1.本发明属于多电平电力电子换流器领域，具体涉及一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法。
背景技术：2.模块化多电平换流器(modular multilevel converter，mmc)凭借结构高度模块化、可扩展性强、输出电能质量高、具有高压直流母线及可实现冗余控制等优点，在柔性直流输电、中压电机驱动及可再生能源并网等领域广受关注。全桥型模块化多电平换流器具有阻断直流故障电流的能力，目前正逐步推广应用于高压直流输电等领域。
3.全桥子模块内部损耗分布不均匀不仅会影响功率器件的使用寿命，威胁系统运行的可靠性，还会增加散热装置的设计难度，因此如何平衡全桥子模块内部损耗是保证模块化多电平换流器系统安全稳定运行的关键技术之一。考虑全桥子模块的冗余开关状态，全桥型模块化多电平换流器具有两种运行模式。传统的全桥型模块化多电平换流器始终保持在一种运行模式下工作，导致各子模块内部功率器件的损耗和热应力不平衡。
4.针对全桥型模块化多电平换流器子模块内部损耗分布不均衡问题，常规方法是让全桥子模块在两种运行模式中轮换工作，并保证在每个模式下工作时长相同。通过轮换的方式可实现全桥子模块内部损耗优化，但该方法属于开环控制且均衡作用有限。另一种是结温反馈方法，通过引入结温反馈，修正全桥子模块在两种模式下的工作时间，进而最大程度实现损耗的均衡控制。结温反馈方式的损耗平衡优化效果较好，但控制复杂，并需要引入额外的传感器，增加了模块化多电平换流器的运行成本，经济性较低。因此，针对全桥型模块化多电平换流器子模块内部损耗分布不平衡问题，提出一种实现方便，优化效果良好，具有较高经济性的损耗平衡控制方法是符合实际需要的。
5.针对上述提出的问题，现设计一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法。
技术实现要素：6.针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，通过对比全桥子模块左、右两桥臂在一个工频周期内的平均损耗，修正全桥子模块在两种运行模式下的工作时间，调节子模块内部各功率器件的损耗，使左、右桥臂功率损耗达到平衡。与常规方法相比实现方便，优化效果良好，且无需增加模块化多电平换流器建设成本。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
8.一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，包括以下步骤：
9.s1、实时监测每相上、下桥臂电流i
arm
(t)，实时监测每个全桥子模块电容电压uc(t)，实时监测全桥子模块内各功率器件的状态函数sj(t)(j＝1～4)；
10.s2、利用桥臂电流，子模块电容电压及各功率器件的开关状态计算得到各功率器
件在一个工频周期内的平均损耗p
tj
，p
dj
；
11.s3、分别计算全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2，右桥臂上功率器件平均损耗p3；
12.s4、判断全桥子模块的投切状态，当子模块处于投入状态时，可改变子模块的运行模式；
13.s5、通过比较全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2及右桥臂上功率器件平均损耗p3，进而修正子模块在两种运行模式下的工作时间，实现全桥子模块左桥臂和右桥臂功率器件的总损耗均衡。
14.进一步的，所述s1中的各功率器件状态函数为：
[0015][0016]
进一步的，所述s2中的各功率器件在工频周期内的平均损耗计算方法为：
[0017][0018]
公式
②
中，p
tj
为全桥子模块第j个igbt开关管的平均损耗，p
dj
为全桥子模块第j个二极管的平均损耗，p
tj_con
为第j个igbt开关管的平均导通损耗，p
tj_sw
为第j个igbt开关管的平均开关损耗，p
dj_con
为第j个二极管的平均导通损耗，p
dj_sw
为第j个二极管的平均开关损耗。
[0019]
进一步的，p
tj_con
，p
dj_con
的计算方法为：
[0020][0021]
公式
③
中，t为一个工频周期，i
tj
(t)为流过第j个igbt开关管的电流，i
dj
(t)为流过第j个二极管的电流，v
t0
为igbt开关管的通态压降，v
d0
为二极管的通态压降，r
ce
为igbt开关管的通态电阻，rd为二极管的通态电阻。
[0022]
进一步的，p
tj_sw
，p
dj_sw
的计算方法为：
[0023][0024]
公式
④
中，e
on
()为igbt开关管开通能量函数，e
