CN101860203A - 模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法 - Google Patents

模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法。通过设定电压上、下限，将均压控制的重点放在电容电压越限的子模块上，结合桥臂电流充放电情况对电容电压未越限的子模块的电容电压排序进行处理，增大电容电压未越限的子模块在触发控制下一次动作时保持原来投切状态的概率，降低器件的开关频率。又使用了子模块电容电压排序和触发控制的分频率工作，使均压控制的引入不降低触发控制的工作频率和换流器的跟踪速度。本发明的优化均压控制方法可以在不明显增加子模块电容电压波动的前提下，显著降低器件的开关频率。

Description

模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法
技术领域
本发明涉及多电平换流器电容均压控制的技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法。
背景技术
模块化多电平换流器是一种较新的多电平电压源换流器，其结构如图1所示。基于模块化设计和制造，该换流器可以达到很高的电平数，适合用于高压大功率的直流输电领域。
模块化多电平换流器的子模块电容彼此独立。各子模块充放电、损耗和电容值等的差异会使其电容电压出现不均衡，危害换流器的正常运行。子模块电容被接入桥臂时，称子模块被投入；反之，称子模块被切除。电流正方向如图1所示，若桥臂电流为正，处于投入状态的子模块的电容被放电；反之，处于投入状态的子模块的电容被充电。考虑到每个电平对应的子模块开关状态组合存在冗余，传统的子模块电容均压控制方法为：(1)快速监测子模块电容电压值并进行排序；(2)监测各桥臂电流方向，判定其对桥臂子模块的充放电情况；(3)在触发控制动作时，如果桥臂电流使子模块充电，则按照电容电压由低到高的顺序投入相应数量的子模块；如果桥臂电流使子模块放电，则按照相反的顺序投入相应数量的子模块。但是传统方法存在较大问题：
首先，没有考虑子模块的初始投切状态，每个电平变化时刻，子模块投切的随意性很大，可能有大量子模块的投切状态需要改变。若相单元中有子模块被切除，则必须同时投入相同数量的子模块以维持总直流电压恒定。由于电力电子器件的开关特性存在差异以及死区时间的引入，不同子模块的投入和切除不可能完全同时，这会造成总直流电压波动。投切状态需要改变的子模块越多，则总直流电压的波动越剧烈。
其次，子模块的投切频率太高，使电力电子器件的开关频率和开关损耗较大，降低了模块化多电平换流器型直流输电系统的效率。
再次，由于模块化多电平换流器型直流输电系统的桥臂子模块数很多，对子模块电容电压的监测和排序需要占用较多的时间，这会在触发控制中引入较大的延迟，降低换流器跟踪调制波的速度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法。
模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法是：触发控制使用高的工作频率，子模块电容电压排序使用低的工作频率。设定电压上、下限，结合桥臂电流充放电情况对电容电压未越限的子模块的电容电压排序进行处理，增大电容电压未越限的子模块在触发控制下一次动作时保持原来投切状态的概率，降低器件的开关频率，具体处理如下：
如果桥臂电流使子模块充电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏低的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压下限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率；
如果桥臂电流使子模块放电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏高的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压上限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率。
本发明与现有技术相比具有的有益效果是：简单高效地实现大量子模块电容电压的均衡。通过设定电压上、下限，将均压控制的重点放在电容电压越限的子模块上，而对电容电压未越限的子模块引入保持因子使其在一定程度上具有保持原来投切状态的能力。实现了在不明显增加子模块电容电压波动的前提下，显著降低子模块的投切频率和电力电子器件的开关频率。又使用了子模块电容电压排序和触发控制的分频率工作，使均压控制的引入不降低触发控制的工作频率和换流器的跟踪速度。
附图说明
图1为MMC拓扑结构图；
图2为电容电压优化均压控制结构图；
图3为MMC型直流输电系统结构图；
图4为模式1下的一子模块电容电压仿真波形图；
图5为模式2下的一子模块电容电压仿真波形图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例详细描述本发明的具体实施方式，但本发明不受所述具体实施例所限。
模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法是：触发控制使用高的工作频率，子模块电容电压排序使用低的工作频率。设定电压上、下限，结合桥臂电流充放电情况对电容电压未越限的子模块的电容电压排序进行处理，增大电容电压未越限的子模块在触发控制下一次动作时保持原来投切状态的概率，降低器件的开关频率，具体处理如下：
