CN105490573A - 柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，先对带负载后的供电装置进行测量得到输入电压U和输入电流I；后对供电装置的输入电压和输入电流进行数据分析建模，得到关于供电装置输入特性的函数：I＝f(U)；确定串联子模块的均压目标值为U₀和均压偏差值ΔU；得到串联子模块的静态均压电阻的计算公式：

Description

柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法

【技术领域】

本发明涉及柔性直流输电领域，具体涉及柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法。

【背景技术】

随着大功率电力电子技术的发展,IGBT、IGCT等电力电子器件在直流输电系统中的应用越来越广泛，特别是以全控型电力电子器件为主要开关器件的柔性直流输电系统已经成为国内外相关企业和高校研究的主流。所谓柔性直流输电(VSC-HVDC)，就是基于电压源换流器(VSC)、可关断器件和脉宽调制技术(PWM)的新型直流输电技术，其拓扑结构可分为两电平拓扑结构、三电平拓扑结构和MMC(ModularMultilevelConverter，即模块化多电平换流器)拓扑结构等。其中，MMC拓扑结构因具备开关频率低、损耗小等优点，已被广泛应用于直流输电系统。目前，用于构成MMC拓扑结构的子模块主要有H-MMC(半桥子模块)、F-MMC(全桥子模块)和C-MMC(箝位双子模块)三种。其中，半桥子模块因具有结构简单、功率器件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势在采用MMC拓扑结构的换流器中得到广泛应用。从宏观上看MMC的系统拓扑结构与传统的三相H桥相似，但是，在MMC的拓扑中，其每一相都有很多个功率模块串联组成，且每一功率模块皆由核心开关器件(IGBT)、模块电容、旁路开关、旁路晶闸管、均压电阻及供电装置组成。系统如图1所示。

虽然MMC的拓扑结构有较强的实用性和优点，然而，由于其每一相都由很多个功率模块串联组成且模块均压电阻设计不合理的原因，造成系统中的功率模块在系统充电完成后，到系统正常工作前的模块均压阶段出现电容电压不均衡，随着时间的积累，在一定时间内会造成功率模块电容电压过低，使得供电装置不能够正常工作，最终造成柔性直流输电系统不能够正常启动。

【发明内容】

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，使得柔性直流输电系统在最初的充电完成到系统解锁正常工作之前所有的子模块可以正常工作，避免电压不均衡造成供电装置不能正常工作。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

包括如下步骤：

步骤1：对带负载后的供电装置进行测量得到输入电压U和输入电流I；

步骤2：对供电装置的输入电压和输入电流进行数据分析建模，得到关于供电装置输入特性的函数：

I＝f(U)(1)；

步骤3：确定串联子模块均压目标值为U₀；确定串联子模块的均压偏差值ΔU；

步骤4：得到串联子模块的静态均压电阻的计算公式：

$R=\frac{2\mathrm{\Δ}U}{f(U_0-\mathrm{\Δ}U)-f(U_0+\mathrm{\Δ}U)}---\left(2\right).$

进一步地，步骤3中，均压目标值U₀包括串联子模块的第一均压目标值U′和第二均压目标值U″，均压偏差值ΔU包括串联子模块的最大均压偏差值ΔU₁和任意两个串联子模块的均压偏差值ΔU₂，其中：U′是根据IEC62501标准确定的；U″是根据柔性直流输电系统不控整流充电阶段的运行工况确定的，ΔU₂是根据电容电压波动控制量ε的要求确定的；

