一種適用于模塊化多電平變換器的最近電平控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力電子技術領域，更具體地，涉及一種應用于模塊化多電平變換器 中實現電平數增加的最近電平控制的改進型方法。
【背景技術】
[0002] 模塊化多電平變換器具有廣泛的應用范圍，在高壓柔性直流輸電、電能質量治理、 中高壓大功率的電機驅動等高壓大功率領域具有廣闊的應用前景。
[0003] 模塊化多電平變換器有兩種調制方法的技術目前比較成熟，分別為多載波PWM調 制方法和最近電平控制的調制方法。多載波PWM調制方法中多采用移相載波方式，針對子 模塊數較少的場合，一般不超過5電平，在較低開關頻率下即可實現較高等效開關頻率，具 有較好的波形質量。最近電平控制方法一般應用于子模塊數量特別多的場合，如子模塊數 為40以上時，其輸出波形的總的諧波畸變最小值接近2%，其控制方式簡單，開關頻率低， 實時性好。
[0004] 在子模塊的數量既不是特別多也不是特別少的場合，如子模塊數為10,當采用多 載波PWM調制方法，需要數字控制系統產生大量的載波及比較單元，會占用較多的硬件資 源。而采用最近電平控制的調制方法，其輸出波形的質量較差，諧波含量較高。因此需要 對上述兩種調制方法進行改進，有文獻提出的PWM方式與最近電平控制相結合的改進型方 法，類似于多電平調制方法中的混合調制。這種調制方法，輸出波形的諧波含量低，控制實 現方式簡單，但會增加子模塊的開關頻率。因此，相對常規的最近電平控制方法，需要尋求 一種既能提高輸出波形質量，又能取得較低的子模塊開關頻率的改進型方法。有文獻提出 采用改變取整函數取整點的方式來改進最近電平控制方法，但是該方法會引起子模塊電壓 平均值的變化，影響輸出波形。所以，需要尋找更合理的改進措施。

【發明內容】

[0005] 針對現有技術中存在的問題，本申請提供的是一種應用于模塊化多電平變換器中 實現電平數增加的最近電平控制的改進型方法，其中通過對最近電平控制的調制方法中的 電平數的研究和涉及，與現有方法相比，實現了輸出波形質量高，并且子模塊開關頻率較 低。
[0006] 為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種適用于單相模塊化多電平 變換器的最近電平控制方法，所述單相整流器包括相單元和直流側，其中相單元由上、下橋 臂構成，該上、下橋臂分別由N個子模塊和一個橋臂電感組成，并且上、下橋臂電感間的中 點為用于與交流電網連接的交流輸出端；所述直流側分別對所述上、下橋臂接入大電容，然 后與直流電網連接；
[0007] 其中上、下橋臂導通的子模塊數量需要滿足如下表達式：
[0008]
[0009]
[0010] 其中N為上橋臂或下橋臂子模塊個數，M為模塊化多電平變換器電壓調制比，y為 疊加的偏移量，為交流電網的角頻率與時間的乘積，0為初相位，nup為上橋臂導通的子 模塊的數量，nlOT為下橋臂導通的子模塊的數量；
[0011] 其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0012] (1)設定y的取值范圍為（_0? 5, 0? 5)，
[0013] (2)上、下橋臂的子模塊數量通過取整函數進行取整：
[0014]
[0015] 其中ei表示取整函數的輸入，即n@或nlOT，且L1= (int)ei，表示ei的整數部分。
[0016] (3)設模塊化多電平變換器等效交流輸出電壓的基頻頻率為f；，則疊加的偏移量y 按2f；的頻率正負交替變化，實現上、下橋臂導通的子模塊數之和平均值保持為N;
[0017] 經過以上步驟，完成該控制方法。
[0018] 優選地，y的取值范圍為（-0. 5, 0. 5)，經過比較分析可得當y取0. 25或者-0. 25 時，輸出波形的質量最好，總諧波含量最低。
[0019] 總體而言，按照本發明的上述技術構思與現有技術相比，主要具備以下的技術優 占.
