CN102904417A - 模块化多电平换流装置子模块电容电压自适应调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化多电平换流装置子模块电容电压自适应调制方法，包括如下步骤：本发明是在阶梯波控制时，将冗余子模块和标准配置子模块统一进行电压分配，在相同直流母线电压的情况下，子模块直流支撑电容电压将大大降低，由于子模块工作电压的降低，该发明不仅可以降低单个子模块IGBT和直流支撑电容损耗等功率器件的损耗；也可增加子模块直流支撑电容及辅助电源等功率器件的寿命；还可增加输出电压波形电平，可降低输出电流THD。
Description
技术领域
本发明专利涉及柔性直流输电换流阀子模块直流支撑电容电压调制技术，本专利采用电容电压可变化、自适应调制技术。
背景技术
传统的高压直流输电(HVDC)换流装置是以晶闸管为功率器件的电流源(LCC)变换器，由于晶闸管不能自关断，换流装置(整流和逆变)运行中需要大量的无功补偿，正常运行时可达直流输送功率的40～60％，而且换流装置在运行中在交流侧和直流侧均会产生谐波，要装设滤波器，因此其换流站比较复杂、造价高、运行管理要求高。
鉴于电流源变换器存在以上不足，基于电压源变换器的高压直流输电系统(VSC-HVDC)已经成为科研院所和企事业单位研究的热点，电压源变换器的特点是采用具有关断能力的可关断器件(如IGBT)组成电压源变换器进行交直流能量转换。2001年德国学者提出模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)概念，这种模块化结构具有较强的可扩展性，容易实现冗余控制，并且可提供一个公共直流侧，更易实现背靠背连接方式，十分适用于VSC-HVDC输电系统中，因此基于多电平VSC-HVDC柔性直流输电系统逐渐被越来越多的人所采用，该柔性直流输电系统在不同公司，其名称有所不同，ABB称该系统为HVDC Light，西门子称该系统为HVDC Plus，ALSTOM称该系统为HVDC Maxsine，中国国家电网称该系统为HVDC Flexible。
多电平VSC-HVDC柔性直流输电系统换流装置(以下简称“换流装置”)主回路拓扑，见图1所示，系统由6n(n＝nSM个SM(SM1、SM2...SMn)子模块构成，每相包括2n个SM子模块，而SM子模块内部结构为两个IGBT开关器件和直流支撑电容组成，换流装置其核心控制技术之一就是子模块直流支撑电容电压的调制技术，系统直流母线电压则由各子模块直流支撑电容电压串联相加而成。换流装置调制有阶梯波调制与脉宽调制两种，而在实际工程化应用中因模块数量较多，且电平数也较多，一般采用阶梯波调制方式，阶梯波调制与脉宽调制相比，其器件开关频率低，开关损耗小，不需控制脉冲宽度，实现起来更简单。以阶梯波调制为例。图1所示，在换流装置中，考虑配置一定数量的冗余子模块，一相子模块数量为(1)式所示：
nall＝2nSM+2K＝(2Udc/Uc)+2K (1)
上式中：Udc：为系统直流母线电压；Uc：为单个子模块直流支撑电容电压；K：为单相半桥冗余子模块数量；nall：为子模块总数。
现有阶梯波控制均采用Uc＝Udc/nSM的调制技术，即使2K只冗余子模块和2nSM只标准配置子模块统一排序调制，每次都由nSM只子模块来承受系统直流母线电压Udc，如图2所示，输出电压波形则为nSM+1电平，如图3所示(图3中，Uc为阶梯波，Us为正弦波)。这种调制方式，子模块直流支撑电容电压是固定值，子模块的电压仅由标准配置的模块数量决定，电压较高，冗余的模块也保持与标准模块一样的电压和开通关断控制，该种方式一是输出电平数量较少，不包括冗余模块电平，其次是各模块内部元件不仅损耗较大，且寿命大大降低，一旦有子模块故障则将故障子模块旁路，直流母线电压波动也较大，这给系统控制都会带来不良影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种模块化多电平换流装置子模块电容电压自适应调制方法，用以解决上述不利影响的问题。
