一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统

1.本发明属于多电平电力电子变换器技术领域，具体涉及一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统。


背景技术：

2.相比于半桥型模块化多电平变换器(modular multilevel converter,mmc)和全桥型mmc，基于半桥子模块和全桥子模块的混合型mmc可兼顾运行效率和直流故障穿越能力，在可再生能源、高压直流输电、电力电子传动等领域得到了越来越广泛应用。混合型mmc内数量庞大的功率半导体器件是其主要的故障来源，且器件在实际运行中承受的热应力是导致其故障的主要原因之一。在热循环的作用下，功率半导体器件内部不同材料的热膨胀系数差异会导致材料分界面之间存在重复性的热应力。而器件损耗是热循环产生的主要来源，因此有必要通过改善子模块内部的损耗分布降低模块内器件的故障率，进而提高变换器的可靠性和运行寿命。
3.mmc桥臂电流存在固有的直流偏置分量，同时子模块不同输出模式的工作时间存在差异，这导致子模块内的损耗分布不均，即同一子模块内不同器件的损耗不同。由此导致，子模块内损耗集中的器件具有更高的故障率，进而增加了子模块和变换器的故障率，因为故障率最高的器件决定了其所在子模块和变换器的寿命。另外，混合型mmc内半桥子模块和全桥子模块的拓扑和控制方法不同，这导致它们的损耗分布特性也不同。因此，同时改善半桥和全桥子模块的损耗分布特性具有一定的难度，也是提高混合型mmc可靠性的关键。
4.目前，mmc内部子模块的损耗分布特性的改善方法主要包括特定环流分量注入、同模块内器件的非对称选型和电压调制波拉伸等。但是特定环流分量注入会增加子模块总损耗，同模块内器件的非对称选型会增加变换器的建设成本且对工况适应性较差。电压调制波拉伸只适用于低电压调制度的场合，且其在优化半桥子模块的损耗分布的同时，会造成全桥子模块损耗分布均衡性的恶化。因此，现仍需探索一种可以在不增加子模块总损耗和影响变换器输出特性的前提下，同时提高混合型mmc内半全桥子模块损耗分布均衡度的优化控制方法。


技术实现要素：

5.请参阅图1，本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统，用于解决由半桥和全桥子模块内的损耗不均衡分布所造成的混合型mmc可靠性和运行寿命降低的技术问题，在不增加子模块总损耗和不影响变换器输出特性的前提下，通过调整半桥和全桥子模块不同输出模式的分配来改善子模块级的损耗分布；改进的电容电压均衡算法根据半桥和全桥内部的损耗分布情况，在确定的投切子模块调整区间内，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块，进而将高损耗器件的损耗转移至其他器件。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，包括以下步骤：
8.s1、计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；
9.s2、根据步骤s1得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；
10.s3、在步骤s2确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
11.具体的，步骤s1中，半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
为：
[0012][0013]
其中，h表示桥臂内所包含的半桥子模块数量，p
hbsm,,k
表示第i个全桥子模块内开关管模块sk的损耗，k＝1,2，s1和s2分别表示全桥子模块左半桥的上开关管模块和下开关管模块；
[0014]
全桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
fbsm
为：
[0015][0016]
其中，f表示桥臂内所包含的全桥子模块数量。
[0017]
具体的，步骤s2中，以步骤s1所得出的半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
或全桥子模块的平均子模块损耗差异δp
fbsm
作为pi控制器的输入，得到的输出为子模块调节区间阈值调节量δi
arm,limit
，则可计算子模块调节区间阈值i
arm,limit
并得到投切子模块的调整区间。
[0018]
进一步的，子模块调节区间阈值i
arm,limit
为：
[0019][0020]
其中，i
arm,min
表示桥臂电流的最小值。
[0021]
更进一步的，投切子模块调整区间内的桥臂电压和电流需满足以下条件：
[0022][0023]
其中，i
arm
和v
arm
分别表示桥臂电流和桥臂电压。
[0024]
具体的，步骤s3具体为：
[0025]
s301、根据调制环节输出信号计算当前时刻所需的投入子模块数量n；
[0026]
s302、根据当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量n
pre
，确定子模块投切数变化量δn；
[0027]
s303、当子模块投切数变化量δn不等于0时，根据桥臂电流和桥臂电压的符号、子模块投切数变化量以及是否在子模块调整区间内，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号。
[0028]
进一步的，步骤s302中，判断当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量n
pre
符合是否相同，当(n*n
pre
)≥0时：
[0029]
δn＝n-n
pre
[0030]
当(n*n
pre
)《0时，将所有子模块切换至旁路状态：
[0031]
δn＝n。
[0032]
进一步的，步骤s303中，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号具体如下：