off
()为igbt开关管关断能量函数，e
rec
()为二极管反向恢复能量函数，n
swj
为第j个功率器件在一个工频周期内的开关次数，i
tj
(k)为第j个igbt在第k次开关时流过的电流，i
dj
(k)为第j个二极管在第k次开关时流过的电流，uc(k)为功率器件在第k次开关时子模块的电容电压。
[0025]
进一步的，当桥臂电流i
arm
方向为正时，流过功率器件t1，d2，d3，t4的电流为零，流过功率器件d1，t2，t3，d4电流的计算方法为：
[0026][0027]
当桥臂电流i
arm
方向为负时，流过功率器件d1，t2，t3，d4的电流为零，流过功率器件t1，d2，d3，t4电流的计算方法为：
[0028][0029]
进一步的，所述s3中全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2及右桥臂上功率器件平均损耗p3的计算方法为：
[0030][0031]
进一步的，所述s4中全桥子模块的第一种运行模式为：第一和第四功率器件导通，第二和第三功率器件关断时子模块处于投入状态；第一和第三功率器件导通，第二和第四功率器件关断时子模块处于切除状态。第二种运行模式为：第一和第四功率器件导通，第二和第三功率器件关断时子模块处于投入状态，；第二和第四功率器件导通，第一和第三功率器件关断时子模块处于切除状态。
[0032]
进一步的，所述s4中判断全桥子模块的投切状态是为了避免引入额外的开关损耗，即只有当子模块处于投入状态时，才能够在s5中改变其运行模式。
[0033]
进一步的，所述s5中通过比较p2和p3，进而修正子模块在两种运行模式下的工作时间，实现全桥子模块左桥臂和右桥臂功率器件的损耗均衡，具体方法为：若p2》p3，则使全桥子模块工作于第一种运行模式；若p2《p3，则使全桥子模块工作于第二种运行模式，最终使得p2与p3相接近，实现全桥子模块内部左、右桥臂功率器件的损耗均衡。
[0034]
本发明的有益效果：
[0035]
1、本发明提出的全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，相比于传统的仅工作于一种运行模式下的全桥子模块控制方法，有效平衡了子模块内部各功率器件的损耗，提高了全桥型模块化多电平换流器系统的运行可靠性。
[0036]
2、本发明提出的全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，通过比较全桥子模块内部第二和第三功率器件的平均损耗，进而调节子模块在两种运行模式下的工作时长，实现损耗均衡。与常规轮换法的开环控制相比，损耗均衡效果显著提高。
[0037]
3、本发明提出的全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，无需额外增加传
感器，无需改变模块化多电平换流器系统的硬件结构，与采用结温反馈的方法相比，控制更加简单易于实施，具有较强的经济性与实用性。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1是本发明实施例的整体控制方法流程示意图；
[0040]
图2是本发明实施例的全桥子模块拓扑结构示意图；
[0041]
图3是本发明实施例的三相模块化多电平换流器拓扑结构示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
本发明针对模块化多电平换流器全桥子模块内部损耗不均衡问题，提出了一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其中三相mmc拓扑结构及全桥子模块拓扑结构如图2、图3所示。三相mmc由六个桥臂构成，每个桥臂包含了n个相同的全桥子模块(submodule,sm)及一个桥臂电感ls。全桥子模块包括4个igbt开关器件t1～t4、4个二极管d1～d4和1个直流电容c。
[0044]
如图1所示，一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，包括：采集桥臂电流、子模块电容电压、子模块内部功率器件开关状态；计算全桥子模块内部各功率器件在工频周期内的平均损耗；分别计算全桥子模块左桥臂下功率器件和右桥臂上功率器件的平均损耗；判断全桥子模块是否处于投入状态；比较左桥臂下功率器件和右桥臂上功率器件的平均损耗，进而调整全桥子模块在两种运行模式下的工作时间，最终实现子模块内部各功率器件损耗分布均衡。
[0045]
上述方法具体包括以下步骤：
[0046]
s1、实时监测每相上、下桥臂电流i
arm
