CN107769216B - 一种用于弱交流电网接入的电压调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于弱交流电网接入的电压调制方法，所述方法包括：MMC阀控制器从极控制器处获取交流电压参考值u_ref；计算得到MMC阀控制器中上、下桥臂电容电压平均值U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}；计算得到上、下桥臂投入子模块数；根据电容电压平衡策略确定子模块投切状态。本发明改进了上、下桥臂投入子模块数的获取方法，使MMC输出的交流电压在直流电压波动时具有较高的稳定性。

Description

一种用于弱交流电网接入的电压调制方法

技术领域

本发明涉及一种用于电网接入的电压调制方法，具体涉及一种用于弱交流电网接入的电压调制方法。

背景技术

柔性直流输电技术具有无需交流侧提供换相电流、没有无功补偿和换相失败问题、可与弱电网或无源电网联系的特点，因此，其被认为是应用于弱交流电网场景的最佳解决方案。

工程中柔性直流输电系统均采用模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)。柔性直流输电的控制系统向MMC提供各相交流参考电压，MMC根据参考电压确定上、下桥臂子模块的投切个数，从而输出给定的交流电压。这一过程被称为MMC的电压调制，实际工程中MMC一般采用最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation，NLM)方法。传统NLM调制方法在计算上、下桥臂的投切子模块数时，直流电压和子模块电容电压均采用额定值，因此系统运行方式改变或发生故障时，MMC经调制后输出的交流电压无法跟随其参考值，使控制系统无法正确作用。

对于与弱交流电网(尤其是无源孤岛)相联的换流站，往往采用定交流电压控制方式，需要将其交流侧电压控制在参考值。此种情况下，若MMC采用传统的NLM调制策略，在系统运行方式改变或发生故障时，由于弱交流电网对交流电压的支撑能力较弱，因此MMC输出的交流侧电压会出现波动，影响弱交流电网的电压稳定性。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种用于弱交流电网接入的电压调制方法，本发明改进了上、下桥臂投入子模块数的获取方法，使MMC输出的交流电压在直流电压波动时具有较高的稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种用于弱交流电网接入的电压调制方法，所述方法包括如下步骤：

(1)MMC阀控制器从极控制器处获取交流电压参考值u_ref；

(2)计算得到MMC阀控制器中上、下桥臂电容电压平均值U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}；

(3)计算得到上、下桥臂投入子模块数；

(4)根据电容电压平衡策略确定子模块投切状态。

优选的，所述步骤(1)中，所述MMC阀控制器的每相单元包括上下两个桥臂，共有6个桥臂，每个桥臂包括N个结构相同的子模块SM和一个串联的桥臂电抗器。

优选的，所述子模块SM通过控制其中的2个IGBT的导通和关断，改变子模块的投切状态，所述投切状态包括投入状态、切除状态和二极管不控整流状态；当为投入状态时，输出电压为Uc，当为切除状态时，输出电压为0。

优选的，所述步骤(2)中，计算所述上、下桥臂电容电压平均值U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}，公式如下：

式中，U_{C_p_i}、U_{C_n_i}分别为上、下桥臂第i个子模块的电容电压，U_{C_p}和U_{C_n}分别为上、下桥臂子模块的电容电压，N为每个桥臂子模块的数量。

优选的，所述步骤(3)包括如下步骤：

步骤3-1、设i相上、下桥臂投入的子模块数分别为N_{on_p}、N_{on_n}，计算所述MMC阀控制器输出的交流电压u_i为：

式中，U_dc为子模块的直流电压；

由式(2)两个公式相加除以2得出

步骤3-2、将交流侧电压u_i控制在其参考值u_ref，公式如下：

u_i＝u_ref (4)

步骤3-3、为了使子模块电容电压稳定在其额定值附件，上下桥臂投入的子模块数之和应为N,公式如下：

N_{on_p}+N_{on_n}＝N (5)

步骤3-4、联立式(2)、(3)、(4)、(5)，得出上、下桥臂投入的子模块数N_{on_p}、N_{on_n}分别为：

将公式(1)代入公式(6)，得出如下公式：

优选的，所述步骤(4)包括如下步骤：

步骤4-1、对上、下桥臂子模块电容电压进行排序；

步骤4-2、通过检测上、下桥臂电流方向得到上、下桥臂子模块为充放电状态；

步骤4-3、若上、下桥臂子模块为充电状态，则投入电容电压最低的N_{on_p}、N_{on_n}个子模块，其余的N-N_{on_p}、N-N_{on_n}个子模块则置为切除状态；若上、下桥臂子模块为放电状态，则投入电容电压最高的N_{on_p}、N_{on_n}个子模块，其余的N-N_{on_p}、N-N_{on_n}个子模块则置为切除状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明考虑了直流电压、子模块电容电压实际值对MMC交流侧输出电压的影响，改进了上、下桥臂投入子模块数的获取方法，使MMC输出的交流电压在直流电压波动时具有较高的稳定性，更好的跟随交流电压参考值；

本发明能够有效抑制与弱交流电网相联换流站的交流电压波动问题，有效提升了弱交流电网的电压稳定性。

附图说明

图1为MMC拓扑结构图，

图2为NLM调制策略的示意图，

图3为MMC改进电压调制策略的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，为MMC拓扑结构，每相单元由上、下两个桥臂构成，共有6个桥臂，每个桥臂由N个结构相同的子模块(SM)与一个桥臂电抗器L₀串联构成。