[0033]
当n》0和δn》0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态；
[0034]
当n》0和δn《0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态；
[0035]
当n《0和δn》0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态
[0036]
当n《0和δn《0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态。
[0037]
更进一步的，当n》0和δn》0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态：
[0038]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最低的旁路子模块切换为正投入状态；
[0039]
若桥臂电流i
arm
》i
arm,limit
且i
arm
≤0，则将δn个电压最高的旁路子模块切换为正投入状态；
[0040]
若桥臂电流i
arm
≤i
arm,limit
，则选取电压最高的旁路半桥子模块切换至正投入状态，若旁路半桥子模块数量nh小于δn，则再将(δn-nh)个电压最高旁路全桥子模块切换至正投入状态；
[0041]
当n》0和δn《0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态：
[0042]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最高的正投入子模块切换为旁路状态；
[0043]
若桥臂电流i
arm
》i
arm,limit
且i
arm
≤0，则将δn个电压最低的正投入子模块切换为旁路状态；
[0044]
若桥臂电流i
arm
≤i
arm,limit
，则选取电压最低的正投入全桥子模块切换至旁路状态，若正投入全桥子模块数量nf小于δn，则再将(δn-nf)个电压最低的正投入半桥子模块切换至旁路状态；
[0045]
当n《0和δn》0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态：
[0046]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最低的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；
[0047]
若桥臂电流i
arm
≤0，则将δn个电压最高的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；
[0048]
当n《0和δn《0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态：
[0049]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最高的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态；
[0050]
若桥臂电流i
arm
≤0，则将δn个电压最低的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态。
[0051]
第二方面，本发明实施例提供了一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化系统，包括：
[0052]
计算模块，计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；
[0053]
调整模块，根据计算模块得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；
[0054]
优化模块，在调整模块确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
[0055]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0056]
一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，和基于环流注入的优化控制方法相比，不会增加子模块总损耗，对变换器的负面影响更小；和同模块内器件的非对称选型相比，无需增加变换器的建设成本，且可根据子模块内损耗差异情况，确定投切子模块的调节区间，实现对子模块损耗分布的精准调节，对变换器的建设成本的负面影响更小，且具有更高的工况适应性；和基于电压调制波拉伸的优化控制方法相比，可以同时改善半桥子模块和全桥子模块的损耗分布，且在电压调制比较高的运行工况(如电压调制比为0.8)仍可改善半桥全子模块的损耗分布，具有更好的优化效果和更广的适用范围。
[0057]
进一步的，半桥子模块和全桥子模块由于拓扑差异，不同工作状态下电流的流通路径不同，所导致的损耗分布问题也有所不同。当混合型mmc工作在逆变器工作模式时，半桥子模块的损耗主要集中在下开关管模块，而下开关管模块是半桥子模块处于旁路状态时电流的流通路径。全桥子模块的工作状态与半桥子模块不同，旁路状态的全桥子模块存在两种电流流通路径，即流经模块内左半桥和右半桥中的上开关模块或者左半桥和右半桥中的下开关模块。为改善全桥子模块的损耗分布特性，通常采用对称调制方法，即让全桥子模块的两种旁路状态在每周期内的工作时间相等。对称调制方法下，全桥子模块的左半桥和右半桥内的损耗分布相互对称，即左半桥上开关模块损耗等于右半桥下开关模块，左半桥下开关模块损耗等于右半桥上开关模块。且全桥子模块损耗分布主要集中在正投入状态的流通路径，即右半桥下开关模块和左半桥的上开关管模块。定义子模块级平均损耗差异为桥臂内同类型模块中的损耗较少开关管模块与损耗集中开关管模块的平均损耗差异，并且考虑到全桥子模块左右半桥损耗分布的对称性，因此半桥子模块和全桥子模块内的平均子模块级损耗差异的计算公式有所差异。
[0058]