为实现上述目的，本发明的方案是：模块化多电平换流装置子模块电容电压自适应调制方法，包括如下步骤：
A，根据(2)式计算子模块支撑电容电压，
Uc＝Udc/(nSM+K) (2)
上式中：Udc：为换流装置直流母线电压，Uc：为子模块直流支撑电容电压，K：为单相半桥冗余子模块数量，nSM为每相一个桥臂的子模块数量；
B，当换流装置中nG子模块故障时，将故障子模块旁路，子模块支撑电容电压则重新按(3)式计算，
Uc＝Udc/(nSM+K-nG) (3)
C，据计算的电压Uc对换流装置进行阶梯波调制。
本发明是在阶梯波控制时，将冗余子模块和标准配置子模块统一进行电压分配，在相同直流母线电压Udc的情况下，子模块直流支撑电容电压Uc将大大降低，由于子模块工作电压的降低，该发明不仅可以降低单个子模块IGBT和直流支撑电容损耗等功率器件的损耗；也可增加子模块直流支撑电容及辅助电源等功率器件的寿命；还可增加输出电压波形电平，使输出电平变为nSM+K+1，在原有基础上增加K个电平，可降低输出电流THD。
附图说明
图1是换流这种主回路拓扑；
图2是现有调制方式的换流装置等效原理图；
图3是现有调制方式的换流装置阶梯波调制输出电压与电网电压波形；
图4是MMC的NLC调制示例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
在换流装置输出波形调制中，首先根据系统直流母线电压进行子模块直流支撑电容电压的计算，如(2)式所示。
Uc＝Udc/(nSM+K) (2)
然后再根据计算的电压Uc对换流装置进行调制，保证其子模块直流支撑电容电压Uc为计算值。
当其中一个子模块故障时，将该故障子模块旁路，系统直流母线电压在瞬间只降低电压Uc，对整个直流母线电压的影响较小，当子模块直流支撑电容电压则重新按(4)式计算，
Uc＝Udc/(nSM+K-1) (4)
然后进行调制，直流母线电容电压又上升到原设定值。这种情况可以推广到当多个字模块故障，只要故障子模块数量nG小于冗余数量K即可，当nG＝K时，子模块直流支撑电容电压Uc才达到现有调制技术一样的电压。冗余子模块数量越多，该发明的调制优势越明显。
阶梯波调制(Staircase Modulation)过程说明如下：
阶梯波调制的思想是可以不控制电平的宽度，而采用电平一直投入或切除的方法，阶梯波调制与脉宽调制相比，其器件开关频率低，开关损耗小，由于不需控制脉冲宽度，实现起来更简单。
阶梯波调制的具体实现方式包括消谐波调制和电压逼近调制，消谐波调制主要适用于电平数不太多的场合，实际工程中多采用电压逼近调制方式，或称做最近电平逼近控制(Nearest Level Control，NLC)，其基本原理就是使用最近的电平瞬时逼近正弦调制波，图4所示，当在角度θ1时，1个SM模块的电压Uc与正弦电压最接近，则投入1个SM模块，以此类推。该方法的特点是动态性能好，实现简便，因此对于VSC HVDC中MMC(电平数极多)较多时，最近电平逼近控制具有很大的优势，被国内外工程广泛采用。
Claims (1)
1.模块化多电平换流装置子模块电容电压自适应调制方法，其特征在于，包括如下步骤：
A，根据(2)式计算子模块支撑电容电压，
Uc＝Udc/(nSM+K) (2)
上式中：Udc：为换流装置直流母线电压，Uc：为子模块直流支撑电容电压，K：为单相半桥冗余子模块数量，nSM为每相一个桥臂的子模块数量；
B，当换流装置中nG子模块故障时，将故障子模块旁路，子模块支撑电容电压则重新按(3)式计算，
Uc＝Udc/(nSM+K-nG) (3)
C，据计算的电压Uc对换流装置进行阶梯波调制。
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