其中U_dc为MMC直流侧正负极直流母线间电压，u_a、u_b、u_c为MMC输出的交流侧三相电压，U_C为子模块的电容电压。

每个SM都可看作一个可控电压源，通过控制2个IGBT的导通和关断，可以实现子模块的投入或切除，子模块的输出电压相应的为U_C和0，具体为：S1导通S2关断，则子模块投入，输出电压为U_C；S1关断S2投入，则子模块切除，输出电压为0；S1关断S2关断，则子模块闭锁，处于二极管不控整流状态。

如图2所示，为NLM调制策略的示意图，其中阶梯波u_i为MMC输出的交流侧i相(i＝a,b,c)电压，u_ref为其参考电压，U_C为子模块电容电压，U_dc为直流电压。

NLM调制策略的思路是通过控制各个子模块的投切状态，生成阶梯波交流电压，用该阶梯波去逼近正弦波参考电压。该调制策略逻辑简单，便于实现，且当子模块数较高时，其输出的交流电压非常接近于正弦波，谐波含量低。

传统NLM调制策略中，在计算上、下桥臂的投入子模块数时，直流电压和子模块电容电压均采用额定值。假如系统运行方式改变或发生故障，使直流电压偏离其额定值，则由于上、下桥臂投入子模块数之和仍为N，子模块电容电压实际值也将随直流电压的变化而变化。当系统发生故障或扰动使其直流电压波动时，MMC输出的交流侧电压无法跟随参考值，而是会随直流电压的波动而波动。

如图3所示，为MMC改进电压调制策略的控制流程，步骤如下：

步骤1：获取交流电压参考值u_ref

MMC的阀控制器从极控制器处获取每一相桥臂的交流电压参考值u_ref。NLM调制的目标即为使该相桥臂的交流输出电压等于其参考值u_ref。

步骤2：计算上、下桥臂电容电压平均值

计算得到上、下桥臂电容电压平均值U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}，具体计算公式如下：

其中U_{C_p_i}、U_{C_n_i}分别为上、下桥臂第i个子模块的电容电压。

步骤3：计算上、下桥臂投入子模块数

将步骤1获得的u_ref与步骤2获得的U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}，代入下式计算得出上、下桥臂投入子模块数N_{on_p}、N_{on_n}，其中N为上(下)桥臂子模块总个数。

步骤4：根据电容电压平衡策略确定子模块投切状态

获得上、下桥臂投入子模块数N_{on_p}、N_{on_n}后，根据电容电压平衡策略确定各个子模块的投切状态，其流程为：

1)对上(下)桥臂子模块电容电压进行排序；

2)通过检测上(下)桥臂电流方向得到上(下)桥臂子模块的充放电状态；

3)若上(下)桥臂子模块为充电状态，则投入电容电压最低的N_{on_p}(N_{on_n})个子模块，其余的N-N_{on_p}(N-N_{on_n})个子模块则置为切除状态；若上(下)桥臂子模块为放电状态，则投入电容电压最高的N_{on_p}(N_{on_n})个子模块，其余的N-N_{on_p}(N-N_{on_n})个子模块则置为切除状态。

由此，即可获得上、下桥臂各个子模块的投切状态。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种用于弱交流电网接入的电压调制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)MMC阀控制器从极控制器处获取交流电压参考值u_ref；

(2)计算得到MMC阀控制器中上、下桥臂电容电压平均值U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}；

(3)计算得到上、下桥臂投入子模块数；

(4)根据电容电压平衡策略确定子模块投切状态；

所述步骤(2)中，计算所述上、下桥臂电容电压平均值U_{C_avg_p}、U_{C_avg_n}，公式如下：

式中，U_{C_p_i}、U_{C_n_i}分别为上、下桥臂第i个子模块的电容电压，U_{C_p}和U_{C_n}分别为上、下桥臂子模块的电容电压，N为每个桥臂子模块的数量；

所述步骤(3)包括如下步骤：

步骤3-1、设i相上、下桥臂投入的子模块数分别为N_{on_p}、N_{on_n}，计算MMC阀控制器输出的交流电压u_i为：

式中，U_dc为子模块的直流电压；

由式(2)两个公式相加除以2得出

步骤3-2、将交流侧电压u_i控制在其参考值u_ref，公式如下：

u_i＝u_ref (4)

步骤3-3、为了使子模块电容电压稳定在其额定值附近，上下桥臂投入的子模块数之和应为N,公式如下：

N_{on_p}+N_{on_n}＝N (5)

步骤3-4、联立式(2)、(3)、(4)、(5)，得出上、下桥臂投入的子模块数N_{on_p}、N_{on_n}分别为：

将公式(1)代入公式(6)，得出如下公式：

2.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述MMC阀控制器的每相单元包括上下两个桥臂，共有6个桥臂，每个桥臂包括N个结构相同的子模块SM和一个串联的桥臂电抗器。

3.根据权利要求2所述方法，其特征在于，所述子模块SM通过控制其中的2个IGBT的导通和关断，改变子模块的投切状态，所述投切状态包括投入状态、切除状态和二极管不控整流状态；当为投入状态时，输出电压为Uc，当为切除状态时，输出电压为0。

4.根据权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤(4)包括如下步骤：

步骤4-1、对上、下桥臂子模块电容电压进行排序；

步骤4-2、通过检测上、下桥臂电流方向得到上、下桥臂子模块为充放电状态；

步骤4-3、若上、下桥臂子模块为充电状态，则投入电容电压最低的N_{on_p}、N_{on_n}个子模块，其余的N-N_{on_p}、N-N_{on_n}个子模块则置为切除状态；若上、下桥臂子模块为放电状态，则投入电容电压最高的N_{on_p}、N_{on_n}个子模块，其余的N-N_{on_p}、N-N_{on_n}个子模块则置为切除状态。

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