CN103199719B - 一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明属输配电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法。其技术方案是，根据具体的工程实际，设置频率裕度，并通过换流器控制层指令，得到模块化多电平换流器MMC各个桥臂投入的子模块SM的数量；测得同一桥臂上子模块的最大开关频率和最小开关频率，得到最大频率偏差；最后根据最大频率偏差与频率裕度的大小关系，采用双保持因子排序法或频率均衡控制方法对子模块进行选通。本发明的有益效果是，引入两个保持因子以及频率裕度，使模块化多电平换流器同时满足较好的电压均衡效果和较低的开关频率的要求。

Description

一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法

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电容电压优化均衡方法。

背景技术

模块化多电平换流器(MMC)已经成功地应用于大功率换流器中,目前主要是应用在高压直流(HVDC)输电系统。与传统基于电压源换流器的VSC-HVDC相比而言，基于MMC-HVDC的MMC有诸多优点：交流侧和直流侧的完全控制，直流母线无需电容器，电力电子设备故障时的冗余运行能力，无需滤波器等等。MMC-HVDC技术由于其特有的优点越来越受到重视，其相关技术的研究也渐成为热点。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，该工程每个换流器桥臂中有216个子模块（SM）。而即将于2013年投运的中国大连柔性直流输电工程，每个桥臂配有高达420个子模块（双端共有5040个子模块）。显然，MMC直流输电工程中每个换流器桥臂都有众多的子模块（SM），子模块电容作为MMC的储能元件，由于电容储能的波动，其电容电压必然会存在一定的波动。MMC的桥臂瞬时功率中包含基频和二倍频分量，且基频分量为主，而由于上、下桥臂的基频分量互为相反数，因此同一相单元内上、下桥臂的瞬时功率波动出现非同步性。综上可知，使得能量在MMC中均匀分配，实现各个子模块电容电压的平衡控制，是MMC工程应用的难点之一。

针对多电平换流器子模块电容电压均衡的问题，业界学者提出了多种策略。目前工程较为常用的是所谓的传统电压均衡方法，该控制方法指出子模块SM的电容电压平衡策略以各桥臂为单位,平衡其内部各子模块SM的电容电压，根据各桥臂中每个子模块SM电容电压大小的排序以及桥臂电流的方向来判断各个子模块的投切状态。但仅根据电容电压排序，会造成开关元件频繁投切，使开关频率明显提高。也有文献对此进行了改进，其改进方法实际上是在电容电压额定值附近设定一组电压上、下限，将平衡控制的重点放在电容电压越限的子模块上，从而根据越限情况先进行处理后（引入单个保持因子）再排序。

尽管MMC的电压均衡方法有多种，但都未在衡量电容电压的同时直接进行开关频率的衡量，本发明所提出的优化电压均衡方法既考虑了子模块SM的电容电压，又考虑了开关频率，同时引入双保持因子和频率裕度，能够在保持各子模块电容电压大体一致的情况下，有效降低开关频率，在兼顾到各方的条件下实现MMC电压的均衡。

发明内容

针对背景技术中提到的目前传统电压均衡方法在电压平衡效果和开关频率方面存在的问题，本发明提出了一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法。

一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：根据具体的工程实际，设置频率裕度Δf_{max_ref}的值；

步骤2：接受换流器控制层指令，得到模块化多电平换流器MMC各个桥臂投入的子模块SM的数量N_on；

步骤3：分别测得同一桥臂上子模块的最大开关频率f_max和最小开关频率f_min，得到最大频率偏差Δf_max，即Δf_max=f_max-f_min。

步骤4：判断最大频率偏差与频率裕度的大小关系，当子模块间的最大开关频率偏差Δf_max≤Δf_{max_ref}时，执行步骤5；当子模块间的最大开关频率偏差Δf_max>Δf_{max_ref}时，执行步骤6；