进一步的，半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
或全桥子模块的平均子模块损耗差异δp
fbsm
的数值越小表明，为改善半桥和全桥子模块内的损耗分布，需要更多地增加半桥子模块的正投入状态工作时间和全桥子模块的旁路状态工作时间。以δp
hbsm
或δp
fbsm
作为控制器的输入，其数值越小，则对应得到的子模块调节区间阈值调节量δi
arm,limit
数值也越小，然后得到的子模块调节区间阈值i
arm,limit
则越大，因而在更大的区间内改变半桥和全桥子模块的投切优先度，实现了对子模块内损耗分布的精准调节。pi控制器具有稳态精度高、鲁棒性强、设计简单、响应速度快等优点，因此采用其作为子模块调节区间阈值
的控制器可以提高对子模块级损耗分布的控制性能。
[0059]
进一步的，子模块调节区间阈值i
arm,limit
决定了投切子模块调整区间的范围。半桥子模块的拓扑结构决定了其只能工作在正投入状态或旁路状态，无法输出负电压。因此，半桥子模块在放电区间内对应的桥臂电流为负值。半桥和全桥子模块的电容电压均衡是混合型mmc稳定运行的重要前提。由于子模块电容电压的波动趋势与子模块电容能量的累积趋势基本一致，所以通常通过子模块能量变化过程来分析子模块电容电压的变化情况，子模块电容每周期内吸收的能量为0则对应于电容电压均衡。下面以混合型mmc的a相上桥臂为例分析桥臂的能量波动特征，流入该桥臂的瞬时功率和能量可以通过以下方程计算得到：
[0060][0061][0062]
其中，p
ap
和δe
ap
分别表示流入a相上桥臂的瞬时功率和能量，i
ap
和v
ap
分别表示a相上桥臂的电流和电压，im为交流端口电流峰值，v
dc
为直流端口电压，为功率因数角，ω为交流侧电压电流的角频率。
[0063]
从上述方程可得，桥臂在每周期内吸收的能量为0。因此，当混合型mmc内的半桥子模块电容电压均衡时，全桥子模块电容电压也自动均衡。因此，可以通过调节半桥子模块在其放电区间内的投切优先度，增加其处在正投入状态的工作时间并且不影响子模块电容电压的均衡。但是当混合型mmc工作在电压调制度过大等特殊工况时，模块内的损耗分布不均衡性较高，可能导致计算得到的i
arm,limit
大于0，即投切子模块调整区间内包含了半桥子模块的充电区间。充电区间的引入会导致半桥子模块的电容能量波动被过度干涉而出现电容电压失衡的问题，因而需要限制i
arm,limit
的值不大于0。
[0064]
进一步的，混合型mmc内部的半桥和全桥子模块具有不同的工作状态，即只有全桥子模块可以工作在负投入工作状态。当桥臂电压小于0时，半桥子模块都处在旁路状态，无法进行子模块投切优先度的调节。因此，投切子模块调整区间内的桥臂电压需要大于等于0。此外，通过设置投切子模块调整区间是桥臂电流小于子模块调节区间阈值i
arm,limit
的区间，实现了根据半桥全桥子模块内的分布情况确定投切子模块调节区间的大小，进而完成对子模块损耗分布的精准调节。
[0065]
进一步的，引入子模块投切数变化量δn来改变子模块的工作状态，可以避免传统电容电压均衡算法因为在每个开关周期内频繁投切子模块而导致的开关损耗过大问题。
[0066]
进一步的，由于半桥子模块无法工作在负投入状态，所以当输出电压小于0时，只能对全桥子模块进行投切。因此当输出电压的正负号变化时，需要首先旁路所有子模块，再根据子模块投切数变化量δn改变特定子模块的投切状态。
[0067]
进一步的，不同工作状态和桥臂电流下，子模块的电容处于不同的充放电状态。若子模块电容一直处在充电或放电状态，会导致子模块电容电压过大或过小，进而影响整个mmc的正常工作。因而需要在投切子模块之前，对电容电压进行排序，在充电阶段，优先投入电容电压最小的子模块和优先旁路电容电压最大的子模块；在放电阶段，优先投入电容电
压最大的子模块和优先旁路电容电压最小的子模块。
[0068]
进一步的，在投切子模块调整区间外，仅考虑子模块电容电压排序和电容充放电状态对子模块进行投切，可以起到维持电容电压均衡的作用。在投切子模块调整区间内，对半桥和全桥子模块分别进行排序，投切半桥或者全桥子模块时，也考虑半桥或全桥子模块电容电压排序和电容充放电状态对该类型子模块进行投切，这样可以既起到改变半桥子模块处于正投入状态的工作时间，又起到维持电容电压均衡的作用。
[0069]
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
[0070]
综上所述，本发明可以在不增加子模块总损耗和变换器建设成本的前提之下，同时优化混合型mmc内半桥和全桥子模块内的损耗分布。同时，根据半桥和全桥子模块内的损耗分布差异确定投切子模块调整区间和pi控制器的引入，使得本发明可以在多种工况下实现对子模块损耗分布的精准和快速调节。此外，改进的电容电压均衡算法根据投切子模块变化量来改变子模块的工作状态，可以避免造成过大的开关损耗。并且，改进的电容电压均衡算法在投切子模块时综合考虑了子模块电容电压排序情况、电容电压充放电状态以及子模块类型，因而可以在保证电容电压均衡的前提下改善子模块内损耗分布。
[0071]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0072]
图1为混合型模块化多电平拓扑结构图；
[0073]
图2为基于子模块输出状态调整的损耗转移示意图；
[0074]
图3为调整前后半全桥子模块输出状态对比图；
[0075]
图4为投切子模块调整区间示意图；
[0076]
图5为子模块调节区间阈值的控制框图；
[0077]
图6为改进电容电压均衡算法的流程图；
[0078]
图7为不同电压调制度、半全桥子模块数量比例以及优化方法下的半桥子模块损耗均衡度对比图；
[0079]
图8为不同电压调制度、半全桥子模块数量比例以及优化方法下的全桥子模块损耗均衡度对比图。
具体实施方式
[0080]
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0081]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0082]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下
