阅读说明：本技术 一种基于最近电平逼近调制的mmc软开关实现方法 (MMC soft switch implementation method based on nearest level approximation modulation ) 是由 林磊 周雪妮 徐晨 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于最近电平逼近调制的MMC软开关实现方法,属于电力电子技术领域,该方法包括：根据当前周期桥臂参考电压电平跳变时刻和投入的子模块个数,预测下个周期桥臂参考电压电平跳变时刻和投入的子模块个数；确定具体投入的子模块及其输出电平的变化；根据子模块输出电平的变化、电流的大小和方向,确定子模块内部将要经历的换流过程；根据换流过程,判断辅助开关管是否需要导通以及导通时刻；在电平跳变时刻使主开关管关断,完成子模块投切,并在辅助开关管导通预设时间后,将其关断。本发明解决了在最近电平逼近调制与排序算法下,由于辅助开关管需在主开关管关断之前导通,导致桥臂输出电压与参考电压之间存在相位误差的问题。(the invention discloses an MMC soft switch implementation method based on nearest level approximation modulation, belonging to the technical field of power electronics, and the method comprises the following steps: predicting the jumping time of the bridge arm reference voltage level and the number of input sub-modules according to the jumping time of the bridge arm reference voltage level of the current period and the number of input sub-modules; determining the variation of the specific input submodule and the output level thereof; determining a commutation process to be experienced in the sub-module according to the change of the output level of the sub-module and the magnitude and direction of the current; judging whether the auxiliary switching tube needs to be conducted or not and judging the conducting time according to the current conversion process; and the main switching tube is turned off at the level jump moment to complete the switching of the sub-modules, and the auxiliary switching tube is turned off after the auxiliary switching tube is conducted for a preset time. The invention solves the problem that under the recent level approximation modulation and sorting algorithm, the auxiliary switching tube needs to be conducted before the main switching tube is turned off, so that the phase error exists between the output voltage of the bridge arm and the reference voltage.)

一种基于最近电平逼近调制的MMC软开关实现方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种基于最近电平逼近调制的MMC软开关实现方法。

背景技术

模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)由于具有制造难度低、扩容性好、输出电压波形质量高等优点，在中压直流配电网中得到了应用。但是相比于高压领域如柔性直流输电，在中压直流配电网中，由于直流电压一般为10～50kV，MMC桥臂子模块数量减少为10～30个。由于MMC子模块的数量减少，为了保证输出波形的质量，器件的开关频率还是较高的，其将造成较大的开关损耗。MMC损耗大小对换流阀的效率产生直接影响，对系统的长期运行成本和运行性能起着至关重要的作用，因此有必要采取一定的措施降低MMC的开关损耗。

将辅助谐振极软开关子模块替代传统半桥子模块，在MMC中引入软开关技术，使主开关管工作于零电压/电流开关(ZVS/ZCS)状态，能完全消除开通损耗或关断损耗，大大降低开关损耗。但在辅助谐振极软开关子模块中，辅助开关管需在主开关管关断前导通，为主开关管实现零电压开关创造条件。但在最近电平逼近调制与排序算法下，在子模块投切信号给出后，辅助开关管需先导通一段时间主开关管才能关断完成子模块投切，这使得桥臂输出电压与参考电压之间存在相位误差，MMC无法实现预期的控制目标，影响系统稳定。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于最近电平逼近调制的MMC软开关实现方法，旨在解决MMC在最近电平逼近调制与排序算法下实现软开关时，需要辅助开关管在主开关管关断之前导通，造成桥臂输出电压与参考电压之间存在相位误差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于最近电平逼近调制的MMC软开关实现方法，包括：

(1)根据当前周期桥臂参考电压电平跳变时刻t₀和投入的子模块个数，预测下个周期桥臂参考电压电平跳变时刻(t₀+T)和投入的子模块个数；其中，T为工频周期；

(2)在电平跳变时刻(t₀+T)之前的时刻(t₀+T-t)对子模块电容电压进行排序，并根据此时桥臂电流方向和(t₀+T)时刻应投入的子模块个数，确定具体投入的子模块及其输出电平的变化；

(3)根据下个周期需要在电平跳变时刻投切的子模块输出电平的变化、设定时刻(t₀+T-t)对应的子模块电流大小和方向，确定(t₀+T-t)时刻到(t₀+T)时刻子模块内部将要经历的换流过程；