步骤5：所有的子模块SM采用双保持因子排序法进行选通；

步骤6：子模块SM采用频率均衡控制方法进行选通。

步骤5中，双保持因子排序法进行选通的具体过程为：

步骤501：当桥臂电流流向子模块时，将处于投入充电状态的子模块SM的电容电压乘以一个小于1的保持因子HF1；

步骤502：当桥臂电流流出子模块时，将处于投入放电状态的子模块SM的电容电压乘以一个大于1的保持因子HF2；

步骤503：按传统电压均衡方法进行排序来进行子模块SM投切的选择。

步骤6中，频率均衡控制方法进行选通的具体过程为：

步骤601：选择最大开关频率的子模块SM，维持现在的开关状态；

步骤602：将最小开关频率的子模块的电容电压乘以1，改变投切状态；

步骤603：其余的子模块SM采用双保持因子排序法进行选通。

本发明的有益效果是，引入两个保持因子HF1和HF2以及频率裕度Δfmax_ref，使模块化多电平换流器同时满足较好的电压均衡效果和较低的开关频率的要求。

附图说明

图1是本发明提供的模块化多电平换流器MMC的拓扑结构图；

图2是本发明提供的模块化多电平换流器MMC的子模块的拓扑结构图；

图3是本发明提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法的流程图。

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的拓扑结构图。图1中，A,B,C,表示MMC换流器交流侧三相；SM1，SM2，…，SMN表示MMC某桥臂中第1,2，…，N个冗余子模块；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的子模块的拓扑结构图。图2中，T1，T2，分别表示子模块半桥结构上下两个IGBT，D₁，D₂，分别表示相应IGBT的反并联二极管；C₀表示半桥子模块中电容器；U_C表示子模块电容电压；U_SM表示子模块端口输出电压。

图3是本发明提供的一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法的流程图。图3中，具体包括以下步骤：

步骤1：根据具体的工程实际，设置频率裕度Δf_{max_ref}的值；

步骤2：接受换流器控制层指令，得到模块化多电平换流器MMC各个桥臂投入的子模块SM的数量N_on；

步骤3：分别测得同一桥臂上子模块的最大开关频率f_max和最小开关频率f_min，得到最大频率偏差Δf_max，即Δf_max=f_max-f_min。

步骤4：判断最大频率偏差与频率裕度的大小关系，当子模块间的最大开关频率偏差Δf_max≤Δf_{max_ref}时，执行步骤5；当子模块间的最大开关频率偏差Δf_max>Δf_{max_ref}时，执行步骤6；

步骤5：所有的子模块SM采用双保持因子排序法进行选通；具体包括以下步骤：

步骤501：当桥臂电流流向子模块时，将处于投入充电状态的子模块SM的电容电压乘以一个小于1的保持因子HF1；

步骤502：当桥臂电流流出子模块时，将处于投入放电状态的子模块SM的电容电压乘以一个大于1的保持因子HF2；

步骤503：按传统电压均衡方法进行排序来进行子模块SM投切的选择。

步骤6：子模块SM采用频率均衡控制方法进行选通，具体包括以下步骤：

步骤601：选择最大开关频率的子模块SM，维持现在的开关状态；

步骤602：将最小开关频率的子模块的电容电压乘以1，改变投切状态；

步骤603：其余的子模块SM采用双保持因子排序法进行选通。

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 (3)

1.一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1：根据工程中实际需求的频率偏差，设置频率裕度Δf_{max_ref}的值；

步骤2：接受换流器控制层指令，得到模块化多电平换流器MMC各个桥臂投入的子模块SM的数量N_on；

步骤3：分别测得同一桥臂上子模块的最大开关频率f_max和最小开关频率f_min，得到最大频率偏差Δf_max，即Δf_max＝f_max-f_min；

步骤4：判断最大频率偏差与频率裕度的大小关系，当子模块间的最大开关频率偏差Δf_max≤Δf_{max_ref}时，执行步骤5；当子模块间的最大开关频率偏差Δf_max>Δf_{max_ref}时，执行步骤6；

步骤5：所有的子模块SM采用双保持因子排序法进行选通；

步骤6：子模块SM采用频率均衡控制方法进行选通。

2.根据权利要求1中所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法，其特征在于，步骤5中，双保持因子排序法进行选通的具体过程为：

步骤501：当桥臂电流流向子模块时，将处于投入充电状态的子模块SM的电容电压乘以一个小于1的保持因子HF1；

步骤502：当桥臂电流流出子模块时，将处于投入放电状态的子模块SM的电容电压乘以一个大于1的保持因子HF2；

步骤503：采用对电容电压排序的电压均衡方法来进行子模块SM投切的选择。

3.根据权利要求1中所述的一种模块化多电平换流器的子模块电容电压优化均衡方法，其特征在于，步骤6中，频率均衡控制方法进行选通的具体过程为：

步骤601：选择最大开关频率的子模块SM，维持现在的开关状态；

步骤602：将最小开关频率的子模块的电容电压乘以1，改变投切状态；

步骤603：其余的子模块SM采用双保持因子排序法进行选通。