CN104485830A - 一种降低模块化多电平换流器电容值的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可以降低模块化多电平换流器电容值的方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。本发明的方法通过将子模块电容电压直流分量运行值相对于子模块电容电压直流分量额定值适当降低一定的比例，同时维持桥臂级联子模块数目和子模块电容电压峰值不变，使子模块最大电容电压波动允许幅度增大。由于子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容就越小，因此可以使子模块可以选择较小的电容值。由于模块化多电平换流器中电容的成本和体积都在总体上占很大比例，因此本发明方法在降低模块化多电平换流器的成本和体积方面的效益都是非常显著的。

Description

一种降低模块化多电平换流器电容值的方法

技术领域

本发明涉及一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。

背景技术

模块化多电平换流器(以下简称MMC)易于实现较大的电平数目，并且可以提供一个公共的直流侧，可以较为容易的实现背靠背的连接，使其十分适合于直流输电的应用。MMC技术的出现和发展使得在直流输电领域实现更高电压、更大容量和更高性能电压源换流器成为可能，极大的推动了电压源型直流输电技术的发展。自MMC技术出现之后，电压源型直流输电工程绝大部分都是采用的MMC拓扑结构或在其基础上的变化。

MMC的基本单元是子模块，由半桥、全桥或其它箝位式电路构成，主要包括电力电子开关器件和直流电容。多个子模块被级联在一起构成一个换流桥臂，6组级联换流桥臂组合在一起构成三相换流器。MMC的每一相桥臂是单相结构，各桥臂的电流会通过开关动作耦合到子模块的直流电容中，在子模块直流电容上产生电压波动。子模块电容电压波动会给开关器件带来额外的电压应力，危害开关器件的安全运行。因此必须将子模块电容电压波动峰值限制在安全范围之内。电容电压波动的限制主要是通过子模块电容值的设计来实现的，电容值越大电容电压波动越小。

已有方法一般是根据子模块中所采用的开关器件的额定电压等级，确定子模块电容电压直流分量额定值，然后根据开关器件的运行安全性确定最大电容电压波动允许幅度(已有方法一般为子模块电容电压直流分量的5％～10％)。在参数设计时，根据运行过程中的换流器运行工况和最大电容电压波动允许幅度，采用MMC稳态特性计算方法设计子模块电容值，使运行过程中的电容电压波动不超过最大电容电压波动允许幅度。

由于在MMC中各相桥臂是分开的，不存在三相电流在电容上的抵消作用，子模块上的电容电压波动主要是基频分量和二倍频分量，因此用已有方法设计所需的电容容量通常都很大。在造价方面，子模块中电容所需的成本与开关器件相当；在体积方面，电容所占体积一般占到子模块总体积的80％。因此如果可以通过参数设计方法和运行控制方法上的优化减少MMC中子模块所需的电容值，那么在降低MMC的制造成本和体积方面的效益是非常明显的。

发明内容

本发明的目的是提出一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，在维持子模块电容电压峰值不变和不影响开关器件的最大电压应力的前提下，通过将子模块电容电压直流分量运行值适当降低一定的比例，使最大电容电压波动允许幅度增大，这样子模块可以选择较小的电容值，降低模块化多电平换流器的成本和体积。

本发明提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，包括以下步骤：

(1)设定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1和模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax；

(2)根据模块化多电平换流器直流侧电压U_d，以及上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1，计算模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目N， $N=\frac{U_d}{U_{\mathrm{cap}1}};$

(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，

(4)根据上述子模块投入数量和K，以及模块化多电平换流器直流侧电压U_d，计算得到子模块电容电压直流分量运行值U_cap2，

(5)根据上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量运行值U_cap2，以及步骤(1)中的模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax，计算得到最大电容电压波动允许幅度ΔU_cap2，ΔU_cap2＝U_cmax-U_cap2；