(4)根据所述换流过程，判断辅助开关管是否需要导通以及导通时刻，并在相应时刻使辅助开关管导通；

(5)在电平跳变时刻使主开关管关断，完成子模块投切，并在辅助开关管导通预设时间后，将其关断。

进一步地，在电平跳变时刻(t₀+T)之前的时间t的表达式为：

其中，L_r为谐振电感的电感值，i_sm为子模块电流，I_boost为ARCP换流过程中主开关管关断时主开关管上流过的电流，U_c为子模块直流侧电压。

进一步地，步骤(3)具体为：

当所述输出电平由正电平变为零电平且电流流入子模块，或所述输出电平由零电平变为正电平且电流流出子模块时，子模块内部将经历ARCP换流过程；

当所述输出电平由正电平变为零电平且电流流出子模块，同时所述电流小于门槛电流I_t，或所述输出电平由零电平变为正电平且电流流入子模块，同时所述电流小于门槛电流I_t时，子模块内部将经历ARCP辅助换流过程；

当所述输出电平由正电平变为零电平且电流流出子模块，同时所述电流大于门槛电流I_t，或所述输出电平由零电平变为正电平且电流流入子模块，同时所述电流大于门槛电流I_t时，子模块内部将经历电容强制换流过程。

进一步地，所述门槛电流I_t的表达式为：

其中，C_r为吸收电容的电容值，T_d为死区时间。

进一步地，步骤(4)中所述根据所述换流过程，判断辅助开关管是否需要导通以及导通时刻的方法具体为：

当子模块内部经历ARCP换流过程，辅助开关管导通时刻t_sa表示为：t_sa＝t₀+T-t；

当子模块内部经历ARCP辅助换流过程，辅助开关管导通时刻t_sa表示为t_sa＝t₀+T-t+t′；

其中，L_r为谐振电感的电感值，i_sm为子模块电流，I_boost为ARCP换流过程中主开关管关断时主开关管上流过的电流，I_boca为ARCP辅助换流过程中主开关管关断时谐振电感上流过的电流，U_c为子模块直流侧电压；

当子模块内部经历电容强制换流过程，辅助开关管无需导通。

进一步地，ARCP的控制方式采用变时间控制或定时间控制。

进一步地，所述辅助开关管导通的预设时间满足：

其中，t_on为辅助开关管导通的预设时间，C_r1＝C_r2＝Cr，

进一步地，以辅助谐振极软开关子模块替代传统半桥子模块，构成所述MMC。

通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明方法在最近电平逼近调制下，根据本周期参考电压电平跳变及子模块投入情况，对下一周期的电平跳变时刻及子模块投切情况进行预测，并提前于预测投切时刻导通辅助开关管，使桥臂输出电压能跟随参考电压，消除了由辅助开关管提前导通导致的桥臂输出电压与参考电压的相位误差，使MMC能够达到预期的控制效果，提高系统运行的稳定性。

(2)本发明将辅助谐振极软开关子模块替代传统半桥子模块，使主开关管工作于零电压/电流开关(ZVS/ZCS)状态，能完全消除开通损耗或关断损耗，大大降低开关损耗。因此，采用本发明提出的MMC软开关实现方法，可使软开关技术在MMC中得到有效应用，显著降低换流器的开关损耗。

附图说明

图1是本发明的三相软开关MMC主电路拓扑图；

图2是本发明提供的在最近电平逼近调制下MMC软开关实现方法的流程图；

图3(a)-图3(g)是本发明的辅助谐振极子模块内部经历ARCP换流过程的示意图；

图4(a)-图4(e)是本发明的辅助谐振极子模块内部经历ARCP辅助换流过程的示意图；

图5(a)-图5(c)是本发明的辅助谐振极子模块内部经历电容强制换流过程示意图；

图6(a)-图6(c)为上述三种换流过程对应的电压、电流波形图；

图7是采用本发明提供的在最近电平逼近调制下MMC软开关实现方法的开关管动作时序图；

图8是未采用本发明方法时上桥臂输出电压与桥臂参考电压阶梯波的波形图；

图9是采用了本发明方法时上桥臂输出电压与桥臂参考电压阶梯波的波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的MMC结构由辅助谐振极软开关子模块替代传统半桥子模块构成。如图2所示，基于该结构，本发明提供了一种基于最近电平逼近调制的MMC软开关实现方法，包括：

