CN102916592A - 一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了输配电技术领域的一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法。其技术方案是：首先，根据桥臂子模块数，对子模块进行平均分组，并采集各组子模块电压值；其次，计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略得到需投切的子模块数，并计算得到各组需投切的子模块数；最后，将每组子模块按电压值进行排序，根据各组需投切的子模块数，对各组子模块进行投切。本发明的有益效果是，在保证换流器正常运行的前提下，通过引入能量平衡因子，对桥臂子模块采用分组均压策略，从而达到提高子模块电容电压排序速度，平衡子模块间能量，改善子模块电容电压波动情况的目的。

Description

一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法

技术领域

本发明属于输配电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法。

背景技术

近年来，高电压大功率的全控型电力电子器件如IGBTs和IGCTs在远距离输电系统和低压配电网络中得到广泛使用，特别是应用于基于电压源换流器的高压直流输电（VSC-HVDC）技术。与传统的两电平和三电平VSC-HVDC相比，由西门子公司提出的模块化多电平换流器（MMC）（子模块为半桥结构）拓扑具有无需大量IGBT直接串联，器件承受电压电流变化率低，无需滤波器等优点。同时，在同等电压等级下，它需要两倍的开关器件，系统需要采集和处理的系统状态量信息将大幅增加，使其控制系统变得十分复杂。

世界上第一个商业化运行的MMC-HVDC工程是美国的传斯贝尔（TBC）工程，其额定容量为400MW，直流电压±200kV，每个换流器桥臂中有216个子模块。即将于2013年投运的中国大连柔性直流输电工程，每个桥臂的子模块数高达420个。到2013年，世界上至少会有4个MMC-HVDC直流输电工程将投入运行，其各个桥臂都配有大量子模块。在实际工程中，子模块均压策略通常采用子模块电容电压排序选通的方法，但当桥臂子模块数量过多，对数量达到几百甚至上千个分散布置的子模块进行排序无疑是个巨大的工程难点，子模块间的能量平衡也变得十分困难。为解决这一问题，目前工程上提倡对桥臂子模块进行分组排序选通的方法，但设备厂商和研究机构采用的策略大都侧重于对硬件的改进，这将大大增加投资成本，限制了其在工程上的推广应用。

发明内容

针对背景技术中所述的模块化多电平换流器实现较高电平时，桥臂子模块数量过多，出现子模块电容电压排序速度缓慢，子模块能量平衡困难的技术问题，本发明提出了一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法。

一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据桥臂子模块数，对子模块进行平均分组，并采集各组子模块电压值；

步骤2：计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略得到需投切的子模块数，并计算得到各组需投切的子模块数；

步骤3：将每组子模块按电压值进行排序，根据各组需投切的子模块数，对各组子模块进行投切。

步骤1中，桥臂子模块平均分组过程为：

设定一相桥臂子模块数N及每组子模块数N_i,依根据公式

确定分组的组数；其中，M为桥臂子模块平均分配的组数；round函数为取大于等于除式所得值的整数。

步骤2中，计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略所得需投切子模块，得到各组需投切的子模块数。

根据步骤1的分组情况对各个分组标号，并根据公式 $U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}=\underset{j=1}{\overset{J_k}{\mathrm{\Σ}}}{U}_{\mathrm{SM}}^{(k,j)}$ 计算每个分组的总电压值；其中， $U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}$ 是第k个分组的总电压值，是第个k分组的第j个子模块的电容电压测量值，J_k是第k个分组的子模块的个数，k=1,2，...,K，K为分组的组数；

利用公式

对各个分组总电压值求和得桥臂电压总和U_sum；

利用公式 $B_k=\frac{U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}}{U_{\mathrm{sum}}}\×100\%$ 计算桥臂能量平衡因子；

设定电流正方向，当子模块电容处于充电状态时，按能量平衡因子B_k升序进行排序，得到能量平衡因子升序排序序列：

{B⁽ⁱ⁾|B^(i-1)<B⁽ⁱ⁾<B⁽ⁱ⁺¹⁾,i=0,1，...,K-1}，将B⁽ⁱ⁾作为第i个分组的能量平衡因子；若电流方向为电流负方向，子模块电容处于放电状态时，按能量平衡因子B_k降序进行排序，得到得到能量平衡因子升序排序序列：

{B⁽ⁱ⁾|B^(i-1)>B⁽ⁱ⁾>B⁽ⁱ⁺¹⁾,i=0,1，...,K-1}，将B⁽ⁱ⁾作为第i个分组的能量平衡因子；结合调制策略得需投切的子模块数N_num，并根据公式N_group__numk=round(B^(k)·N_num)计算出第个k分组所需投切子模块数N_{group_numk}；其中，round函数为四舍五入取整函数。