(t)，实时监测每个全桥子模块电容电压uc(t)，实时监测全桥子模块内各功率器件的状态函数sj(t)(j＝1～4)；
[0047]
s2、利用桥臂电流，子模块电容电压及各功率器件的开关状态计算得到各功率器件在一个工频周期内的平均损耗p
tj
，p
dj
；
[0048]
s3、分别计算全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2，右桥臂上功率器件平均损耗p3；
[0049]
s4、判断全桥子模块的投切状态，当子模块处于投入状态时，可改变子模块的运行模式；
[0050]
s5、通过比较全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2及右桥臂上功率器件平均损耗p3，进而修正子模块在两种运行模式下的工作时间，实现全桥子模块左桥臂和右桥臂功率器件的总损耗均衡。
[0051]
所述s1中的各功率器件状态函数为：
[0052][0053]
所述s2中的各功率器件在工频周期内的平均损耗计算方法为：
[0054][0055]
公式
②
中，p
tj
为全桥子模块第j个igbt开关管的平均损耗，p
dj
为全桥子模块第j个二极管的平均损耗，p
tj_con
为第j个igbt开关管的平均导通损耗，p
tj_sw
为第j个igbt开关管的平均开关损耗，p
dj_con
为第j个二极管的平均导通损耗，p
dj_sw
为第j个二极管的平均开关损耗。
[0056]
其中，p
tj_con
，p
dj_con
的计算方法为：
[0057][0058]
公式
③
中，t为一个工频周期，i
tj
(t)为流过第j个igbt开关管的电流，i
dj
(t)为流过第j个二极管的电流，v
t0
为igbt开关管的通态压降，v
d0
为二极管的通态压降，r
ce
为igbt开关管的通态电阻，rd为二极管的通态电阻。
[0059]
p
tj_sw
，p
dj_sw
的计算方法为：
[0060][0061]
公式
④
中，e
on
()为igbt开关管开通能量函数，e
off
()为igbt开关管关断能量函数，e
rec
()为二极管反向恢复能量函数，n
swj
为第j个功率器件在一个工频周期内的开关次数，i
tj
(k)为第j个igbt在第k次开关时流过的电流，i
dj
(k)为第j个二极管在第k次开关时流过的电流，uc(k)为功率器件在第k次开关时子模块的电容电压。
[0062]
当桥臂电流i
arm
方向为正时，流过功率器件t1，d2，d3，t4的电流为零，流过功率器件d1，t2，t3，d4电流的计算方法为：
[0063]
[0064]
当桥臂电流i
arm
方向为负时，流过功率器件d1，t2，t3，d4的电流为零，流过功率器件t1，d2，d3，t4电流的计算方法为：
[0065][0066]
所述s3中全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2及右桥臂上功率器件平均损耗p3的计算方法为：
[0067][0068]
所述s4中全桥子模块的第一种运行模式为：第一和第四功率器件导通，第二和第三功率器件关断时子模块处于投入状态；第一和第三功率器件导通，第二和第四功率器件关断时子模块处于切除状态。第二种运行模式为：第一和第四功率器件导通，第二和第三功率器件关断时子模块处于投入状态；第二和第四功率器件导通，第一和第三功率器件关断时子模块处于切除状态。
[0069]
所述s4中判断全桥子模块的投切状态是为了避免引入额外的开关损耗，即只有当子模块处于投入状态时，才能够在s5中改变其运行模式。
[0070]
所述s5中通过比较p2和p3，进而修正子模块在两种运行模式下的工作时间，实现全桥子模块左桥臂和右桥臂功率器件的损耗均衡，具体方法为：若p2》p3，则使全桥子模块工作于第一种运行模式；若p2《p3，则使全桥子模块工作于第二种运行模式，最终使得p2与p3相接近，实现全桥子模块内部左、右桥臂功率器件的损耗均衡。
[0071]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0072]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
技术特征：1.一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：s1、实时监测每相桥臂电流i
arm
(t)，实时监测每个全桥子模块电容电压u
c
(t)，实时监测全桥子模块内各功率器件的状态函数s
j
(t)(j＝1～4)；s2、利用桥臂电流，子模块电容电压及各功率器件的开关状态计算各功率器件在工频周期内的平均损耗p
tj
，p
dj