(1)根据当前周期桥臂参考电压电平跳变时刻t₀和投入的子模块个数，预测下个周期桥臂参考电压电平跳变时刻(t₀+T)和投入的子模块个数；其中，T为工频周期；

具体地，可由当前周期的信息推测下个周期参考电压发生电平跳变的时刻和投入的子模块数的依据为：当参考电压发生相同的电平跳变时，相邻两个周期的跳变时刻之间相差一个工频周期。

(2)在电平跳变时刻(t₀+T)之前的时刻(t₀+T-t)对子模块电容电压进行排序，并根据此时桥臂电流方向和(t₀+T)时刻应投入的子模块个数，确定具体投入的子模块及其输出电平的变化；

具体地，在电平跳变时刻(t₀+T)之前的时间t的表达式为：

其中，L_r为谐振电感的电感值，i_sm为子模块电流，I_boost为ARCP换流过程中主开关管关断时主开关管上流过的电流，U_c为子模块直流侧电压。

(3)根据下个周期需要在电平跳变时刻投切的子模块输出电平的变化、设定时刻(t0+T-t)对应的子模块电流大小和方向，确定(t₀+T-t)时刻到(t₀+T)时刻子模块内部将要经历的换流过程；

具体地，步骤(3)具体为：

如图3(a)-图3(g)，当输出电平由正电平变为零电平且电流流入子模块，或输出电平由零电平变为正电平且电流流出子模块时，子模块内部将经历ARCP换流过程；

如图4(a)-图4(e)，当输出电平由正电平变为零电平且电流流出子模块，同时电流小于门槛电流I_t，或输出电平由零电平变为正电平且电流流入子模块，同时电流小于门槛电流I_t时，子模块内部将经历ARCP辅助换流过程；其中，门槛电流I_t的表达式为：

其中，C_r为吸收电容的电容值，T_d为死区时间。

如图5(a)-图5(c)，当输出电平由正电平变为零电平且电流流出子模块，同时电流大于门槛电流I_t，或输出电平由零电平变为正电平且电流流入子模块，同时电流大于门槛电流I_t时，子模块内部将经历电容强制换流过程。上述三种换流过程对应的电压电流波形图，分别如图6(a)-图6(c)所示。

(4)根据换流过程，判断辅助开关管是否需要导通以及导通时刻t_sa，并在相应时刻使辅助开关管导通；

具体地，t_sa＝t₀+T-t+t′，对于不同的换流情况，t′有不同的取值：对于ARCP换流过程，辅助开关管需在选择了投切的子模块后立即导通，即t′＝0；对于ARCP辅助换流过程，辅助开关管需在选择了投切的子模块后再经过(Δt_boost-Δt_boca)导通，其中，L_r为谐振电感的电感值，i_sm为子模块电流，I_boost为ARCP换流过程中主开关管关断时主开关管上流过的电流，I_boca为ARCP辅助换流过程中主开关管关断时谐振电感上流过的电流，U_c为子模块直流侧电压，即对于电容强制换流过程，辅助开关管无需动作。当Δt_boost和Δt_boca随负载电流变化实时改变时，ARCP的控制方式采用变时间控制；当Δt_boost和Δt_boca不随负载电流变化实时改变时，ARCP的控制方式采用定时间控制。本发明实施例本实例采用定时间控制，主要参数如表1中所示：

表1

(5)在电平跳变时刻使主开关管关断，完成子模块投切，并在辅助开关管导通预设时间后，将其关断。

具体地，辅助开关管导通的预设时间满足：

其中，t_on为辅助开关管导通的预设时间，C_r1＝C_r2＝C_r，

采用本发明提供的在最近电平逼近调制下MMC软开关实现方法的开关管动作时序图如图7所示。图8是未采用本发明方法时上桥臂输出电压与桥臂参考电压阶梯波的波形图，其中，虚线代表上桥臂参考电压对应的阶梯波，实线代表上桥臂实际输出电压的波形。比较两个波形可知，当参考电压阶梯波的电平发生变化时，桥臂输出电压并未立即发生变化，桥臂输出电压与参考电压阶梯波之间存在相位误差；图9是采用了本发明方法时上桥臂输出电压与桥臂参考电压阶梯波的波形图，其中，虚线代表上桥臂参考电压对应的阶梯波，实线代表上桥臂实际输出电压的波形，可以看到，当参考电压阶梯波的电平发生变化时，桥臂输出电压也发生跳变，桥臂输出电压与桥臂参考电压之间的相位误差被消除。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。