CN102820671A - 模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，属于直流输电技术领域。首先设交流电网的线电压有效值，根据输电线路传输容量，确定模块化多电平换流器的直流侧额定电压，并根据模块化多电平换流器所用的开关器件确定模块化多电平换流器中各子模块的额定电压；根据直流侧额定电压和子模块额定电压，计算换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和；最后根据子模块额定电压、交流电网的线电压有效值以及子模块投入数量之和，计算得到模块化多电平换流器中各桥臂的子模块级联数量。本发明方法通过减小子模块数量降低换流器的成本，也可以避免交流变压器带来的占地和成本问题。

Description

模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法

技术领域

本发明涉及一种模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，尤其是涉及柔性直流输电系统中直流线路电压和交流电网电压不匹配时的模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，属于直流输电技术领域。

背景技术

出于可持续发展需要，利用以太阳能、风能等可再生能源发电已成为未来电力系统的发展方向。这些发电方式具有远离主电网、随时间波动较大等特点。柔性直流输电系统基于电压源换流器（VSC）和脉冲宽度调制技术（PWM）将直流电压逆变为幅值和相位都可控的交流电压，并可以独立快速控制所传输的有功功率和无功功率，极大地增强了输电的灵活性，成为实现可再生能源发电与主电网之间的稳定联结的最有潜质的电力传输方式。由于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）具有公共直流端，且有易拓展、有功无功可解耦控制、谐波特性优秀、开关器件损耗小等特点，十分适用于柔性直流输电系统。

模块化多电平换流器每相由上下两个桥臂构成，三相共包含6个相同的桥臂，在每个桥臂中含有N个级联的相同的子模块。已有的计算模块化多电平换流器桥臂中子模数量的方法通常只考虑模块化多电平换流器直流侧额定电压U_d和子模块额定电压U_c之间的关系，并不考虑换流器交流侧电压的大小。例如如果K=U_d/U_c，采用现有方法计算时模块化多电平换流器桥臂中的子模块级联数量N通常被设计为N＝K。柔性直流输电系统的直流电压通常根据所传输的容量和直流电缆水平确定。换流器的直流侧额定电压可能会与交流电网电压不匹配。如果将模块化多电平换流器直接接入交流电网，模块化多电平换流器将工作在较低调制比的运行工况下。在模块化多电平换流器运行于调制比较低的情况时，这N个子模块并不会得到充分利用，使模块化多电平换流器桥臂中子模块利用率较低，造成成本的升高。现有方法的解决方法是在电压等级较低的交流电网侧接入一个升压变压器，将交流电压升至能与直流电压相匹配的等级。但是这种方案中变压器带来较大的占地需求和成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，在计算桥臂中子模块数量时，既考虑模块化多电平换流器的直流侧额定电压的因素，也考虑交流电网的线电压大小的因素，以降低设备成本。

本发明提出的模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，包括以下步骤：

（1）设交流电网的线电压有效值为U_ac，根据输电线路传输容量，确定模块化多电平换流器的直流侧额定电压为U_d，并根据模块化多电平换流器所用的开关器件确定模块化多电平换流器中各子模块的额定电压为U_c；

（2）根据上述直流侧额定电压U_d和子模块额定电压U_c，计算模块化多电平换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和为K：K＝U_d/U_c；

（3）根据上述子模块额定电压U_c、交流电网的线电压有效值U_ac以及上述步骤（2）得到的子模块投入数量之和K，计算得到模块化多电平换流器中各桥臂的子模块级联数量N， $N=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{3}{U}_c}+\frac{K}{2}.$

本发明提出的模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，可以在交流电网电压相对于模块化多电平换流器的直流侧额定电压较低时，使换流器直接接入较低电压等级交流电网，并减小模块化多电平换流器桥臂中子模块数量。这样一方面可以通过减小子模块数量降低换流器的成本，另一方面也可以避免交流变压器带来的占地和成本问题。

附图说明

图1是模块化多电平换流器的结构示意图。

图2是利用本发明方法设计的模块化多电平换流器的使用状态图。

具体实施方式

本发明提出的模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，包括以下步骤：

（1）设交流电网的线电压有效值为U_ac，根据输电线路传输容量，确定模块化多电平换流器的直流侧额定电压为U_d，并根据模块化多电平换流器所用的开关器件确定模块化多电平换流器中各子模块的额定电压为U_c；

