基于pam與pwm混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，尤其是涉及一種基于PAM與PWM混合 調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器。
【背景技術(shù)】
[0002] 模塊化多電平換流器（MMC)因具有功率容量大、開關(guān)頻率低、輸出諧波小和響應(yīng) 速度快等優(yōu)點(diǎn)，在高壓大容量變流器場(chǎng)合得到越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003] MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有多種，其中半橋型子模塊（Half-Bridge-Module，HBM型子模 塊）級(jí)聯(lián)MMC拓?fù)浔粡V泛使用，其結(jié)構(gòu)如圖1中的（la)所示，但是由于其無法處理公共 直流側(cè)短路故障，限制了其運(yùn)行穩(wěn)定性。為解決這一問題，相關(guān)學(xué)者提出了全橋型子模塊 (Full-Bridge-Module，F(xiàn)BM型子模塊）級(jí)聯(lián)MMC拓?fù)?，其結(jié)構(gòu)如圖1中的（lb)所示，由于該 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)導(dǎo)致功率器件增加了一倍，增加了 MMC裝置成本，限制了其規(guī)?；茝V應(yīng)用。
[0004] MMC的輸出電壓的控制方法上分為脈沖幅值調(diào)制（PAM)的階梯波疊加控制方法和 脈沖寬度調(diào)制（PWM)的移相疊加控制方法。
[0005] 脈沖幅值調(diào)制（PAM)的階梯波疊控制策略是通過預(yù)先選取的不同開關(guān)角度，使每 個(gè)子模塊輸出電壓進(jìn)行疊加，形成接近調(diào)制信號(hào)波形的輸出電壓，其目的是消除輸出電壓 中的低次諧波，并使輸出電壓總諧波畸變率最小，由于其開關(guān)頻率極低，因此其開關(guān)損耗較 小。但在實(shí)際運(yùn)行中要求子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)目較高，否則會(huì)因輸出電壓階梯數(shù)較少，而導(dǎo)致其輸 出電壓中諧波含量增大。且該控制策略還存在各個(gè)子模塊直流測(cè)電壓波動(dòng)大和輸出功率不 平衡的缺陷，這些缺陷將會(huì)嚴(yán)重影響MMC裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。
[0006] 脈沖寬度調(diào)制（PWM)的移相疊加控制方法是通過比較調(diào)制波與載波，控制每個(gè)子 模塊開關(guān)器件的通斷，且通過每個(gè)子模塊輸出波形的移相疊加作用，等效提高M(jìn)MC的開關(guān) 頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的精確控制和取得較高的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。但是其各個(gè)子模塊開 關(guān)頻率較高，因此其開關(guān)損耗較大，而諧波含量較小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于PAM與PWM 混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，有效降低其輸出側(cè)電壓的諧波含量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)MMC 輸出波形的快速、精確控制。
[0008] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：
[0009] 一種基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，所述模塊化級(jí)聯(lián)多電 平換流器的任一橋臂均包括2N個(gè)HBM型子模塊和2M個(gè)FBM型子模塊，其中，M個(gè)FBM型子 模塊和N個(gè)HBM型子模塊級(jí)聯(lián)成上橋臂，N個(gè)HBM型子模塊和M個(gè)FBM型子模塊級(jí)聯(lián)成下 橋臂；
[0010] 所述2N個(gè)HBM型子模塊構(gòu)成PAM調(diào)制單元，其中的每個(gè)HBM型子模塊均采用基頻 PAM調(diào)制方式；
[0011] 所述2M個(gè)FBM型子模塊構(gòu)成PWM調(diào)制單元，其中的每個(gè)FBM型子模塊均采用高頻 PWM調(diào)制方式。
[0012] 所述N大于M。
[0013] 所述FBM型子模塊采用雙閉環(huán)跟蹤方法對(duì)HBM型子模塊所疊加的階梯波進(jìn)行諧波 分量補(bǔ)償。
[0014] 所述HBM型子模塊采用基于環(huán)流抑制的子模塊電壓排序法和子模塊PAM調(diào)制信號(hào) 輪換法進(jìn)行直流側(cè)電壓控制。
[0015] 所述子模塊電壓排序法具體為：
