一种模块化多电平换流器均压控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电容电压控制技术领域，特别涉及一种模块化多电平换流器均压控制 方法。
【背景技术】
[0002] 随着电压源型换流器（voltage source converter，VSC)和脉宽调制技术的发展， 高压直流输电技术受到越来越多的关注，能够广泛应用于小功率输电、可再生能源并网和 向无源网络供电。但是VSC通常采用2电平或3电平的拓扑结构，其存在动态均压困难、高 开关频率等缺点。模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC)作为一种 新型的电压源型换流器，在国内外的研究中受到越来越多的关注。MMC每个桥臂由多个模块 化的子模块和桥臂电感串联而成，通过控制子模块内部IGBT的触发状态，来实现多电平的 叠加输出。
[0003] 随着传输功率的提升和电平数的增加，给MMC系统的控制带来一定的挑战。子模 块均压控制是MMC必需的控制环节，用以保证子模块的电容电压值维持在额定值上下波 动，以减少换流器输出的桥臂电压谐波含量。无论高电平的MMC系统采用哪一种调制策略， 其进行均压控制时均需要采集所有子模块的电容电压，然后采用与调制策略对应的均压控 制算法，完成整个均压控制的流程。
[0004] 但是，以N+1电平的MMC系统为例，每一相的上下桥臂在进行均压控制的时候均需 要采集N个子模块的电容电压。当N的数值变大，采集的电容电压数量就相应变大，对于控 制周期的要求也越高：在实时仿真器（Real Time Digital Simulation, RTDS)中，采用光纤 传输512个子模块的电容电压，需要耗时4个小步长约共10us的周期；在实际工程中，均压 控制需要采集分散串联布置的子模块的电容电压，再合并到一起进行排序，这也会消耗较 多的控制时间。
[0005] 因此，本发明提出一种模块化多电平换流器均压控制方法，通过采集桥臂电流和 少量电容电压实现模块化多电平换流器的均压控制，为降低实际均压控制中的数据通信量 提供一种切实可行的解决途径。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种模块化多电平换流器均压控制方法，其特征在于，包 括如下步骤：
[0007] 1)根据模块化多电平换流器启动时子模块是否预充电的不同情况，初始化均压控 制器内部的所有子模块的电容电压值；当子模块未充电时，将均压控制器内部的所有子模 块的电容电压初始化为〇 ;当子模块已预充电至额定值时，将均压控制器内部的所有子模 块的电容电压初始化为额定值U_f;
[0008] 2)采集模块化多电平换流器每一相的桥臂电流，利用电容的电压电流关系进行差 分化，获得所有子模块每个控制周期At的电容电压变化值Al^(t);将所有子模块的电容 电压I4&1(t)叠加电容电压变化值Δ ujt)，修正均压控制器内部所有子模块的电容电压 ⑴，得到t+ Δ t时刻各个子模块的电容电压(t+ Δ t);
[0009] 3)采集k个电容电压，k为正整数且k = 0. 25N，N为单个桥臂上子模块总数，k个 电容电压中包含一个投入子模块的电容电压U"_m(t+A t);若该投入子模块为第m个子模 块，m为正整数，则读取均压控制器内部存储的第m个子模块的电容电压(t+ △ t)，进而 获得均压控制器内部存储的第m个子模块的电容电压(t+ △ t)与采集值UCTJ1 (t+ Δ t) 之间的误差值Δ At);
[0010] 4)利用误差值Al4d(t+At)修正t+At时刻各个子模块的电容电压U&_ i (t+ Δ t);当 i = m 时，Uctr-; (t+ Δ t)修正为 Ucr-m (t+ Δ t);当 i 乒 m 时，Uctr-; (t+ Δ t)修正为 Ucr-Jt+At)与AUcd(t+At)的差值；对均压控制器内部所有子模块的电容电压排序，选择 对应子模块进行投入，实现模块化多电平换流器均压控制。
[0011] 所述电容的电压电流关系为：
[0013] 公式⑴中，C为子模块电容的电容值；lUt)为t时刻子模块的电容电压；i(t)为 t时刻流经子模块的电流。
[0014] 所述电容电压变化值AlUt)的计算公式为：