文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0083]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本发明中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0084]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
[0085]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0086]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0087]
本发明提供了一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，首先计算桥臂内半桥子模块(harf-bridge submodule,hbsm)和全桥子模块(full-bridge submodule,fbsm)的平均子模块级损耗差异；然后根据子模块级损耗差异，确定投切子模块的调整区间；最后通过改进的电容电压均衡算法得到变换器内各个自建的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。本发明通过在特定区间内修改子模块投切选择的判断标准，调整半桥子模块和全桥子模块不同输出状态的工作时间，进而实现损耗集中器件的损耗转移。
[0088]
本发明一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，包括以下步骤：
[0089]
s1、计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；
[0090]
考虑到半桥子模块和全桥子模块内功率管与其反并联二极管通常封装在同模块内，两者存在强烈的热耦合，将功率管与其反并联二极管统称为开关管模块，将它们的损耗看作一个整体；考虑到模块化多电平变换器子模块内器件的导通损耗远大于开关损耗，因此开关损耗差异可忽略不计，子模块的损耗均衡目标可简化为使同一子模块内不同开关管之间的导通损耗相等。
[0091]
考虑到，采取对称调制后，即让全桥子模块的两种零电平输出状态的工作时间相等，全桥子模块左半桥和右半桥的损耗分布对称，因此可仅计算全桥子模块左半桥的损耗分布差异。
[0092]
半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
为：
[0093]
[0094]
其中，h表示桥臂内所包含的半桥子模块数量，表示第i个半桥子模块内开关管模块sk的损耗，k＝1,2，s1和s2分别表示半桥子模块的上开关管模块和下开关管模块。
[0095]
半桥子模块的上开关模块和下开关管模块的导通损耗分别通过下式计算：
[0096][0097][0098]
其中，下标t和d分别表示功率管和反并联二极管。
[0099]
半桥子模块中开关管模块内功率管和反并联二极管的导通损耗可分别通过下式计算：
[0100][0101][0102]
其中，[α1,α2]和[b1,b2]分别对应桥臂电流方向和功率管tx、反并联二极管dx相同时的区间；s
sx
(ωt)表示器件tx或dx所属开关管模块对应的开关函数，其值为1时表示该器件所处于的开关管模块处于投入状态，其值为0时表示该器件所处于的开关管模块处于旁路状态；u
t0
和u
d0
分别为功率管和反并联二极管的通态零电流压降；r
t
和rd分别为功率管和反并联二极管的通态电阻。
[0103]
全桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
fbsm
为：
[0104][0105]
其中，f表示桥臂内所包含的全桥子模块数量。
[0106]
全桥子模块左半桥的上开关模块和下开关管模块的导通损耗分别通过下式计算：
[0107][0108][0109]
其中，下标t和d分别表示功率管和反并联二极管。
[0110]
全桥子模块中开关管模块内功率管和反并联二极管的导通损耗分别通过下式计算：
[0111][0112][0113]
其中，[α1,α2]和[b1,b2]分别对应桥臂电流方向和功率管tx、反并联二极管dx相同时的区间；s
sx
(ωt)表示器件tx或dx所属开关管模块对应的开关函数，其值为1时表示该器件所处于的开关管模块处于投入状态，其值为0时表示该器件所处于的开关管模块处于旁路状态；u
t0
和u
d0
分别为功率管和反并联二极管的通态零电流压降；r
t
和rd分别为功率管和反并联二极管的通态电阻。
[0114]
s2、根据步骤s1得到的损耗差异，确定投切子模块的调整区间；
[0115]
以步骤s1所得出的半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
或全桥子模块的平均子模块损耗差异δp
fbsm
作为pi控制器的输入，得到的输出为子模块调节区间阈值调节量δi
arm,limit
，则可计算子模块调节区间阈值i
arm,limit
并得到投切子模块的调整区间。
[0116]
子模块调节区间阈值i
arm,limit
为：
[0117][0118]
其中，i
arm,min
表示桥臂电流的最小值。
[0119]
投切子模块调整区间内的桥臂电压和电流需满足以下条件：
[0120][0121]
其中，i
arm
和v
arm
分别表示桥臂电流和桥臂电压。
[0122]
s3、采用改进的电容电压均衡方法，在步骤s2确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，则根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡算法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
[0123]