当U₀＝U'时，ΔU＝ΔU₁，此时步骤4中的R＝R_m1；当U₀＝U”时，ΔU＝ΔU₂，此时步骤4中的R＝R_m2；静态均压电阻取值范围为R_m1～R_m2。

进一步地，静态均压电阻取R_m1和R_m2的最小值。

进一步地，第一均压目标值U'＝kU_N，k为系数，U_N为串联子模块正常工作时的额定电压。

进一步地，第二均压目标值U”＝k₁U_N，k₁为不控整流的电压系数。

进一步地，任意两个串联子模块的均压偏差值ΔU₂＝2εU”。

进一步地，步骤4中，先假设两个串联子模块电压达到平衡，此时有：

I_c1＝I_c2，I_d1＝I_d2(3)；

根据公式(1)和公式(3)得到：

I_d1＝f(U_c1)，I_d2＝f(U_c2)(4)；

当串联子模块总电压不变时，若U_c1增大，则U_c2减小；结合步骤3得到：

当U_c1＝U₀+ΔU(5)，则U_c2＝U₀-ΔU(6)；

对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得以下公式(7)：

$\frac{U_{c1}}{R}+I_{d1}=\frac{U_{c2}}{R}+I_{d2}=\frac{U_0+\mathrm{\Δ}U}{R}+f(U_0+\mathrm{\Δ}U)=\frac{U_0-\mathrm{\Δ}U}{R}+f(U_0-\mathrm{\Δ}U)---\left(7\right);$

其中，I_c1和I_c2分别是两个串联子模块的充电电流，U_c1和U_c2分别是两个串联子模块的电容电压，I_d1和I_d2分别是两个子模块的供电装置输入电流，并对公式(7)进行变换，得到公式(2)。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过对带负载后的供电装置进行测试和建模，确定所在MMC系统中串联子模块的额定电压，并确定子模块静态均压时的均压偏差值，利用所得到的数学模型和均压偏差值等计算确定出均压电阻的最优设计值。通过供电装置输入特性的函数I＝f(U)的确定，确保了在不同均压偏差值ΔU下，能够快速准确的计算出所要设计的均压电阻的阻值，静态均压电阻的合理设计，使得柔性直流输电系统在最初的充电完成到系统解锁正常工作之前所有的子模块可以正常工作，避免了由于电压不均衡的原因造成供电装置不能正常工作，最终造成系统不能正常解锁运行的结果，采用此静态均压电阻的设计方法，能够有效提高系统运行的可靠性，使系统的运行更加稳定。

进一步地，本发明中静态均压电阻取R_m1和R_m2的最小值，最小值的确定，可以确保系统在整个运行工况中都能具有良好的静态均匀特性。

【附图说明】

图1是现有MMC的拓扑结构图；

图2是串联的两个子模块；

图3是单个子模块的拓扑结构；

图4是本发明供电装置输入特性数据拟合曲线。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明进行说明。

本发明包括如下步骤：

步骤1：分析影响静态电压平衡的几个因素，确定串联子模块供电装置所带负载之间的差异是造成电压不平衡的主要因素；

步骤2：对带负载后的供电装置进行测量得到它的输入电压U和输入电流I数据；

步骤3：对供电装置的输入电压和输入电流数据进行数据分析和建模，得到关于供电装置输入特性的函数：

I＝f(U)(1)

步骤4：根据标准IEC62501及中国南方电网公司对国内柔性直流输电系统的设计要求(国内行业标准)，确定串联子模块第一均压目标值为U'，U'＝kU_N，k为系数，U_N为串联子模块正常工作时的额定电压；根据实际情况下柔性直流输电系统的设计要求，确定串联子模块的最大均压偏差值ΔU₁；

步骤5：根据柔性直流输电系统不控整流充电阶段的运行工况，确定串联子模块第二均压目标值为U”，U”＝k₁U_N，k₁为不控整流的电压系数，在不控整流充电时，子模块实际电压为系统正常运行子模块电压的0.7倍，因此k₁通常取0.7；根据电容电压波动控制量ε的要求，确定任意两个串联子模块的均压偏差值ΔU₂，ΔU₂＝2εU”，其中，2是考虑极端情况下串联子模块两两之间一个为正的ε，一个为负的ε。