[0020] 1、采用最近電平控制方法，實現了較低的子模塊開關頻率；
[0021] 2、輸出波形電平數由常規最近電平控制方法的L2+l增加為2L2+1，輸出波形質量 得到明顯提高和改善，總諧波畸變變小；
[0022] 3、子模塊電壓平均值保持為額定設計值不變。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發明的16模塊單相MMC整流器主電路結構原理圖；
[0024] 圖2是本發明的16模塊單相MMC整流器硬件控制系統原理圖；
[0025] 圖3是本發明的一個優選實施例中偏移量y以二倍基頻在0.25與-0.25之間交 替變化圖；
[0026] 圖4是本發明的具體實施步驟示意圖；
[0027]圖5是本發明偏移量按二倍基頻交替變化后，N為8,M為1時上下橋臂理論上輸 出電平波形；
[0028] 圖6是本發明偏移量按二倍基頻交替變化后，N為8,M為1時上下橋臂導通總模 塊數之和；
[0029] 圖7是本發明偏移量按二倍基頻交替變化后，N為8,M為1時等效交流輸出電平 波形。
【具體實施方式】
[0030] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并 不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要 彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0031] 圖1所示為本發明的16模塊單相MMC整流器主電路結構原理圖。單相MMC整流 器主電路結構如上圖所示，每個橋臂由8個半橋子模塊和一個橋臂電感組成，上橋臂子模 塊編號為SM1~SM8,下橋臂子模塊編號為SM9~SM16。上、下橋臂電感Larm之間中點作 為交流輸出端，與交流電網連接的線路上，包括一個主上電接觸器S1，軟上電電阻R1以及 一個旁路接觸器S2。直流側分別對上橋臂回路和下橋臂回路接入了一個大電容器Cl、C2。 直流側負載電阻R2,通過直流接觸器開關S3進行投切。
[0032] 圖2所示，給出了 16模塊單相MMC整流器硬件控制系統原理圖，從最上層上位機 到最下層變換器，總共有四層，并給出了層與層之間相互交換的數據量。下面每一層的功能 進行簡單的介紹。
[0033] 人機接口層：主要包括一臺電腦以及上位機軟件。
[0034] 實時控制層：主要是DSP與FPGA兩個主控芯片及其外圍電路。
[0035] 信號處理層：主要包括光纖轉換板、公共信號的檢測板、繼電器的控制板與驅動 板。
[0036] 變換器層：除了主電路外，還需要加入橋臂電流，交流電流，交流網測電壓，直流側 電壓的霍爾檢測單元。
[0037] 下面將以該16模塊單相MMC整流器為實施例，說明本改進型最近電平控制方法。 該實施例的電壓調制比M設計為1，且直流母線電壓設計為N個子模塊電壓之和。單橋臂子 模塊數N為8,則沒有疊加偏移量時，上、下橋臂理論上導通的子模塊數為如下表達式：
[0038]
[0039]
[0040] 其中e為交流電流內環控制器輸出的變換器所期望的交流輸出電壓，控制器的控 制頻率為5kHz。Vd。為直流母線電壓的檢測值。6和￥,。滿足如下關系：
[0041 ]
[0042] 當引入疊加的偏移量y后，上、下橋臂理論上導通的子模塊數為：
[0043]
[0044]
[0045] 上、下橋臂疊加的偏移量y按交流輸出電壓頻率大小的二倍在0. 25與_0. 25之間 交替變化，即偏移量y按方波變化，方波的幅值為〇. 25,頻率為二倍基頻，具體如附圖3所 不。
[0047]
[0046] 上、下橋臂實際導通的子模塊數具體為
[0048]
[0049] 按這種實施方式，具體步驟如圖4所示，當電壓調制比M為1時，可以得到等效交 流電壓波形電平數增加為17,總諧波畸變理論上降為5. 48%，而常規最近電平控制方法下 的總諧波畸變理論上為9. 54%，可見波形質量得到明顯改善，如圖5所示。上、下橋臂電平 波形與常規最近電平控制方法一致，具體如圖6所示，子模塊的開關頻率也與常規方法下 一致。并且上、下橋臂導通的子模塊數之和平均值為8,如圖7所示，這樣能保持子模塊電容 電壓保持為額定設計值，而不產生或高或低的偏離。
[0050] 本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以 限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含 在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種適用于模塊化多電平變換器（MMC)的最近電平控制方法，所述整流器包括相單 元和直流側，其中相單元由上、下橋臂構成，該上、下橋臂分別由N個子模塊和一個橋臂電 感組成，并且上、下橋臂電感間的中點為用于與交流電網連接的交流輸出端；所述直流側分 別對所述上、下橋臂接入大電容，然后與直流電網連接； 其中上、下橋臂導通的子模塊數量需要滿足如下表達式：其中N為上橋臂或下橋臂子模塊個數，M為模塊化多電平變換器電壓調制比，y為疊加 的偏移量，《t為交流電網的角頻率與時間的乘積，Θ為初相位，nup為上橋臂導通的子模塊 的數量，n lOT為下橋臂導通的子模塊的數量； 其特征在于，該方法包括以下步驟： (Dy的取值范圍為（-0.5,0.5); (2) 上、下橋臂的子模塊數量通過取整函數進行取整：其中ei表示取整函數的輸入，即η @或n lOT，且L1= (int) e i，表示ei的整數部分； (3) 為保證子模塊電壓平均值保持不變，需要上、下橋臂導通的子模塊數之和的平均值 保持為N，因此，模塊化多電平變換器等效交流輸出電壓的基頻頻率為f；，則疊加的偏移量y 按2f；的頻率正負交替變化即可； 經過以上步驟，完成該控制方法。2. 如權利要求1所述的最近電平控制方法，其特征在于，為保證最佳的輸出電壓波形 的質量，所述疊加偏移量y變化的幅值取〇. 25。3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，該方法的適用范圍為單相及三相模塊化多 電平變換器。
【專利摘要】本發明公開了一種應用于模塊化多電平變換器中實現電平數增加的最近電平控制的改進型方法，屬于電力電子技術領域，現有技術中，最近電平控制方法輸出波形質量不高，本發明通過對上、下橋臂理論上導通的模塊數疊加一個小數部分的偏移量y，并相應的控制其取值范圍，使得輸出波形電平數由常規最近電平控制方法的N+1增加為2N+1，N為橋臂中的子模塊數，輸出波形質量得到明顯提高和改善，總諧波畸變變小。
【IPC分類】H02M7/217
【公開號】CN105186897
【申請號】CN201510513795
【發明人】林磊, 林藝哲, 何震, 廖永福
【申請人】華中科技大學
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月20日