(6)根据与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率ω₁、模块化多电平换流器交流侧输出电流最大有效值I_a以及模块化多电平换流器交流侧输出电流最大功率因数角并根据上述步骤(5)的最大电容电压波动允许幅度Δu_cap2计算子模块电容值C_d，

$C_d=\frac{5\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cap}2}}.$

本发明提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，其特点和优点是，本方法是在维持桥臂级联子模块数目不变和子模块电容电压峰值不变的前提下，通过将子模块电容电压直流分量运行值相对于子模块电容电压直流分量额定值适当降低一定的比例，使子模块最大电容电压波动允许幅度增大。由于子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容就越小，因此可以使子模块可以选择较小的电容值。由于模块化多电平换流器中电容的成本和体积都在总体上占很大比例，因此本方面方法在降低模块化多电平换流器的成本和体积方面的效益都是非常显著的。

附图说明

图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。

图2是本发明方法电容电压波动波形与已有方法电容电压波动波形的比较示意图。

图3是采用本发明方法可以得到的子模块电容值降低比例曲线。

具体实施方式

本发明提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，其中涉及的模块化多电平换流器的结构示意图如图1所示，该方法包括以下步骤：

(1)设定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1和模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax，子模块电容电压直流分量额定值U_cap1一般取值为模块化多电平换流器所采用开关器件的额定电压的50％～60％，子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax一般为子模块电容电压直流分量额定值U_cap1的1.05～1.1倍；

(2)根据模块化多电平换流器直流侧电压U_d，以及上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1，计算模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目N， $N=\frac{U_d}{U_{\mathrm{cap}1}};$

(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，

(4)根据上述子模块投入数量和K，以及模块化多电平换流器直流侧电压U_d，计算得到子模块电容电压直流分量运行值U_cap2，

(5)根据上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量运行值U_cap2，以及步骤(1)中的模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax，计算得到最大电容电压波动允许幅度ΔU_cap2，ΔU_cap2＝U_cmax-U_cap2；

(6)根据与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率ω₁、模块化多电平换流器交流侧输出电流最大有效值I_a以及模块化多电平换流器交流侧输出电流最大功率因数角并根据上述步骤(5)的最大电容电压波动允许幅度Δu_cap2计算子模块电容值C_d， $C_d=\frac{5\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cap}2}}.$

图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。在已有的参数设计和运行方式中，是根据所选用开关器件的电压等级确定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1。考虑到开关器件所承受的电压安全裕量，U_cap1一般取值为模块化多电平换流器所采用开关器件的额定电压的50％～60％

根据模块化多电平换流器直流侧电压U_d，以及模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1，可以计算出模块化多电平换流器中每个桥臂所需级联的子模块数目N，

$N=\frac{U_d}{U_{\mathrm{cap}1}}---\left(1\right)$

在实际运行中，由于桥臂电流通过开关动作引入到子模块电容中，子模块电容电压在直流分量上还存叠加有波动分量。考虑到电容电压波动会给开关器件带来额外的电压应力，影响开关器件的安全性，一般还需要根据所选用开关器件的电压安全裕度，确定运行过程模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax。在模块化多电平换流器运行过程中，子模块电容的电压波动均不能超过电容电压峰值最大允许值U_cmax。子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax一般为子模块电容电压直流分量额定值U_cap1的1.05～1.1倍。这样在已有方法中，最大电容电压波动允许幅度为：

ΔU_cap1＝U_cmax-U_cap1      (2)

对于模块化多电平换流器，在系统工况和系统参数确定的情况下，电容电压波动幅度是与子模块电容值成反比的。最大电容电压波动允许幅度越小，所需的子模块电容值就越大；最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容值就越小。因此为了降低所需的子模块电容值，本发明提出一种提高最大电容电压波动允许幅度的参数设计方法和运行控制方法。本发明方法电容电压波动波形与已有方法电容电压波动波形的比较示意图如图2所示。本发明方法的主要思路就是基于桥臂所需级联子模块数目不变(也就是维持桥臂级联子模块数目N不变)和开关器件承受的最大电压应力不变(也就是维持子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax不变)的前提下，使子模块最大电容电压波动允许幅度提高。具体就是使子模块电容电压直流分量在实际运行中的值相对于额定值U_cap1适当降低。本发明的方法如图2中的虚线所示，在本发明方法的运行方式下将子模块电容电压直流分量运行值设定为：