；s3、分别计算全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2，右桥臂上功率器件平均损耗p3；s4、判断全桥子模块的投切状态，当子模块处于投入状态时，才可改变子模块的运行模式；s5、通过比较全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2及右桥臂上功率器件平均损耗p3，进而修正子模块在两种运行模式下的工作时间，实现全桥子模块左桥臂和右桥臂功率器件的总损耗均衡。2.根据权利要求1所述的一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述s1中的各功率器件状态函数为：3.根据权利要求1所述的一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述s2中的各功率器件在工频周期内的平均损耗计算方法为：公式
②
中，p
tj
为全桥子模块第j个igbt开关管的平均损耗，p
dj
为全桥子模块第j个二极管的平均损耗，p
tj_con
为第j个igbt开关管的平均导通损耗，p
tj_sw
为第j个igbt开关管的平均开关损耗，p
dj_con
为第j个二极管的平均导通损耗，p
dj_sw
为第j个二极管的平均开关损耗，其中，p
tj_con
，p
dj_con
的计算方法为：公式
③
中，t为工频周期，i
tj
(t)为流过第j个igbt开关管的电流，i
dj
(t)为流过第j个二极管的电流，v
t0
为igbt开关管的通态压降，v
d0
为二极管的通态压降，r
ce
为igbt开关管的通态电阻，r
d
为二极管的通态电阻，p
tj_sw
，p
dj_sw
的计算方法为：
公式
④
中，e
on
()为igbt开关管开通能量函数，e
off
()为igbt开关管关断能量函数，e
rec
()为二极管反向恢复能量函数，n
swj
为第j个功率器件在一个工频周期内的开关次数，i
tj
(k)为第j个igbt在第k次开关时流过的电流，i
dj
(k)为第j个二极管在第k次开关时流过的电流，u
c
(k)为功率器件在第k次开关时子模块的电容电压。4.根据权利要求3所述的一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述流过各功率器件的电流计算方法为：当桥臂电流i
arm
方向为正时，流过功率器件t1，d2，d3，t4的电流为零，流过功率器件d1，t2，t3，d4电流的计算方法为：当桥臂电流i
arm
方向为负时，流过功率器件d1，t2，t3，d4的电流为零，流过功率器件t1，d2，d3，t4电流的计算方法为：所述s3中全桥子模块左桥臂下功率器件平均损耗p2及右桥臂上功率器件平均损耗p3的计算方法为：5.根据权利要求1所述的一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述s4中子模块的第一种运行模式为：第一和第四功率器件导通，第二和第三功率器件关断时子模块处于投入状态；第一和第三功率器件导通，第二和第四功率器件关断时子模块处于切除状态，第二种运行模式为：第一和第四功率器件导通，第二和第三功率器件关断时子模块处于投入状态；第二和第四功率器件导通，第一和第三功率器件关断时子模块处于切除状态；所述s4中判断全桥子模块的投切状态是为了避免引入额外的开关损耗，即只有当子模块处于投入状态时，才能够在s5中改变其运行模式。
6.根据权利要求1所述的一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，其特征在于，所述s5中通过比较p2和p3，进而修正子模块在两种运行模式下的工作时间，实现全桥子模块左桥臂和右桥臂功率器件的损耗均衡，具体方法为：若p2>p3，则使全桥子模块工作于第一种运行模式；若p2<p3，则使全桥子模块工作于第二种运行模式，最终使得p2与p3相接近，实现全桥子模块内部左、右桥臂功率器件的损耗均衡。
技术总结本发明公开一种全桥型模块化多电平换流器损耗平衡控制方法，所述损耗平衡控制方法包括以下步骤：采集桥臂电流、子模块电容电压、子模块内各功率器件开关状态，计算各功率器件的平均损耗，判断子模块的投切状态，通过比较全桥子模块左、右桥臂平均损耗调整子模块在两种运行模式的工作时间，最终实现损耗平衡。本发明损耗平衡方法与常规方法相比损耗均衡效果好，控制简单，无需增加模块化多电平换流器的建设成本，经济性高。经济性高。经济性高。
技术研发人员：邓富金 李怀龙 刘诚恺
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2022.04.06
技术公布日：2022/7/4