步骤6：如图2所示，先假设两个串联子模块电压达到平衡，此时有：

I_c1＝I_c2，I_d1＝I_d2(2)

根据公式(1)和公式(2)得到：

I_d1＝f(U_c1)，I_d2＝f(U_c2)(3)

由于子模块之间为串联关系，同时考虑供电装置及其所带负载之间的差异性可知，当串联子模块总电压不变时，若U_c1增大，则U_c2减小；结合步骤4和步骤5得到：

当U_c1＝U₀+ΔU(4)，则U_c2＝U₀-ΔU(5)；

对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得以下公式(6)：

$\frac{U_{c1}}{R}+I_{d1}=\frac{U_{c2}}{R}+I_{d2}=\frac{U_0+\mathrm{\Δ}U}{R}+f(U_0+\mathrm{\Δ}U)=\frac{U_0-\mathrm{\Δ}U}{R}+f(U_0-\mathrm{\Δ}U)---\left(6\right);$

其中，当考虑步骤4条件时，U₀＝U'，ΔU＝ΔU₁，I_c1和I_c2是最大均压偏差值ΔU₁所对应的两个串联子模块的充电电流，U_c1和U_c2分别是该两个串联子模块的电容电压，I_d1和I_d2分别是该两个子模块的供电装置输入电流，R是所设计的串联子模块的静态均压电阻。

当考虑步骤5要求时，U₀＝U”，ΔU＝ΔU₂，I_c1和I_c2是满足步骤5条件的任意两个串联子模块的充电电流，U_c1和U_c2分别是该两个串联子模块的电容电压，I_d1和I_d2分别是该两个子模块的供电装置输入电流，R是所设计的串联子模块的静态均压电阻。

对公式(6)进行变换，得到串联子模块的静态均压电阻的计算公式(7)：

$R=\frac{2\mathrm{\Δ}U}{f(U_0-\mathrm{\Δ}U)-f(U_0+\mathrm{\Δ}U)}---\left(7\right).$

当U₀＝U'，ΔU＝ΔU₁时，上式可变为公式(8)：

$R_{m1}=\frac{2{\mathrm{\ΔU}}_1}{f(U^{\′}-{\mathrm{\ΔU}}_1)-f(U^{\′}+{\mathrm{\ΔU}}_1)}---\left(8\right).$

当U₀＝U”，ΔU＝ΔU₂时，上式可变为公式(9)：

$R_{m2}=\frac{2{\mathrm{\ΔU}}_2}{f(U^{\′\′}-{\mathrm{\ΔU}}_2)-f(U^{\′\′}+{\mathrm{\ΔU}}_2)}---\left(9\right).$

则：

R＝min(R_m1,R_m2)(10)。

本发明通过对影响串联子模块静态均压原因的分析，确定影响子模块均压的主要因素，对此主要因素进一步测试与建模，得到此影响因素的数学模型。确定所在MMC系统中串联子模块的额定电压，根据标准IEC62501和中国南方电网公司对柔性直流输电功率子模块静态均压的电压要求，确定串联子模块在静态均压阶段的均压目标初值，结合柔性直流输电系统的实际设计要求和影响子模块静态均压主要因素的测试数据，确定子模块静态均压时的串联子模块间的电压差值，利用所得到的数学模型和电压差值进行均压电阻的计算，最终确定均压电阻的最优设计值，静态均压电阻的合理设计，使得柔性直流输电系统在最初的充电完成到系统解锁正常工作之前所有的子模块可以正常工作，避免了由于电压不均衡的原因造成供电装置不能正常工作，最终造成系统不能正常解锁运行的结果，采用此静态均压电阻的设计方法，能够有效提高系统运行的可靠性，使系统的运行更加稳定。

下面结合柔性直流输电系统的实际案例对本发明作更详细的说明。实例内容如下：

柔性直流输电系统交流侧电压为35kV,直流侧电压为±35kV,每个桥臂有40个子模块，每个功率模块额定电压为1.75kV，采用3.3kV,1kA的IGBT，模块拓扑结构为半桥结构，如图3所示。