（2）根据上述直流侧额定电压U_d和子模块额定电压U_c，计算模块化多电平换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和为K：K＝U_d/U_c；

（3）根据上述子模块额定电压U_c、交流电网的线电压有效值U_ac以及上述步骤（2）得到的子模块投入数量之和K，计算得到模块化多电平换流器中各桥臂的子模块级联数量N， $N=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{3}{U}_c}+\frac{K}{2}.$

以下结合附图详细说明本发明内容。

附图1是模块化多电平换流器的结构示意图。模块化多电平换流器的是由6个桥臂组成，每相包括上下两个桥臂，每个桥臂由N个子模块顺序级联构成，子模块额定电压为U_c。对于桥臂中的某个子模块，如果这个子模块端口输出电压为U_c，这个子模块为投入状态。如果这个子模块端口输出电压为0，这个子模块为退出状态。定义上桥臂子模块投入数量为S_p，表示上桥臂中处于投入状态的子模块数量。定义下桥臂子模块投入数量为S_n，表示下桥臂中处于投入状态的子模块数量。上下桥臂所有子模块的输出电压之和等于换流器直流侧额定电压，即：

U_d=(S_p+S_n)U_c    （1）

所以为了维持直流电压的恒定，通常将模块化多电平换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和控制为一个固定常数，即：

(S_p+S_n)=K    （2）

其中K由直流侧额定电压和子模块额定直流电压确定，即：

$K=\frac{U_d}{U_c}---\left(3\right)$

以上关系也决定了桥臂中子模块数量N的计算方式。现有方法是将N直接设计为N＝K。本发明提出桥臂中子模块数量N设计为小于K时模块化多电平换流器仍能够正常运行。从式(2)的角度来看，为了能够使上下桥臂开关状态之和达到K，N可以选择的最小值为K/2（或向上取整）。N可以选择的最大值为K，当N超过K时，虽然仍能够通过控制子模块的开关状态满足式(1)，但是多出的子模块数量并没有实际意义（不考虑冗余运行情况）。下面将分析当K/2≤N≤K时模块化多电平换流器的运行特性。

模块化多电平换流器的桥臂交流端口电压可以表示为：

$u_o=\frac{(S_n-S_p)}{2}{U}_c---\left(4\right)$

以S_n为例，其可以变化的范围为K-N到N范围内的整数，相对应的S_p数值为N到K-N。这样模块化多电平换流器交流侧电压u_o的变化范围为：

$-(N-\frac{K}{2})U_c\≤u_o\≤(N-\frac{K}{2})U_c---\left(5\right)$

式(5)一方面表示出了桥臂中子模块数量N对模块化多电平换流器交流输出电压幅值范围的影响，另一方面也表示出了桥臂中子模块数量N对模块化多电平换流器交流输出电压的电平级数的影响。式(5)可以说明模块化多电平换流器的运行原理并不一定要求桥臂子模块数目N等于K。只是在N＝K时，无论是输出电压幅值范围还是电平数目都可以达到最大值。在某些应用场合中，如果能将N选择为小于K的数目，显然可以减少桥臂中子模块数量，降低装置成本和控制难度。

如果交流电网的线电压有效值为U_ac，模块化多电平换流器的直流侧额定电压为U_d，换流器的调制比定义为交流相电压峰值和换流器直流侧电压一半的比值。当换流器桥臂中子模块数量N＝K时，换流器的调制比可以表示为：

$M=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}/\sqrt{3}}{U_d/2}---\left(6\right)$

一般来说，脉冲调制策略所能达到的最大调制比为1（暂不考虑通过零序电压注入方法）。应尽量使换流器运行在调制比接近于1，也就是直流电压必须与交流电压值相匹配。如果直流电压相对比较大时，如式(6)所示换流器将工作于调制比较低的情况，这种情况下虽然选取了K个子模块，但由于调制比较低，部分子模块可能并不会被利用到，造成装置成本的升高。因此当直流电压相对交流电压比较高的应用场合，现有的方案通常是通过升压变压器将交流电压提高，但是这种方案将带来成本和占地的问题。

本发明提出的模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，在交流电网电压相对于模块化多电平换流器的直流侧额定电压较低的应用场合，将桥臂中子模块数量N选择为小于K的数目，显然可以减少所采用的子模块数量，降低装置成本和控制难度。采用这种设计和控制方法时，根据式(5)和式(6)，换流器运行的调制比可以写为

$M=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}/\sqrt{3}}{(N-\frac{K}{2})U_c}---\left(7\right)$

