CN107404245B - 混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法 - Google Patents

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Abstract

一种混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法。所述的波动抑制方法根据换流器的调制比、功率因数以及桥臂参考电压负电平部分最大值的绝对值与桥臂最大电压的比值，生成需要注入环流参考值的幅值。当换流器作为整流器运行时，A、B、C三相所注入环流参考值的相位分别为90°，210°和‑30°；当换流器作为逆变器运行时，A、B、C三相所注入环流参考值的相位分别为‑90°，30°和‑210°。通过闭环调节器，产生对应的参考电压，对混合型模块化多电平换流器子模块电容电压的波动进行抑制。

Description

混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法
技术领域
本发明涉及一种混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动的抑制方法。
背景技术
基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(voltage sourced converter highvoltage direct current,VSC-HVDC)技术因具有更高的灵活性和可控性而获得快速发展。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)以其良好的谐波特性和高可靠性极大地促进了柔性高压直流输电技术的发展。
在架空线直流输电领域，传统的由半桥子模块构成的MMC在直流短路故障发生时不具备故障自清除能力，其应用受到很大限制。虽然，由全桥子模块构成的MMC在直流短路故障发生时具备故障自清除能力，但换流器的造价与损耗也会因此而上升。为了兼顾换流器的损耗与成本，同时具备直流短路故障自清除能力，相关文献提出由半桥子模块和全桥子模块构成的混合型MMC，其简化电路拓扑如图1所示。
应用于柔性高压直流输电的MMC的每个桥臂含有大量级联的子模块，每个子模块均含有一个电容。在MMC稳态运行过程中，由于桥臂电流对子模块电容的充放电作用使得所有子模块电容电压均处于波动状态，因此，MMC的子模块电容需达到一定的值才能满足其波动范围的要求，典型的波动范围不超过±10％。例如，中国云南电网与南方电网主网±350kV/1000MW鲁西背靠背直流异步联网工程中，由于换流器功率较大，广西侧换流阀单个子模块的质量超过了200kg，其中子模块电容为12mF，质量超过了100kg，占子模块质量的50％左右。过大的子模块质量给工程的实施与调试增加了很大难度。
为了解决这一问题，相关文献与专利也提出了关于MMC子模块电容电压波动抑制方法。在《中国电机工程学报》2016年第36卷第7期1892-1889页刊登的《模块化多电平变流器模块电压纹波抑制策略及应用》提出了一种利用特定环流注入来抑制子模块电容电压波动的方法。但该方法主要适用于桥臂参考电压始终为正的半桥型MMC，未考虑混合型MMC全桥子模块能够输出负电压的工况，而且该方法会使桥臂电流的有效值显著增加，开关器件的电流应力随之增大，增加了换流器的运行风险。
中国专利CN 103701350 A和CN 103001519 A分别提出在MMC的参考电压中注入高频零序电压和环流中注入高频电流分量的方法，实现MMC在低频条件下运行时子模块电容电压的波动抑制。该方法主要针对半桥型MMC，同样也未考虑混合型MMC全桥子模块能够输出负电压的工况，且注入高频零序电压和高频电流均会增加开关器件的开关频率，在一定程度上增加MMC的损耗。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法。本发明基于环流注入方法，既可以实现混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制，又不会显著增加桥臂电流有效值。
本发明提出的混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法包含以下步骤：
(1)计算需要注入的环流参考值的幅值；
实时测量混合型模块化多电平换流器交流相电流的幅值Ioj，根据换流器运行的有功功率与无功功率计算功率因数角的正弦值，所注入的环流参考值幅值的表达式如下：
其中，I2f_r为所注入环流参考值的幅值，m为调制比，α为混合型模块化多电平换流器桥臂参考电压负电平部分最大值的绝对值与桥臂能够输出的最大电压的比值，j为三相相序，j＝a，b，c，r为参考值。
(2)生成需要注入的环流参考值的相位；
当混合型模块化多电平换流器作为整流器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为210°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-30°；当混合型模块化多电平换流器作为逆变器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为-90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为30°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-210°。
(3)实时测量混合型模块化多电平换流器上桥臂电流瞬时值iuj、下桥臂电流瞬时值ilj和直流电流瞬时值Idc，利用下式计算得到混合型模块化多电平换流器三相环流的瞬时值icj：
当混合型模块化多电平换流器为整流器时：icj＝(iuj+ilj)/2+Idc/3；
当混合型模块化多电平换流器为逆变器时：icj＝(iuj+ilj)/2-Idc/3。
(4)将步骤(1)和步骤(2)得到的需要注入的环流参考值与步骤(3)得到的三相环流的瞬时值做差，经过闭环调节器，得到混合型模块化多电平换流器环流电压参考值ucj，利用下式分别计算混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj：
其中，Udc为直流电压，uj_ref是各相交流参考电压。
(5)根据混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成上桥臂和下桥臂所有电力电子开关器件的控制信号，以此控制信号控制上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现混合型模块化多电平换流器子模块电容电压的波动抑制。
附图说明
图1为混合型模块化多电平换流器电路拓扑；
图2为混合型模块化多电平换流器作为整流器时A相环流注入控制框图；
图3为混合型模块化多电平换流器作为逆变器时A相环流注入控制框图；