s301、根据调制环节输出信号计算当前时刻所需的投入子模块数量n；
[0124]
s302、根据当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量n
pre
，确定子模块投切数变化量δn；
[0125]
首先判断当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量n
pre
符合是否相同，当(n*n
pre
)≥0时：
[0126]
δn＝n-n
pre
[0127]
当(n*n
pre
)《0时，则首先将所有子模块切换至旁路状态：
[0128]
δn＝n。
[0129]
s303、当子模块投切数变化量δn不等于0时，根据桥臂电流和桥臂电压的符号、子模块投切数变化量以及是否在子模块调整区间内，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号。
[0130]
在子模块调整区间内外根据不同标准选出δn需要调整输出状态的子模块。
[0131]
当n》0和δn》0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态：
[0132]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最低的旁路子模块切换为正投入状态；
[0133]
若桥臂电流i
arm
≤i
arm,limit
，则首先选取电压最高的旁路半桥子模块切换至正投入状态，若旁路半桥子模块数量nh小于δn，则再将(δn-nh)个电压最高旁路全桥子模块切换至正投入状态；
[0134]
若桥臂电流i
arm
》i
arm,limit
且i
arm
≤0，则将δn个电压最高的旁路子模块切换为正投入状态。
[0135]
当n》0和δn《0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态：
[0136]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最高的正投入子模块切换为旁路状态；
[0137]
若桥臂电流i
arm
≤i
arm,limit
，则首先选取电压最低的正投入全桥子模块切换至旁路状态，若正投入全桥子模块数量nf小于δn，则再将(δn-nf)个电压最低的正投入半桥子模块切换至旁路状态；
[0138]
若桥臂电流i
arm
》i
arm,limit
且i
arm
≤0，则将δn个电压最低的正投入子模块切换为旁路状态。
[0139]
进一步的，当n《0和δn》0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态：
[0140]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最低的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；
[0141]
若桥臂电流i
arm
≤0，则将δn个电压最高的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态。
[0142]
进一步的，当n《0和δn《0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态：
[0143]
若桥臂电流i
arm
》0，则将δn个电压最高的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态；
[0144]
若桥臂电流i
arm
≤0，则将δn个电压最低的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态。
[0145]
本发明再一个实施例中，提供一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化系统，该系统能够用于实现上述混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，具体的，该混合型模块化多电平变换器损耗分布优化系统包括计算模块、调整模块以及优化模块。
[0146]
其中，计算模块，计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；
[0147]
调整模块，根据计算模块得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；
[0148]
优化模块，在调整模块确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
[0149]
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法的操作，包括：
[0150]
计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；根据平均子模块
级损耗差异确定投切子模块的调整区间；在确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
[0151]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0152]
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
[0153]
计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；根据平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；在确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。
[0154]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0155]