U_cap2＝(1-k)U_cap1      (3)

其中k为电容电压直流分量下降系数，k的理论取值范围在0～1之间，实际运行过程中一般可以在0.05～0.15之间。

在本发明方法中，只是降低子模块电容电压直流分量运行值，桥臂所需的级联子模块并不改变，所需的桥臂级联子模块数目N仍是根据式(1)所示。

本发明方法中，子模块电容电压直流分量运行值降低会影响到MMC的控制方式。在常规运行方式下，每相上下桥臂开关状态与直流电压的关系为：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{p\_i}+S_{n\_i})=\frac{U_d}{U_{\mathrm{cap}1}}=N---\left(4\right)$

其中S_{p_i}和S_{n_i}分别为上桥臂和下桥臂第i个子模块的开关状态，N为桥臂子模块级联数目。为了维持直流线路电压仍为U_d不变，新运行方式下的开关状态关系需要控制为：

$\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(S_{p\_i}+S_{n\_i})=\frac{U_d}{U_{\mathrm{cap}2}}=\frac{N}{1-k}=K---\left(5\right)$

显然K为大于N的数。

根据式(1)、(3)和(5)的关系，可以得到本发明方法的运行方式下将子模块电容电压直流分量运行值与模块化多电平换流器直流侧电压U_d的关系如下：

$U_{\mathrm{cap}2}=\frac{U_d}{K}---\left(6\right)$

本发明的运行方式下仍维持子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax不变，这样采用本发明方法时子模块最大电容电压波动允许幅度为：

ΔU_cap2＝U_cmax-U_cap2      (7)

在得到子模块最大电容电压波动允许幅度后，可以根据模块化多电平换流器的运行工况和其它参数计算得到子模块电容值C_d。

如文献“《模块化多电平换流器稳态运行特性的解析分析》，电网技术.36(11),pp.198-204,2012”所记述，不考虑二倍频环流的影响，子模块电容电压波动的表达式可以表示为：

其中ω₁为与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率；I_a为模块化多电平换流器交流侧输出电流有效值；为模块化多电平换流器交流侧输出电流功率因数角；M为运行过程中模块化多电平换流器脉宽调制环节的调制比，M一般为小于0.85～1的数值。

式(8)可以进一步改写为：

式(9)中右侧第一项为基频波动分量，式(9)中右侧第二项为二倍频波动分量。

式(9)中的基频波动分量的幅度可以计算如下：

由于调制比M对于波动峰值的影响并不大，为了简化计算得到工程实用的计算方法，将调制比M设定为1，式(10)可以进一步近似改写为：

$\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{peak}}^{\left(1\right)}=\frac{4\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1{C}_d}---\left(11\right)$

同样将调制比M设定为1，式(9)中的二倍频波动分量的幅度可以计算如下：

$\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{peak}}^{\left(2\right)}=\frac{4\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1{C}_d}---\left(12\right)$

考虑电容电压波动幅度最大的情况发生在基频波动峰值与二倍频波动峰值叠加在一起的时刻，因此将式(11)和式(12)相加计算电容电压波动幅度为：

$\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{peak}}=\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{peak}}^{\left(1\right)}+\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{peak}}^{\left(2\right)}=\frac{5\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1{C}_d}---\left(13\right)$

式(13)就可以作为计算子模块所需电容值的工程实用依据。用式(7)中的本发明方法的子模块最大电容电压波动允许幅度ΔU_cap2代替式(13)中的ΔU_peak，并反推所需的子模块电容值如下：

$C_d=\frac{5\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{cap}2}}---\left(14\right)$