图4为本发明的一个实施例的子模块电容电压波动效果对比图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，应用本发明的混合型模块化多电平换流器由三相六个桥臂组成，每个桥臂包括一个桥臂电感，K个串联连接的全桥功率模块FBSM1，…，FBSMK，K≥1，K一般不小于N的55％，以及(N-K)个串联连接的半桥模块HBSMK+1，…，HBSMN，N≥K≥1。
本发明混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法，当混合型模块化多电平换流器为整流器时，其控制框图如图2所示，当混合型模块化多电平换流器为逆变器时，其控制框图如图3所示，包括以下步骤：
(1)计算需要注入的环流参考值的幅值，
实时测量混合型模块化多电平换流器交流相电流的幅值Ioj，根据换流器运行的有功功率与无功功率计算功率因数角的正弦值。所注入的环流参考值幅值的表达式如下：
其中，I2f_r为所注入环流参考值的幅值，m为调制比，α为混合型模块化多电平换流器桥臂参考电压负电平部分最大值的绝对值与桥臂能够输出的最大电压的比值。j为三相相序，j＝a，b，c，r为参考值。
(2)生成需要注入的环流参考值的相位；
当混合型模块化多电平换流器作为整流器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为210°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-30°。当混合型模块化多电平换流器作为逆变器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为-90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为30°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-210°。
(3)实时测量混合型模块化多电平换流器上桥臂电流瞬时值iuj、下桥臂电流瞬时值ilj和直流电流瞬时值Idc，利用下式计算得到混合型模块化多电平换流器三相环流的瞬时值icj：
当混合型模块化多电平换流器为整流器时：icj＝(iuj+ilj)/2+Idc/3；
当混合型模块化多电平换流器为逆变器时：icj＝(iuj+ilj)/2-Idc/3。
(4)将步骤(1)和步骤(2)得到的需要注入的环流参考值与步骤(3)得到的三相环流的瞬时值做差，经过闭环调节器，得到混合型模块化多电平换流器环流电压参考值ucj，利用下式分别计算混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj：
其中，Udc为直流电压，uj_ref是各相交流参考电压。
(5)根据混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成上桥臂和下桥臂所有电力电子开关器件的控制信号，以此控制信号控制上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现混合型模块化多电平换流器子模块电容电压的波动抑制。
本发明的一个实施例如下：
在本实施例中，混合型模块化多电平换流器的主电路参数如下表所示：
采用本发明方法对实施例的混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制步骤如下：
(1)计算需要注入的环流参考值的幅值
实时测量混合型模块化多电平换流器交流相电流的幅值为1491A，根据换流器运行的有功功率与无功功率计算功率因数角的正弦值为0.287。根据表中参数计算得到调制比m为0.9，桥臂参考电压负电平部分最大值的绝对值与桥臂能够输出的最大电压的比值α为0.155，所注入环流参考值幅值的表达式如下：
其中，I2f_r为所注入环流参考值的幅值，j为三相相序，j＝a，b，c，r为参考值，根据上式计算得到环流参考值的幅值为303A。
(2)生成需要注入的环流参考值的相位
当混合型模块化多电平换流器作为整流器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为210°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-30°。当混合型模块化多电平换流器作为逆变器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为-90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为30°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-210°。
(3)实时测量混合型模块化多电平换流器上桥臂电流瞬时值iuj、下桥臂电流瞬时值ilj和直流电流瞬时值Idc，利用下式计算得到混合型模块化多电平换流器三相环流的瞬时值icj：
当混合型模块化多电平换流器为整流器时：icj＝(iuj+ilj)/2+Idc/3；
当混合型模块化多电平换流器为逆变器时：icj＝(iuj+ilj)/2-Idc/3。
(4)将步骤(1)和步骤(2)得到的需要注入的环流参考值与步骤(3)得到的三相环流的瞬时值做差，经过闭环调节器，得到混合型模块化多电平换流器环流电压参考值ucj，利用下式分别计算混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj：
其中，Udc为直流电压，uj_ref是各相交流参考电压。
(5)根据混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成上桥臂和下桥臂所有电力电子开关器件的控制信号，以此控制信号控制上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现混合型模块化多电平换流器子模块电容电压的波动抑制。
图4为上述实施例的子模块电容电压波动效果对比图。图4a为混合型模块化多电平换流器未采用环流注入方法时A相上桥臂半桥和全桥子模块电容电压波形，由图4a可知，子模块电容电压的最大值约为2150V，图4b为与图4a对应工况下A相上、下桥臂电流波形，桥臂电流有效值约为738A。图4c为混合型模块化多电平换流器采用环流注入方法时A相上桥臂半桥和全桥子模块电容电压波形，由图可知，子模块电容电压的最大值约为2090V，相比图4a，子模块电容电压的最大值降低了约60V，降低了约40％。图4d为与图4c对应工况下A相上、下桥臂电流波形，桥臂电流有效值约为762A，桥臂电流有效值仅增加约3.3％。在显著降低子模块电容电压波动的情况下，桥臂电流有效值增加不明显。因此，本发明子模块电容电压波动抑制方法能够在不显著增加桥臂电流有效值的情况下降低混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动，在满足子模块电容电压波动相当的情况下，能够减小子模块电容，降低换流器成本与体积。