步骤3中，将每组子模块按电压值进行排序，根据各组需投切的子模块数，对各组子模块进行投切。

若电流方向为电流正方向，此时子模块电容处于充电状态，对组内子模块电容电压按升序排列，根据步骤2中计算所得各组需投切的子模块数N_{group_numk}及子模块电容电压排序，优先投切电容电压低的子模块；若电流方向为电流负方向，此时子模块电容处于放电状态，对组内子模块电容电压按降序排列，根据步骤2中计算所得各组需投切的子模块数N_{group_numk}及子模块电容电压排序情况优先投切电容电压高的子模块。

本发明的有益效果是，可以在保证换流器正常运行的前提下，通过引入能量平衡因子，对桥臂子模块采用分组均压策略，从而达到提高子模块电容电压排序速度，平衡子模块间能量，改善子模块电容电压波动情况的目的。

附图说明

图1是本发明提供的模块化多电平换流器MMC采用半桥或全桥结构拓扑图；

图2是本发明提供的模块化多电平换流器MMC子模块结构；其中，(a)是半桥子模块结构；(b)全桥子模块结构；

图3是本发明提供的对某相桥臂子模块进行平均分组的说明图；

图4是本发明提供的组内子模块电压测量示意图；

图5是本发明提供的桥臂各组电压示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的模块化多电平换流器MMC采用半桥或全桥结构拓扑图。图1中，A,B,C,表示MMC换流器交流侧三相；SM₁，SM₂，…，SM_n表示MMC某桥臂中第一个子模块，第二个子模块，…，第n个子模块；L表示桥臂电抗器；U_dc表示MMC正负极直流母线间的电压差。

图2是本发明提供的模块化多电平换流器MMC子模块结构。图2（a）中T1，T2分别表示半桥子模块中上下两个IGBT，D1，D2分别表示相应IGBT的反并联二极管；C_O表示半桥子模块中的电容器；U_SM表示子模块电容电压；图2（b）中T1，T2，T3，T4分别表示全桥子模块中四个IGBT，D1，D2，D3，D4分别表示相应IGBT的反并联二极管；C_O表示半桥子模块中的电容器；U_SM表示子模块电容电压。

图3是本发明提供的对某相桥臂子模块进行平均分组的说明图。图3中，Group_l，…，Group_k，…，Group_m表示对某相桥臂子模块数量进行平均分配的m个组；SM₁，SM₂，…，SM_i表示各组内通过平均分配得到的i个子模块。

图4是本发明提供的组内子模块电压测量示意图。图4中，U_groupk表示第k组子模块电容总电压；U_SM1，U_SM2，…，U_SMi分别表示第k组内第一个子模块，第二个子模块，…，第i个子模块的电容电压测量值；Group_l，…，Group_k，…，Group_m表示对某相桥臂子模块数量进行平均分配的m个组；SM₁，SM₂，…，SM_i表示各组内通过平均分配得到的i个子模块。

图5是本发明提供的桥臂各组电压示意图。图5中，Iarm表示桥臂电流；U_sum表示各组桥臂电压总和；U_groupl，U_group2，…，U_groupm分别表示某相桥臂第一组，第二组，…，第i组子模块电容总电压；Group₁，…，Group_k，…，Group_m表示对某相桥臂子模块数量进行平均分配的m个组；SM₁，SM₂，…，SM_i表示各组内通过平均分配得到的i个子模块。

结合附图对对模块化多电平换流器的子模块分组均压控制算法进行详细说明：

步骤1：根据桥臂子模块数对子模块进行平均分组，采集各组子模块电压值。

根据图1中一相桥臂子模块数N及预先设定的每组子模块数N_i,依照公式确定桥臂子模块分组的个数：

$M=\mathrm{round}\left(\frac{N}{N_i}\right)---\left(1\right)$

其中：M为桥臂子模块平均分配的组数；round函数为取大于等于除式所得值的整数。

步骤2：计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略所得需投切子模块，得到各组需投切的子模块数。

根据步骤1的分组情况对各个分组标号，并根据公式 $U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}=\underset{j=1}{\overset{J_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{SM}}^{(k,j)}$ 计算每个分组的总电压值；其中， $U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}$ 是第k个分组的总电压值，

是第个k分组的第j个子模块的电容电压测量值，J_k是第k个分组的子模块的个数，k=1,2，...,K，K为分组的组数；

利用公式

对各个分组总电压值求和得桥臂电压总和U_sum；

利用公式 $B_k=\frac{U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}}{U_{\mathrm{sum}}}\&times;100\%$ 计算桥臂能量平衡因子；