通过一个混合型mmc逆变器具体实施例，针对不同电压调制度运行工况和半桥子模块与全桥子模块数量配比的混合型mmc采取子模块级损耗优化控制，从而实现子模块级损耗优化。该混合型mmc逆变器的基本电路参数如表1所示。每桥臂内包含的半桥子模块数量为h，全桥子模块数量为f。
[0156]
表1混合型mmc逆变器基本电路参数
[0157][0158]
请参阅图2的基于子模块输出状态调整的损耗转移图，从图中可得到混合型mmc逆变器工况下，半桥子模块和全桥子模块损耗集中开关管分别为旁路状态和正投入状态桥臂电流所流经的开关管模块。因而为优化半桥子模块和全桥子模块的损耗分布，需要将半桥子模块从旁路状态切换至正投入状态，将全桥子模块从正投入状态切换至旁路状态。
[0159]
请参阅图3的调整前后半全桥子模块输出状态对比图，从图中可看出，开启优化控制后，投切子模块调整区间内处于正投入状态的半桥子模块数量增多，而处于旁路状态的全桥子模块数量增多，实现了期望的损耗转移。
[0160]
请参阅图4，其说明了投切子模块调整区间的确定原则，在桥臂电压大于0和桥臂电流小于0的区间内，引入了i
arm,limit
实现对投切子模块调整量的精确控制，i
arm,limit
越大则表示控制器工作区间越大，对应的损耗调整量也越大。参照图5和图6的子模块调节区间阈值的控制框图和改进电容电压均衡算法的流程图，可分别得到投切子模块的调整区间并实现子模块损耗的优化控制。
[0161]
为更好比较子模块内部损耗分布的均衡度，引入子模块损耗均衡度b
loss
定义如下所示：
[0162][0163]
其中，ns为子模块内部所包含的开关管数量，对于半桥子模块ns＝2，而对于全桥子模块ns＝4。
[0164]
子模块的损耗均衡度b
loss
等于0反映了子模块内部各开关管损耗等于子模块损耗的平均值，即实现了子模块内部损耗的均衡分布。子模块的损耗均衡度b
loss
越小则反映了子模块内部损耗分布的均衡度越高。
[0165]
请参阅图7，表示不同电压调制度和半全桥子模块数量比例下，传统控制方法、调制波拉伸法和本发明所提出的优化控制方法所得到半桥子模块的损耗均衡度b
loss
分布图。从图中可以看出，采取调制波拉伸优化和本发明提出的优化控制方法后，半桥子模块的损耗均衡度都有所上升。但是在电压调制度大于0.6的场合，本发明提出的优化控制方法具有更好的改善效果。
[0166]
请参阅图8，表示不同电压调制度和半全桥子模块数量比例下，传统控制方法、调制波拉伸法和本发明所提出的优化控制方法所得到全桥子模块的损耗均衡度b
loss
分布图。采取调制波拉伸优化会造成全桥子模块的损耗均衡度的下降，不利于变换器损耗分布的优化。但是本发明提出的优化控制方法可提高全桥子模块的损耗均衡度，且在半桥子模块比例较高的场合优化效果更加明显。
[0167]
综上所述，本发明一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统，通过调整半桥和全桥子模块不同输出模式的分配，实现半桥子模块和全桥子模块损耗分布的同时优化。本发明所提出的基于改进电容电压均衡的混合型模块化多电平变换器损耗优化控制方法，相比于其他优化控制方法，不会造成子模块总损耗和变换器建设成本的增加，且可实现对子模块损耗分布的精准调节，具有更好的工况适应性和优化效果。
[0168]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0169]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0170]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0171]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0172]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目
的。
[0173]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0174]
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random access memory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
[0175]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0176]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0177]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0178]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；s2、根据步骤s1得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；s3、在步骤s2确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。2.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤s1中，半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
为：其中，h表示桥臂内所包含的半桥子模块数量，表示第i个半桥子模块内开关管模块s
k
的损耗，k＝1,2，s1和s2分别表示半桥子模块的上开关管模块和下开关管模块；全桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
fbsm
为：其中，f表示桥臂内所包含的全桥子模块数量。3.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤s2中，以步骤s1所得出的半桥子模块的平均子模块级损耗差异δp
hbsm
或全桥子模块的平均子模块损耗差异δp
fbsm
作为pi控制器的输入，得到的输出为子模块调节区间阈值调节量δi