[0016] 判斷當(dāng)前工作狀態(tài)，若當(dāng)前工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，則根據(jù)設(shè)定的投入數(shù)n，只投入 n個(gè)直流電壓最低的模塊，若當(dāng)前工作狀態(tài)為放電狀態(tài)，則根據(jù)設(shè)定的投入數(shù)n，只投入n個(gè) 直流電壓最高的模塊。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0018] 1、針對(duì)MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本發(fā)明采用HBM子模塊和FBM子模塊混合級(jí)聯(lián)方 案，即MMC的每相橋臂絕大部分子模塊采用半橋型子模塊，極少部分子模塊采用全橋型子 模塊，有效地減少了裝置中開關(guān)器件的數(shù)量，降低了裝置成本，并使得MMC具備公共直流側(cè) 短路的處理能力；
[0019]2、本發(fā)明采用PAM+PWM混合調(diào)制，每個(gè)HBM型子模塊采用PAM調(diào)制，都工作于基頻 開關(guān)頻率下，HBM型子模塊采用基頻優(yōu)化PAM方法使MMC輸出階梯波逼近正弦波；每個(gè)FBM 模塊采用高頻PWM調(diào)制，都工作在高頻開關(guān)頻率下，F(xiàn)BM模塊采用雙閉環(huán)跟蹤方法，對(duì)HBM子 模塊所疊加的階梯波進(jìn)行諧波分量補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)MMC輸出波形的快速、精確控制；
[0020] 相對(duì)全部采用PWM調(diào)制，MMC裝置的開關(guān)損耗較??；相對(duì)全部采用PAM調(diào)制，MMC能 夠有效地降低輸出電壓、電流畸變率，提高裝置控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；
[0021] 3、本發(fā)明考慮HBM子模塊直流側(cè)電壓波動(dòng)是因?yàn)槟芰吭诟鱾€(gè)子模塊之間分配的 不平衡問題，本發(fā)明采用基于環(huán)流抑制的子模塊電壓排序法和子模塊PAM調(diào)制信號(hào)輪換 法，補(bǔ)償電壓較低子模塊的能量，吸收電壓較高子模塊的能量，使得能量在各個(gè)模塊中重新 平衡，并且各子模塊直流側(cè)電壓的二倍頻分量得到抑制，減小其電壓的波動(dòng)；
[0022] 4、本發(fā)明采用PAM+PWM混合的方式對(duì)MMC進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)裝置的極低頻調(diào)制技 術(shù)，降低裝置運(yùn)行損耗。
【附圖說明】
[0023] 圖1為現(xiàn)有的MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 其中，（la)為半橋型子模塊示意圖，（lb)為全橋型子模塊示意圖；
[0025] 圖2這本發(fā)明基于混合調(diào)制的MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0026] 圖3為PAM+PWM混合調(diào)制的原理圖；
[0027] 其中，（3a)為HBM型子模塊單元輸出電壓疊加形成的階梯波，（3b)為FBM型子模 塊單元PWM調(diào)制的參考調(diào)制信號(hào)，（3c)為FBM型子模塊單元PWM調(diào)制脈沖信號(hào)，（3d)為 PAM+PWM混合調(diào)制信號(hào)波形；
[0028] 圖4為FBM型子模塊的PWM調(diào)制波產(chǎn)生方式示意圖；
[0029] 圖5為直流側(cè)電壓平衡的基于環(huán)流抑制的子模塊電壓排序方法中的環(huán)流抑制框 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于 下述的實(shí)施例。
[0031] 本實(shí)施例提供一種基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，如圖2 所示，該模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器的任一橋臂均包括2N個(gè)HBM型子模塊和2M個(gè)FBM型子 模塊，其中，M個(gè)FBM型子模塊（FBMU1~M)和N個(gè)HBM型子模塊（HBMU1~N)級(jí)聯(lián)成上橋 臂，N個(gè)HBM型子模塊（HBMD1~N)和M個(gè)FBM型子模塊（FBMD1~M)級(jí)聯(lián)成下橋臂，N遠(yuǎn) 大于 M，N>4M。
[0032] 2N個(gè)HBM型子模塊構(gòu)成PAM調(diào)制單元，其中的每個(gè)HBM型子模塊有+E、0 (E為每 個(gè)電容的電壓值）兩個(gè)電平，且每個(gè)HBM子模塊都采用基頻PAM調(diào)制技術(shù)，通過輸出電壓疊 加，逼近參考調(diào)制信號(hào)。2M個(gè)FBM型子模塊構(gòu)成PWM調(diào)制單元，其中的每個(gè)FBM型子模塊均 采用高頻PWM調(diào)制方式，并采用雙閉環(huán)跟蹤方法對(duì)HBM型子模塊所疊加的階梯波進(jìn)行諧波 分量補(bǔ)償。由于PWM調(diào)制過程中對(duì)MMC輸出電壓、電流進(jìn)行諧波補(bǔ)償，所以有效的降低輸出 電壓、電流的諧波畸變率。本發(fā)明提出的PAM+PWM方法綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，能夠兼顧開關(guān)損 耗和輸出電流諧波含量，并且提高了裝置控制精度和響應(yīng)速度。