如果桥臂电流使子模块充电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏低的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压下限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率；
如果桥臂电流使子模块放电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏高的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压上限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率。
实施例
模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法是：设定两组电压上、下限，模式1的电容电压上、下限分别为21V和19V，而模式2的电容电压上、下限分别为22V和18V。结合桥臂电流充放电情况对电容电压未越限的子模块的电容电压排序进行处理，增大电容电压未越限的子模块在触发控制下一次动作时保持原来投切状态的概率，降低器件的开关频率，具体处理如下：
如果桥臂电流使子模块充电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏低的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，每种模式下保持因子取值为1，1.01，1.02，1.03，1.04，1.05，1.06，保持因子为1时，就是传统的电容均压控制方法。通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压下限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率；
如果桥臂电流使子模块放电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏高的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，每种模式下保持因子取值为1，1.01，1.02，1.03，1.04，1.05，1.06，保持因子为1时，就是传统的电容均压控制方法。通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压上限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率。
双频率控制结构的引入增加了控制系统的灵活性，通过调节保持因子可以方便地改善系统性能(见图2)。
在PSCAD/EMTDC仿真软件中搭建了如图3所示的两端MMC型直流输电系统。两端交流系统用理想电压源和感性的系统阻抗来模拟。换流器共有六个桥臂，每个桥臂使用20个子模块串联而成。子模块电容值为3000微法，整流侧和逆变侧的换流电抗电感值分别为0.06亨和0.04亨。整流侧直流电压指令值为400千伏，子模块电容电压额定值为20千伏，无功功率指令值为0；逆变侧有功功率指令值为800MW，无功功率指令值为100Mvar。触发控制的频率设为8000Hz，电容电压排序的频率设为4000Hz。
以整流侧a相上桥臂为研究对象，表1给出了在模式1和模式2下的器件平均开关频率f以及子模块电容电压正向和负向波动最大值pos和neg随着保持因子的增大而变化的仿真结果。基本趋势是随着保持因子的增大，子模块保持原来投切状态的能力越强，器件的平均开关频率越低，而电容电压的波动越大。图4和图5分别是整流侧a相上桥臂一个子模块在模式1和模式2下的电容电压波动的仿真波形，每种模式下保持因子取值为1，1.02，1.04。可见，只要保持因子取值恰当，优化均压控制方法可以在不明显增加电容电压波动的前提下，显著降低器件的开关频率。
表1不同保持因子下的器件平均开关频率和电容电压波动幅值
Figure GSA00000139166200041

Claims (1)

1.一种模块化多电平换流器型直流输电系统的优化均压控制方法，其特征在于触发控制使用高的工作频率，子模块电容电压排序使用低的工作频率。设定电压上、下限，结合桥臂电流充放电情况对电容电压未越限的子模块的电容电压排序进行处理，增大电容电压未越限的子模块在触发控制下一次动作时保持原来投切状态的概率，降低器件的开关频率，具体处理如下：
如果桥臂电流使子模块充电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏低的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压下限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压下限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率；
如果桥臂电流使子模块放电，触发控制下一次动作时倾向于投入电容电压偏高的子模块，将处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块的电容电压乘以一个大于1的保持因子后再排序，通过抬高电压增大了处于切除状态且电容电压高于电压上限的子模块和处于投入状态的子模块在触发控制下一次动作时被投入的概率，同时也相应地增大了处于切除状态且电容电压低于电压上限的子模块在触发控制下一次动作时保持切除状态的概率。
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