arm,limit
，则可计算子模块调节区间阈值i
arm,limit
并得到投切子模块的调整区间。4.根据权利要求3所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，子模块调节区间阈值i
arm,limit
为：其中，i
arm,min
表示桥臂电流的最小值。5.根据权利要求4所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，投切子模块调整区间内的桥臂电压和电流需满足以下条件：其中，i
arm
和v
arm
分别表示桥臂电流和桥臂电压。6.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤s3具体为：s301、根据调制环节输出信号计算当前时刻所需的投入子模块数量n；s302、根据当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量n
pre
，确定子模块投切数变化量δn；s303、当子模块投切数变化量δn不等于0时，根据桥臂电流和桥臂电压的符号、子模块
投切数变化量以及是否在子模块调整区间内，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号。7.根据权利要求6所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤s302中，判断当前时刻所需投入的子模块数量n和前一时刻所需投入的子模块数量n
pre
符合是否相同，当(n*n
pre
)≥0时：δn＝n-n
pre
当(n*n
pre
)<0时，将所有子模块切换至旁路状态：δn＝n。8.根据权利要求6所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，步骤s303中，改变对应子模块的具体工作状态和各个器件的触发信号具体如下：当n>0和δn>0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态；当n>0和δn<0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态；当n<0和δn>0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态当n<0和δn<0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态。9.根据权利要求8所述的混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法，其特征在于，当n>0和δn>0时根据以下标准选择出δn个旁路子模块，将其切换至正投入工作状态：若桥臂电流i
arm
>0，则将δn个电压最低的旁路子模块切换为正投入状态；若桥臂电流i
arm
>i
arm,limit
且i
arm
≤0，则将δn个电压最高的旁路子模块切换为正投入状态；若桥臂电流i
arm
≤i
arm,limit
，则选取电压最高的旁路半桥子模块切换至正投入状态，若旁路半桥子模块数量n
h
小于δn，则再将(δn-n
h
)个电压最高旁路全桥子模块切换至正投入状态；当n>0和δn<0时根据以下标准选择出δn个正投入子模块，将其切换至旁路工作状态：若桥臂电流i
arm
>0，则将δn个电压最高的正投入子模块切换为旁路状态；若桥臂电流i
arm
>i
arm,limit
且i
arm
≤0，则将δn个电压最低的正投入子模块切换为旁路状态；若桥臂电流i
arm
≤i
arm,limit
，则选取电压最低的正投入全桥子模块切换至旁路状态，若正投入全桥子模块数量n
f
小于δn，则再将(δn-n
f
)个电压最低的正投入半桥子模块切换至旁路状态；当n<0和δn>0时根据以下标准选择出δn个负投入全桥子模块，将其切换至旁路工作状态：若桥臂电流i
arm
>0，则将δn个电压最低的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；若桥臂电流i
arm
≤0，则将δn个电压最高的负投入状态全桥子模块切换为旁路状态；当n<0和δn<0时根据以下标准选择出δn个旁路全桥子模块，将其切换至负投入工作状态：若桥臂电流i
arm
>0，则将δn个电压最高的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态；若桥臂电流i
arm
≤0，则将δn个电压最低的旁路状态全桥子模块切换为负投入状态。
10.一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化系统，其特征在于，包括：计算模块，计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；调整模块，根据计算模块得到的平均子模块级损耗差异确定投切子模块的调整区间；优化模块，在调整模块确定的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。

技术总结
本发明公开了一种混合型模块化多电平变换器损耗分布优化方法及系统，计算桥臂内半桥子模块和全桥子模块的平均子模块级损耗差异；根据子模块损耗差异确定投切子模块的调整区间；在确定的投切子模块的调整区间内，修改调整半桥子模块和全桥子模块投切选择的优先度，优先投入半桥子模块和优先切除全桥子模块；在调整区间外，则根据电容电压排序和电容充放电情况确定各个子模块的投切，通过改进的电容电压均衡方法得到变换器内各个器件的触发信号，实现模块化多电平变换器子模块级损耗分布的优化。本发明不会造成子模块总损耗和变换器建设成本的增加，且可实现对子模块损耗分布的精准调节，具有更好的工况适应性和优化效果。具有更好的工况适应性和优化效果。具有更好的工况适应性和优化效果。


技术研发人员：王丰 夏镔冰 卓放 杨道远 勾雅婷 田嘉琛
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/10/7