[0016] 公式⑵中，C为子模块电容的电容值；lUt-At)为t_ At时刻子模块的电容电 压；i。(t_ Δ t)为t-Δ t时刻流经子模块的电流。
[0017] 所述t+At时刻各个子模块的电容电压值lU jt+At)的计算公式为：
[0018] Uctr i (t+ Δ t) = Uctr i (t) +FPn (t) * Δ Uc (t) (3)
[0019] 公式⑶中，FPu(t)表示子模块电容的投入状态；当子模块电容投入时，FPu(t) =1 ;当子模块未投入时，FPjt) = 0。
[0020] 所述均压控制器内部存储的第m个子模块的电容电压lU ^t+Δ t)与采集值U"_ Jt+At)之间的误差值 AUcd(t+At) =Uctr-m(t+At)_Ucr-m(t+At)〇
[0021] 本发明的有益效果是针对目前均压控制中存在采集传输电容电压数量过大，导致 仿真时间过长或仿真步长受限的问题，提出了一种模块化多电平换流器均压控制方法，通 过采集桥臂电流和少量电容电压实现模块化多电平换流器的均压控制，从而避免了大量的 子模块电容电压的实时采集，既能够减少采集电容电压在控制周期中占用的时间，又能够 保证子模块的均压控制效果不受影响，为降低实际均压控制中的数据通信量、提高工程效 率提供一种切实可行的解决途径。
【附图说明】
[0022] 图1为一种模块化多电平换流器均压控制方法流程图。
[0023] 图2为21电平单端MMC直流输电系统仿真模型图。
[0024] 图3为A相上桥臂电容电压波形图。
【具体实施方式】
[0025] 本发明提出一种模块化多电平换流器均压控制方法，下面结合附图和具体实施例 对本发明作详细说明。
[0026] 图1所示为一种模块化多电平换流器均压控制方法流程图，包括如下步骤：
[0027] 1)根据模块化多电平换流器启动时子模块是否预充电的不同情况，初始化均压控 制器内部的所有子模块的电容电压值；当子模块未充电时，将均压控制器内部的所有子模 块的电容电压初始化为〇 ;当子模块已预充电至额定值时，将均压控制器内部的所有子模 块的电容电压初始化为额定值U_f;
[0028] 2)采集模块化多电平换流器每一相的桥臂电流，利用电容的电压电流关系进行差 分化，获得所有子模块每个控制周期At的电容电压变化值Al^(t);将所有子模块的电容 电压叠加电容电压变化值AUjt)，修正均压控制器内部所有子模块的电容电压 ⑴，得到t+ Δ t时刻各个子模块的电容电压(t+ Δ t);
[0029] 3)采集k个电容电压，k为正整数且k = 0.25N，N为单个桥臂上子模块总数，k个 电容电压中包含一个投入子模块的电容电压U"_m(t+A t);若该投入子模块为第m个子模 块，m为正整数，则读取均压控制器内部存储的第m个子模块的电容电压(t+ △ t)，进而 获得均压控制器内部存储的第m个子模块的电容电压(t+ △ t)与采集值UCTJ1 (t+ Δ t) 之间的误差值Δ At);
[0030] 4)利用误差值Al4d(t+At)修正t+At时刻各个子模块的电容电压U&_ i (t+ Δ t);当 i = m 时，Uctr-; (t+ Δ t)修正为 Ucr-m (t+ Δ t);当 i 乒 m 时，Uctr-; (t+ Δ t)修正为 Ucr-Jt+At)与AUcd(t+At)的差值；对均压控制器内部所有子模块的电容电压排序，选择 对应子模块进行投入，实现模块化多电平换流器均压控制。
[0031] 其中，所述电容的电压电流关系为：
[0033] 公式⑴中，C为子模块电容的电容值；Ujt)为t时刻子模块的电容电压；i(t)为 t时刻流经子模块的电流。
[0034] 其中，所述电容电压变化值AUjt)的计算公式为：
[0036] 公式⑵中，C为子模块电容的电容值；U。(t_ △ t)为t_ △ t时刻子模块的电容电 压；i。(t_ Δ t)为t-Δ t时刻流经子模块的电流。
[0037] 其中，所述t+At时刻各个子模块的电容电压值lUjt+At)的计算公式为：
[0038] Uctr i (t+ Δ t) = Uctr i (t) +FPn (t) * Δ Uc (t) (3)
[0039] 公式⑶中，FPjt)表示子模块电容的投入状态；当子模块电容投入时，FPjt) =1 ;当子模块未投入时，FPjt) = 0。
[0040] 其中，所述均压控制器内部存储的第m个子模块的电容电压(