐收敛到0。因此，实际工作过程中，外环控制得到的电压参考值u
ref
(k)，通过积分阶段会得到新的参考值u
′
ref
(k)，以u
′
ref
(k)为目标，通过选择阶段选择导通的子模块，从而减小了误差ε，得到理想的控制效果。
[0120]
本发明实施例中，对子模块采用双闭环控制结构，通过外环控制子模块的电容电压，通过内环控制负载和循环电流，通过积分调制技术调制每个桥臂施加的电压，以控制开关的通断，同时保持电容器电压之间的平衡，具体实施过程如下：
[0121]
(1)外环控制
[0122]
参见图3，在外环控制中，通过比较电容器电压参考值与平均电容器电压得出公式(15)中所示的误差信号通过外环控制使电容器电压跟踪参考值
[0123][0124]
将外环pi控制器的输出作为内环循环电流的参考。
[0125]
(2)内环控制
[0126]
(1)负载电流控制
[0127]
采用pi控制器控制负载电流，它直接影响电容器电压纹波。负载电流i＝i
u
‑
i
l
的动态特征可由公式(3)和公式(4)确定：
[0128][0129]
pi控制器输入为负载电流参考值i
ref
与实际负载电流之间的误差，pi控制器的输出为差值u
l
‑
u
u
。
[0130]
(2)循环电流控制
[0131]
采用pi控制器控制内部循环电流，pi控制器输入为循环参考电流与实际循环电流i
s
之间的误差，参考值由外环控制得到。循环电流i
s
＝i
u
+i
l
的动态特征通过方程式(3)和(4)确定，具体如下：
[0132][0133]
pi控制器的输出为差值u
l
+u
u
。
[0134]
然后，对u
l
‑
u
u
和u
l
+u
u
进行解耦，以获得桥臂参考电压和如图3所示，解耦过程为：
[0135][0136][0137]
图3中，图3中，表示上桥臂和下桥臂电容电压的平均值。
[0138]
最后用步骤2所提出的调制技术对和进行调制，得到上桥臂和下桥臂子模块中上部开关d1和下部开关d2的控制信号。
[0139]
最后，基于本发明所提方法采用matlab/simulink搭建单相mmc模型，具体参数如表2所示。为了便于比较，仿真包括两种调制方法，本发明所提出的积分调制方法和pwm方法，与pwm方法相比，本发明所提出的调制方案显著降低了器件平均换向次数，如图4所示。从而降低了变换器的总开关损耗。
[0140]
表2单相mmc模型参数
[0141][0142][0143]
与传统的pwm方法相比，本发明所提出的积分调制技术减少了换向次数。使用本发明所提出的控制方法，通过修改平衡算法来降低开关损耗，可以使电容器电压跟随任何期望值，并在它们之间保持良好的平衡。
[0144]
本发明另一个实施例提供一种基于积分调制的mmc控制装置，包括：
[0145]
控制模块，用于对单相模块化多电平换流器上、下桥臂中的子模块采用双闭环控制结构，获得上、下桥臂参考电压；
[0146]
修正模块，用于采用积分调制对所获得的上、下桥臂参考电压进行修正；
[0147]
以及，
[0148]
选择模块，用于综合考虑电容器电压平衡，基于修正后的桥臂参考电压选择导通的子模块，得到子模块中开关的控制信号。
[0149]
本发明实施例中，修正模块具体用于，
[0150]
采用如下方式对所获得的上、下桥臂参考电压进行修正：
[0151]
u
′
ref
(k)＝u
ref
(k)+int u(k
‑
1)；
[0152]
int u(k)＝int u(k
‑
1)+u
ref
(k)
‑
u
sum
(k)；
[0153]
其中，u
′
uref
(k)为采样时刻k上桥臂修正后的参考电压，u
′
lref
(k)为采样时刻k下桥臂修正后的参考电压，u
uref
(k)为采样时刻k通过双闭环控制得到的上桥臂参考电压，u
lref
(k)为采样时刻k通过双闭环控制得到的下桥臂参考电压，u
usum
(k)为采样时刻k上桥臂所有导通的子模块的电容器电压之和，u
lsum
(k)为采样时刻k下桥臂所有导通的子模块的电容器电压之和。
[0154]
本发明实施例中，选择模块具体用于，
[0155]
分别对单相模块化多电平换流器上、下桥臂上的子模块根据电容器电压进行排序；
[0156]
根据排序后的子模块，按如下方式分别对上、下桥臂选择子模块进行导通：
[0157]
根据下式计算导通数量a：
[0158][0159]
u
sum,a
‑1(k)≤u'
ref
(k)≤u
sum,a
(k)，
[0160]
其中，表示排序后第j个子模块的电容器电压，u'
ref
(k)为修正后的桥臂参考电压，分为上桥臂参考电压和下桥臂参考电压；u
sum,a
‑1(k)为前a
‑
1个子模块的电容器电压之和，u
sum,a
(k)为前a个子模块的电容器电压之和，
[0161]
如果(|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
(k)|＞|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
‑1(k)|)，则选择排序为1至a
‑
1的子模块导通，确定子模块中开关的控制信号；
[0162]
如果(|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
(k)|＜|u'
ref
(k)
‑
u
sum,a
‑1(k)|)，则选择排序为1至a的子模块导通，确定子模块中开关的控制信号。
[0163]
值得指出的是，该装置实施例是与上述方法实施例对应的，上述方法实施例的实现方式均适用于该装置实施例中，并能达到相同或相似的技术效果，故不在此赘述。
[0164]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术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，本技术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。
[0165]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、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。
[0166]
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。
[0167]
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。
[0168]
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。