式(14)给出了计算出子模块电容值的方法，在实际工程装置中所采用的电容值应不小于式(14)所计算出的电容值。可以看出子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容值越小。由于本发明方法将子模块最大电容电压波动允许幅度提高，因此所需的子模块电容值就得到了降低。

下面分析与已有方法相比时，采用本发明方法时子模块电容值的降低比例。采用已有方法时，最大电容电压波动允许比例值为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{cap}1}}{U_{\mathrm{cap}1}}---\left(15\right)$

将式到(2)、(3)和(7)的关系代入到式(15)中，可以得到如下关系：

ΔU_cap2＝(ε₁+k)U_cap1      (16)

由于所需的子模块电容值与最大电容电压波动允许幅度呈反比关系，如果在已有方法下所需的子模块电容值为C_d1，采用本发明方法时所需的子模块电容值为C_d，两者的关系可以如下计算：

$\frac{C_d}{C_{d1}}=\frac{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{cap}1}}{\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{cap}2}}---\left(17\right)$

将式(15)和式(16)代入到式(17)中，可以得到：

$\frac{C_d}{C_{d1}}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1}{{\mathrm{\ϵ}}_1+k}---\left(18\right)$

相对于已有方法，采用本发明方法可以使所需的子模块电容值降低比例为：

$\mathrm{\η}=\frac{C_{d1}-C_d}{C_{d1}}=\frac{k}{{\mathrm{\ϵ}}_1+k}---\left(19\right)$

图3给出了在ε₁＝5％和ε₁＝10％两种情况下采用本发明方法时所带来的子模块电容值降低比例随电容电压直流分量下降系数k变化的曲线。理论上k越大，所带来的子模块电容值降低比例越大。但是k越大时，子模块电容电压波动幅度也越大，对于模块化多电平换流器其它运行性能的影响也就越大。因此实际运行中建议k取0.05～0.15之间的数值。

在本发明方法中，只是降低子模块电容电压直流分量运行值，桥臂所需的级联子模块并不改变，仍是根据直流线路电压U_d和子模块电容电压直流分量额定值U_cap1确定所需的桥臂级联子模块数目N。在本发明方法中，子模块电容电压直流分量运行值降低会影响到MMC的控制方式，模块化多电平换流器每相上下桥臂的开关状态和需要控制为K。

通过本发明的方法，在桥臂所需级联子模块数目不变和维持子模块电容电压峰值不变的前提下，通过将子模块电容电压直流分量运行值相对于子模块电容电压直流分量额定值适当降低一定的比例，使子模块最大电容电压波动允许幅度增大。由于子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容就越小，因此可以使子模块可以选择较小的电容值。由于模块化多电平换流器中电容的成本和体积都在总体上占很大比例，因此本发明方法在降低模块化多电平换流器的成本和体积方面的效益都是非常显著的。

Claims (1)

1.一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)设定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1和模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax；

(2)根据模块化多电平换流器直流侧电压U_d，以及上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值U_cap1，计算模块化多电平换流器桥臂级联的子模块数目N， $N=\frac{U_d}{U_{\mathrm{cap}1}};$

(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，

(4)根据上述子模块投入数量和K，以及模块化多电平换流器直流侧电压U_d，计算得到子模块电容电压直流分量运行值U_cap2，

(5)根据上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量运行值U_cap2，以及步骤(1)中的模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值U_cmax，计算得到最大电容电压波动允许幅度ΔU_cap2，ΔU_cap2＝U_cmax-U_cap2；

(6)根据与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率ω₁、模块化多电平换流器交流侧输出电流最大有效值I_a以及模块化多电平换流器交流侧输出电流最大功率因数角并根据上述步骤(5)的最大电容电压波动允许幅度Δu_cap2计算子模块电容值C_d， $C_d=\frac{5\sqrt{2}{I}_a}{16{\mathrm{\ω}}_1\mathrm{\Δ}{u}_{\mathrm{cap}2}}.$