本发明基于柔性直流输电系统的MMC拓扑串联子模块静态均压电阻的设计方法，步骤如下：

步骤1：以两个子模块串联进行分析，如图2所示，C₁＝C₂,R₁＝R₂，当MMC系统充电完成后，我们可以得到以下公式推导：

I_c1＝I_c2；U_c1＝U_c2

由于从图2可知，因此有以下公式成立

I_d1＝I_d2

I_c1和I_c2是电容的平均充电电流；U_c1和U_c2是电容电压；I_d1和I_d2是供电装置的输入电流。供电装置的主要作用是给子模块的控制电路和驱动电路供电，然而，由于供电装置自身和所带负载之间的器件固有差异，随着时间的积累，在充电完成后的一段时间里会出现I_c1≠I_c2，此时可以得到以下推论：

I_c1-I_d1≠I_c2-I_d2

$(I_{c1}-I_{d1})\×\left(\frac{R_1}{{\mathrm{j\ωR}}_1{c}_1+1}\right)\≠(I_{c2}-I_{d2})\×\left(\frac{R_2}{{\mathrm{j\ωR}}_2{c}_2+1}\right)$

U_c1≠U_c2

当出现U_c1≠U_c2时，串联的子模块开始出现不均压，因而确定各个子模块供电装置自身及所带负载之间器件的固有差异是造成模块不均压的主要原因。

步骤2：对供电装置的输入电压和输入电流进行测试，测试数据如下：

步骤3：采用数据分析软件对步骤2中的供电装置的输入电压和输入电流数据进行数据分析和数据拟合建模，得到如图4所示曲线及供电装置输入特性的函数，该函数如下：

I＝f(U)＝18.02U^-0.9859

步骤4：根据标准IEC62501及中国南方电网公司相关要求，确定串联子模块均压目标值为0.2U_N及串联子模块的均压偏差值ΔU。根据所举例柔性直流系统及子模块相关参数，可得到串联子模块均压目标值如下：

U'＝0.2U_N＝0.2×1750＝350V

假设工程设计所要求的均压偏差值如下：

ΔU＝ΔU₁＝50V

步骤5：根据柔性直流输电系统不控整流充电阶段运行工况及电容电压波动控制量ε不超过电容正常工作实际电压的5％的要求，可得到串联子模块均压目标值如下：

U”＝0.7U_N＝0.7×1750＝1225V

确定模块间的均压偏差值如下：

ΔU＝ΔU₂＝0.7×1750×0.05×2＝122.5V

步骤6：如图2所示，假设串联子模块电压达到平衡，此时有I_c1＝I_c2，I_d1＝I_d2，根据步骤3可以得到I_d1＝f(U_c1)，I_d2＝f(U_c2)，由于子模块之间为串联关系，同时考虑供电装置及其所带负载之间的差异性可知，当串联子模块总电压不变时，若U_c1增大，则U_c2减小。结合步骤4可知：当U_c1＝U'+ΔU₁，则U_c2＝U'-ΔU₁，对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得以下公式

U_c1＝0.2U_N+ΔU₁＝400V

U_c2＝0.2U_N-ΔU₁＝300V

I_d1＝f(U_c1)＝0.049A

I_d2＝f(U_c2)＝0.065A

则：

$R_{m1}=\frac{2\×50}{F\left(300\right)-F\left(400\right)}=6.25k\mathrm{\Ω}$

结合步骤5可知：当U_c1＝U”+ΔU₂，则U_c2＝U”-ΔU₂，对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得以下公式

U_c1＝0.7U_N+ΔU₂＝1347.5V

U_c2＝0.7U_N-ΔU₂＝1102.5V

I_d1＝f(U_c1)＝0.0148A

I_d2＝f(U_c2)＝0.0181A

则：

$R_{m2}=\frac{2\×122.5}{F\left(1102.5\right)-F\left(1347.5\right)}=74.242K\mathrm{\Ω}$