设定电流正方向，当子模块电容处于充电状态时，按能量平衡因子B_k升序进行排序，得到能量平衡因子升序排序序列：

{B⁽ⁱ⁾|B^(i-1)<B⁽ⁱ⁾<B⁽ⁱ⁺¹⁾,i=0,1，...,K-1}，将B⁽ⁱ⁾作为第i个分组的能量平衡因子；若电流方向为电流负方向，子模块电容处于放电状态时，按能量平衡因子B_k降序进行排序，得到得到能量平衡因子升序排序序列：

{B⁽ⁱ⁾|B^(i-1)>B⁽ⁱ⁾>B⁽ⁱ⁺¹⁾,i=0,1，...,K-1}，将B⁽ⁱ⁾作为第i个分组的能量平衡因子；结合调制策略得需投切的子模块数N_num，并根据公式N_group__numk=round(B^(k)·N_num)计算出第个k分组所需投切子模块数N_{group_numk}；其中，round函数为四舍五入取整函数。

步骤3：将每组子模块按电压值进行排序，根据各组需投切的子模块数，对各组子模块进行投切。

若电流方向为图5所示电流正方向，此时子模块电容处于充电状态，对组内子模块电容电压按升序排列，根据步骤2中计算所得各组需投切的子模块数N_{group_numk}及子模块电容电压排序情况优先投切电容电压低的子模块；若电流方向为电流负方向，此时子模块电容处于放电状态，对组内子模块电容电压按降序排列，根据步骤2中计算所得各组需投切的子模块数N_{group_numk}及子模块电容电压排序情况优先投切电容电压高的子模块。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：根据桥臂子模块数，对子模块进行平均分组，并采集各组子模块电压值；

步骤2：计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略得到需投切的子模块数，并计算得到各组需投切的子模块数；

步骤3：将每组子模块按电压值进行排序，根据各组需投切的子模块数，对各组子模块进行投切。

2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法，其特征在于，所述步骤1中，桥臂子模块平均分组过程为：

设定一相桥臂子模块数N及每组子模块数N_i,根据公式

确定分组的组数：其中，M为桥臂子模块平均分配的组数；round函数为取大于等于除式所得值的整数。

3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法，其特征在于，所述步骤2中，计算各组总电压、桥臂电压总和及各组能量平衡因子，结合调制策略所得需投切子模块，得到各组需投切的子模块数的过程为：

根据步骤1的分组情况对各个分组标号，并根据公式 $U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}=\underset{j=1}{\overset{J_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{U}_{\mathrm{SM}}^{(k,j)}$ 计算每个分组的总电压值；其中， $U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}$ 是第k个分组的总电压值，

是第个k分组的第j个子模块的电容电压测量值，J_k是第k个分组的子模块的个数，k=1,2，...,K，K为分组的组数；

利用公式对各个分组总电压值求和得桥臂电压总和U_sum；

利用公式 $B_k=\frac{U_{\mathrm{group}}^{\left(k\right)}}{U_{\mathrm{sum}}}\&times;100\%$ 计算桥臂能量平衡因子；

设定电流正方向，当子模块电容处于充电状态时，按能量平衡因子B_k升序进行排序，得到能量平衡因子升序排序序列：

{B⁽ⁱ⁾|B^(i-1)<B⁽ⁱ⁾<B⁽ⁱ⁺¹⁾,i=0,1，...,K-1}，

将B⁽ⁱ⁾作为第i个分组的能量平衡因子；若电流方向为电流负方向，子模块电容处于放电状态时，按能量平衡因子B_k降序进行排序，得到得到能量平衡因子升序排序序列：

{B⁽ⁱ⁾|B^(i-1)>B⁽ⁱ⁾>B⁽ⁱ⁺¹⁾,i=0,1，...,K-1}，

将B⁽ⁱ⁾作为第i个分组的能量平衡因子；结合调制策略得需投切的子模块数N_num，并根据公式N_{group_numk}=round(B^(k)·N_num)计算出第个k分组所需投切子模块数N_{group_numk}；其中，round函数为四舍五入取整函数。

4.根据权利要求3所述的一种模块化多电平换流器的子模块分组均压控制方法，其特征在于，所述步骤3中，对各组子模块进行投切的过程为：

1）当电流方向为电流正方向，对组内子模块电容电压按升序排列，根据步骤2中计算所得各组需投切的子模块数N_{group_numk}及子模块电容电压排序，投切电容电压低的N_{group_numk}个子模块；

2）当电流方向为电流负方向，对组内子模块电容电压按降序排列，根据步骤2中计算所得各组需投切的子模块数N_{group_numk}及子模块电容电压排序，投切电容电压高的N_{group_numk}个子模块。

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