模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法、装置及设备

本发明涉及多电平电力电子换流器，具体为模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法、装置及设备。

背景技术：

1、模块化多电平变流器(modularmultilevel converter，mmc)采用了模块化结构，因其具有电压及功率扩展灵活、交流输出电能质量高、子模块开关频率低、高效率及高可靠性、易于实现冗余运行的优势，在柔性直流输电、可再生能源并网及大功率电机驱动领域广受关注。

2、由于模块化多电平变流器中储能电容悬浮分散在其各个子模块中，在控制方式改变、功率突变等内外因素作用下极易导致各电容充放电状态不等，从而导致桥臂内子模块电容电压发散，针对模块化多电平变流器各桥臂内电容电压平衡控制问题，常规方法通过对桥臂内所有子模块依据电容电压进行排序，或者对桥臂内子模块分组并采用电容电压优化排序算法的方法，使得模块化多电平变流器各桥臂内电容电压平衡，但上述方法会导致控制算法复杂度随着子模块数目增加而显著增加的问题，从而降低了控制系统的可靠性，进而限制了上述方法在实际工程中的应用范围，为此，我们提出模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法、装置及设备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法、装置及设备，通过实时计算桥臂内子模块电容电压平均值及标准差，将桥臂内子模块依据电容电压进行分组，并在各组中随机投入指定数目的子模块，使桥臂内子模块电容电压保持平衡。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法，具体包括如下：

3、采样本控制周期中的桥臂电流及桥臂j内各子模块的电容电压；基于调制波大小采用调制方法进行调制计算，得到需投入的子模块数目；

4、计算本控制周期中桥臂内子模块电容电压的平均值及标准差；

5、根据计算得到的桥臂内子模块电容电压的平均值及标准差将桥臂内子模块分为三组：低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组，并分别计算得到各组内子模块数目；

6、根据本控制周期中桥臂电流的方向及需投入的子模块数目，分别判定低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目，并在对应组中随机投入所判定数目的子模块，用于实现桥臂j内子模块电容电压的平衡。

7、进一步的，所述桥臂内子模块电容电压的平均值μj及标准差σj的计算公式为：

8、

9、公式①中，nj是桥臂j内的子模块数目，uc1，j、uc2，j、…、ucn，j分别为桥臂j内的第1个、第2个、…、第nj个子模块的电容电压。

10、进一步的，所述桥臂内子模块的分组方法具体如下：

11、对于桥臂j内第i(i＝1，2，…，nj)个子模块，其电容电压为uci，j；

12、若uci，j<μj-3σj；则第i个子模块划归为低电容电压异常组；

13、若μj-3σj≤uci，j≤μj+3σj；则第i个子模块划归为电容电压平衡组；

14、若uci，j>μj+3σj；则第i个子模块划归为高电容电压异常组。

15、进一步的，所述低电容电压异常组、电容电压平衡组和高电容电压异常组各组内子模块数目的计算公式为：

16、

17、公式②中，n1j是低电容电压异常组内子模块数目，n2j是电容电压平衡组内子模块数目，n3j是高电容电压异常组内子模块数目。

18、进一步的，所述低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目的判定方法为：

19、(1)当桥臂电流iarm，j>0时，若低电容电压异常组内子模块数目n1j≥需投入的子模块数目nonj，则低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目分别为nonj、0、0。

20、(2)当桥臂电流iarm，j>0时，若低电容电压异常组内子模块数目n1j<需投入的子模块数目nonj≤低电容电压异常组与电容电压平衡组的子模块数目之和n1j+n2j，则低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目分别为n1j、nonj-n1j、0。

21、(3)当桥臂电流iarm，j>0时，若低电容电压异常组与电容电压平衡组的子模块数目之和n1j+n2j<需投入的子模块数目nonj≤桥臂j内的子模块数目nj，则低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目分别为n1，j、n2j、nonj-n1j-n2j。

22、(4)当桥臂电流iarm，j≤0时，若高电容电压异常组内子模块数目n3j≥需投入的子模块数目nonj，则低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目分别为0、0、nonj。

23、(5)当桥臂电流iarm，j≤0时，若高电容电压异常组内子模块数目n3j<需投入的子模块数目nonj≤高电容电压异常组与电容电压平衡组的子模块数目之和n2j+n3j，则低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目分别为0、nonj-n3j、n3j。

24、(6)当桥臂电流iarm，j≤0时，若高电容电压异常组与电容电压平衡组的子模块数目之和n2j+n3j<需投入的子模块数目nonj≤桥臂j内的子模块数目nj，则低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目分别为nonj-n2j-n3j、n2j、n3j。

25、进一步的，所述控制周期为相邻两次执行桥臂内子模块电容电压平衡控制的时间间隔。

26、根据本发明的一个方面，本发明提供一种模块化多电平变流器电容电压平衡控制装置，包括：

27、采样调制模块，用于采样本控制周期中的桥臂电流及桥臂j内各子模块的电容电压，并基于调制波大小采用调制方法进行调制计算，得到需投入的子模块数目；

28、计算模块，用于计算本控制周期中桥臂内子模块电容电压的平均值及标准差；

29、分组模块，用于根据计算得到的桥臂内子模块电容电压的平均值及标准差将桥臂内子模块分为三组：低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组，并分别计算得到各组内子模块数目；

30、判定模块，用于根据本控制周期中桥臂电流的方向及需投入的子模块数目，分别判定低电容电压异常组、电容电压平衡组、高电容电压异常组中子模块的应投入数目，并在对应组中随机投入所判定数目的子模块，用于实现桥臂j内子模块电容电压的平衡。

31、根据本发明的另一个方面，本发明提供一种模块化多电平变流器，所述模块化多电平变流器包括多个桥臂，每个桥臂均包括多个拓扑结构相同的子模块以及一个桥臂电感，该模块化多电平变流器使用所述的模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法进行子模块电容电压平衡控制。

32、根据本发明的另一个方面，本发明提出一种终端设备，包括存储器、处理器及存储在存储器中并能够在处理器上运行的计算机程序，所述存储器中存储有能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器加载并执行计算机程序时，采用了所述的模块化多电平变流器电容电压平衡控制方法。

33、本发明至少具备以下有益效果：

34、1、本发明通过实时计算桥臂内子模块电容电压平均值及标准差，将桥臂内子模块依据电容电压进行分组，并在各组中随机投入指定数目的子模块，实现桥臂内子模块电容电压平衡，与常规方法相比无需电容电压排序过程，可有效降低控制算法复杂度；

35、2、本发明仅需计算桥臂内子模块电容电压平均值及标准差，易于在模块化多电平变流器及其各类衍生拓扑结构中实施，具有较强的实用性；

36、3、本发明在实现模块化多电平变流器桥臂内子模块电容电压平衡的同时不会影响输出电能质量。

37、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。