如果希望使调制比运行在1.0，换流器子模块数量可以采用如下方式计算：

$N=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{3}{U}_c}+\frac{K}{2}---\left(8\right)$

采用本发明的桥臂中子模块数量的计算方法后，在交流电网电压相对于模块化多电平换流器的直流侧额定电压较低的应用场合，根据式(8)计算出的换流器桥臂中的子模块量N将小于K，这样将可以使降低换流器所需的子模块数量，降低装置的成本，也可以简化控制器的设计。

采用本发明所提出桥臂中子模块数量计算方法时，模块化多电平换流器的脉冲调制策略和电容电压平衡控制策略与现有方法并无本质区别，现有的各种方法仍然适用。当换流器所需输出的交流电压瞬时值为u_o时，可以通过控制上桥臂子模块的投入数量S_p和下桥臂子模块的投入数量S_n来控制模块化多电平换流器的输出电压。其中上桥臂子模块的投入数量可以计算如下：

$S_p=\frac{K}{2}-\frac{u_o}{U_c}---\left(9\right)$

下桥臂子模块的投入数量计算方式如下：

$S_n=\frac{K}{2}+\frac{u_o}{U_c}---\left(10\right)$

这样模块化多电平换流器的交流输出电压为：

$u_o=\frac{(S_n-S_p)}{2}{U}_c---\left(11\right)$

模块化多电平换流器的直流侧电压为：

U_d=(S_p+S_n)U_c    （12）

当采用本发明的桥臂中子模块数量计算方法后，在交流电网电压相对于模块化多电平换流器的直流侧额定电压较低的应用场合，可以将多电平换流器直接连接于交流电网上，避免使用升压变压器，并减少模块化多电平换流器所需的子模块数量，使装置的成本和占地大为降低。

以下结合附图2说明在本发明的一个实施例。所示一个200MVA/±160kV的三端柔性直流输电系统采用了模块化多电平换流器。根据输电线路传输容量已确定模块化多电平换流器的直流侧额定电压为U_d=320kV。根据所采用的开关器件已确定子模块额定电压为U_c=1600V。

换流器1连接于交流线电压有效值为110kV的交流电网。换流器2和换流器3分别连接于100MVA的风电场，风电场端口的交流线电压有效值为110kV。风力发电通过三端柔性直流线路输送到受端交流电网（换流器1）。

采用本发明所提的桥臂子模块数量设计方法针对换流器2和换流器3的桥臂子模块数量进行设计。在桥臂级联子模块数量方面，首先根据交流电网线电压有效值U_ac=110kV,模块化多电平直流侧额定电压U_d=320kV，计算模块化多电平换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和为K：

$K=\frac{U_d}{U_c}=\frac{320\mathrm{kV}}{1600V}=200---\left(13\right)$

根据子模块额定电压U_c，交流侧线电压有效值U_ac和上述得到的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和，计算桥臂子模块级联数量N如下：

$N=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{3}{U}_c}+\frac{K}{2}=\frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}\frac{110\mathrm{kV}}{1600V}+\frac{200}{2}=156---\left(14\right)$

如果按照常规方案，则需要使桥臂子模块数量N＝K，即N＝200。显然，相对于常规方案，换流器2和换流器3的每个桥臂中可以减少44个子模块，每个换流器可以减少264个子模块。这可以降低换流器的成本，也可以降低换流器的复杂程度。由于在风电场侧的两个换流器都不需要交流变压器了，也可以大大减小换流器交流设备的造价和占地。

Claims (1)

1.一种模块化多电平换流器桥臂中子模块数量的计算方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

（1）设交流电网的线电压有效值为U_ac，根据输电线路传输容量，确定模块化多电平换流器的直流侧额定电压为U_d，并根据模块化多电平换流器所用的开关器件确定模块化多电平换流器中各子模块的额定电压为U_c；

（2）根据上述直流侧额定电压U_d和子模块额定电压U_c，计算模块化多电平换流器的上桥臂和下桥臂的子模块投入数量之和为K：K＝U_d/U_c；

（3）根据上述子模块额定电压U_c、交流电网的线电压有效值U_ac以及上述步骤（2）得到的子模块投入数量之和K，计算得到模块化多电平换流器中各桥臂的子模块级联数量N， $N=\frac{\sqrt{2}{U}_{\mathrm{ac}}}{\sqrt{3}{U}_c}+\frac{K}{2}.$

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