[0033] 圖3是PAM+PWM混合調(diào)制的原理圖，其中（3a)為HBM型子模塊單元輸出電壓疊 加形成的階梯波--U PAM= uf+uh，其中uf為輸出階梯波的基波電壓，約等于參考調(diào)制信號(hào)； %為輸出階梯波的諧波電壓；（3b)所示為FBM型子模塊單元PWM調(diào)制的參考調(diào)制信號(hào)-- UpwMifi U Mf-UPAM,其中混合調(diào)制的總參考調(diào)制信號(hào)為uMf;(3c)所示為FBM型子模塊單元 PWM調(diào)制脈沖信號(hào)；（3d)為PAM+PWM混合調(diào)制信號(hào)波形--u all= u PWM+uPAM。
[0034] 圖4是FBM型子模塊的PWM調(diào)制波產(chǎn)生方式，其中各HBM型子模塊采用PAM調(diào)制， 因而功率開關(guān)器件工作在基波開關(guān)頻率下；各FBM型子模塊采用PWM調(diào)制，因而功率開關(guān)器 件工作在較高的開關(guān)頻率下。HBM型子模塊輸出階梯波電壓u PAM。PWM單元的調(diào)制波％_滿 足
[0035] uPWM= u ref-uPAM= u ref-(uf+uh) = -uh
[0036] 其占空比滿足：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，其特征在于，所述模塊化 級(jí)聯(lián)多電平換流器的任一橋臂均包括2N個(gè)HBM型子模塊和2M個(gè)FBM型子模塊，其中，M個(gè) FBM型子模塊和N個(gè)HBM型子模塊級(jí)聯(lián)成上橋臂，N個(gè)HBM型子模塊和M個(gè)FBM型子模塊級(jí) 聯(lián)成下橋臂； 所述2N個(gè)HBM型子模塊構(gòu)成PAM調(diào)制單元，其中的每個(gè)HBM型子模塊均采用基頻PAM 調(diào)制方式； 所述2M個(gè)FBM型子模塊構(gòu)成PWM調(diào)制單元，其中的每個(gè)FBM型子模塊均采用高頻PWM 調(diào)制方式。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，其特 征在于，所述N大于M。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，其特 征在于，所述FBM型子模塊采用雙閉環(huán)跟蹤方法對(duì)HBM型子模塊所疊加的階梯波進(jìn)行諧波 分量補(bǔ)償。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，其特 征在于，所述HBM型子模塊采用基于環(huán)流抑制的子模塊電壓排序法和子模塊PAM調(diào)制信號(hào) 輪換法進(jìn)行直流側(cè)電壓控制。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，其特 征在于，所述子模塊電壓排序法具體為： 判斷當(dāng)前工作狀態(tài)，若當(dāng)前工作狀態(tài)為充電狀態(tài)，則根據(jù)設(shè)定的投入數(shù)n，只投入n個(gè) 直流電壓最低的模塊，若當(dāng)前工作狀態(tài)為放電狀態(tài)，則根據(jù)設(shè)定的投入數(shù)n，只投入n個(gè)直 流電壓最高的模塊。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于PAM與PWM混合調(diào)制的模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器，所述模塊化級(jí)聯(lián)多電平換流器的任一橋臂均包括2N個(gè)HBM型子模塊和2M個(gè)FBM型子模塊，其中，M個(gè)FBM型子模塊和N個(gè)HBM型子模塊級(jí)聯(lián)成上橋臂，N個(gè)HBM型子模塊和M個(gè)FBM型子模塊級(jí)聯(lián)成下橋臂；所述2N個(gè)HBM型子模塊構(gòu)成PAM調(diào)制單元，所述2M個(gè)FBM型子模塊構(gòu)成PWM調(diào)制單元。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用PAM與PWM混合調(diào)制的方法，有效降低了系統(tǒng)開關(guān)損耗和輸出電壓、電流諧波畸變率，提高了輸出參數(shù)的控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，并可解決HBM子模塊直流側(cè)電壓和功率輸出不平衡的問題。
【IPC分類】H02M7-483, H02M7-501
【公開號(hào)】CN104682751
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510091968
【發(fā)明人】姚鋼, 周荔丹
【申請(qǐng)人】上海交通大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請(qǐng)日】2015年3月2日