因此均压电阻选择范围为

R_m1≤R＜R_m2

一般选

R＝min(R_m1,R_m2)＝6.25kΩ

本发明提供了一种基于柔性直流输电系统的MMC拓扑串联子模块静态均压电阻的设计方法，根据系统运行工况及实际设计要求，能够准确的得到子模块静态均压电阻阻值，通过供电装置输入特性的函数I＝f(U)的确定，确保了在不同均压偏差值ΔU下，能够快速准确的计算出所要设计的均压电阻的阻值，从而实现柔性直流输电系统的静态均压，保证柔性直流输电系统在正常解锁工作之前任何一个子模块的控制和驱动装置处于激活状态，能够指导工程设计人员更加精确和有效的进行子模块及柔性直流输电系统的研发制造，从而确保所研发子模块及柔性直流输电系统能够以更稳定的状态运行。

Claims (7)

1.柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：对带负载后的供电装置进行测量得到输入电压U和输入电流I；

步骤2：对供电装置的输入电压和输入电流进行数据分析建模，得到关于供电装置输入特性的函数：

I＝f(U)(1)；

步骤3：确定串联子模块均压目标值为U₀；确定串联子模块的均压偏差值ΔU；

步骤4：得到串联子模块的静态均压电阻的计算公式：

$R=\frac{2\mathrm{\Δ}U}{f(U_0-\mathrm{\Δ}U)-f(U_0+\mathrm{\Δ}U)}---\left(2\right).$

2.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，步骤3中，均压目标值U₀包括串联子模块的第一均压目标值U′和第二均压目标值U″，均压偏差值ΔU包括串联子模块的最大均压偏差值ΔU₁和任意两个串联子模块的均压偏差值ΔU₂，其中：U′是根据IEC62501标准确定的；U″是根据柔性直流输电系统不控整流充电阶段的运行工况确定的，ΔU₂是根据电容电压波动控制量ε的要求确定的；

当U₀＝U'时，ΔU＝ΔU₁，此时步骤4中的R＝R_m1；当U₀＝U”时，ΔU＝ΔU₂，此时步骤4中的R＝R_m2；静态均压电阻取值范围为R_m1～R_m2。

3.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，静态均压电阻取R_m1和R_m2的最小值。

4.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，第一均压目标值U'＝kU_N，k为系数，U_N为串联子模块正常工作时的额定电压。

5.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，第二均压目标值U”＝k₁U_N，k₁为不控整流的电压系数。

6.根据权利要求2所述的柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，任意两个串联子模块的均压偏差值ΔU₂＝2εU”。

7.根据权利要求1所述的柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法，其特征在于，步骤4中，先假设两个串联子模块电压达到平衡，此时有：

I_c1＝I_c2，I_d1＝I_d2(3)；

根据公式(1)和公式(3)得到：

I_d1＝f(U_c1)，I_d2＝f(U_c2)(4)；

当串联子模块总电压不变时，若U_c1增大，则U_c2减小；结合步骤3得到：

当U_c1＝U₀+ΔU(5)，则U_c2＝U₀-ΔU(6)；

对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得以下公式(7)：

$\frac{U_{c1}}{R}+I_{d1}=\frac{U_{c2}}{R}+I_{d2}=\frac{U_0+\mathrm{\Δ}U}{R}+f(U_0+\mathrm{\Δ}U)=\frac{U_0-\mathrm{\Δ}U}{R}+f(U_0-\mathrm{\Δ}U)---\left(7\right);$

其中，I_c1和I_c2分别是两个串联子模块的充电电流，U_c1和U_c2分别是两个串联子模块的电容电压，I_d1和I_d2分别是两个子模块的供电装置输入电流，并对公式(7)进行变换，得到公式(2)。