Claims (1)

1.一种混合型模块化多电平换流器子模块电容电压波动抑制方法，所述的混合型模块化多电平换流器由三相六个桥臂组成，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电感L和若干级联的子模块构成，其中，级联子模块既有半桥子模块又有全桥子模块，其特征在于：所述的波动抑制方法包含以下步骤：
(1)计算需要注入的环流参考值的幅值；
实时测量混合型模块化多电平换流器交流相电流的幅值Ioj，根据换流器运行的有功功率与无功功率计算功率因数角的正弦值；所注入环流参考值幅值的表达式如下：
其中，I2f_r为所注入环流参考值的幅值，m为调制比，α为混合型模块化多电平换流器桥臂参考电压负电平部分最大值的绝对值与桥臂能够输出的最大电压的比值；j为三相相序，j＝a，b，c，下标r为参考值；
(2)生成需要注入的环流参考值的相位；
当混合型模块化多电平换流器作为整流器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为210°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-30°；当混合型模块化多电平换流器作为逆变器运行时，j＝a时，所注入环流参考值的相位为-90°；j＝b时，所注入环流参考值的相位为30°；j＝c时，所注入环流参考值的相位为-210°；
(3)实时测量混合型模块化多电平换流器上桥臂电流瞬时值iuj、下桥臂电流瞬时值ilj和直流电流瞬时值Idc，利用下式计算得到混合型模块化多电平换流器三相环流的瞬时值icj：
当混合型模块化多电平换流器为整流器时：icj＝(iuj+ilj)/2+Idc/3；
当混合型模块化多电平换流器为逆变器时：icj＝(iuj+ilj)/2-Idc/3；
(4)将步骤(1)和步骤(2)得到的需要注入的环流参考值与步骤(3)得到的三相环流的瞬时值做差，经过闭环调节器，得到混合型模块化多电平换流器环流电压参考值ucj，利用下式分别计算混合型模块化多电平换流器上桥臂参考电压upj和下桥臂参考电压unj：
其中，Udc为直流电压，uj_ref是各相交流参考电压；
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