CN107968578A - 一种降低mmc子模块电容电压波动率的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低MMC子模块电容电压波动率的控制方法，该控制方法通过合理的控制器设计，将子模块平均电容电压的二次谐波分量抑制到零，从而在相同的电容电压波动率情况下，能够大大减小子模块电容值，可以实现柔直换流阀的轻型化。因此在相同的电容电压波动率条件下，本发明可以大大降低MMC子模块电容值，实现柔直换流阀的轻型化；此外，本发明不用注入桥臂环流，不会增加柔直换流阀的损耗。

Description

一种降低MMC子模块电容电压波动率的控制方法
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种降低MMC子模块电容电压波动率的控制方法。
背景技术
基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的柔性直流换流阀是柔性直流输电技术的核心设备，高压大容量柔性直流输电工程的建设对更高电压等级、更大容量的柔性直流换流阀的研制提出了迫切需求。对比国内正在研制的±500kV/3000MW柔直换流阀、成熟的±320kV/1000MW柔直换流阀以及±200kV/400MW柔直换流阀：±200kV/400MW柔直换流阀一个单元的总重量6×57吨，占地面积34×22m(长×宽)，成本约2亿元；±320kV/1000MW柔直换流阀一个单元总重量6×69吨，占地面积39.87×22m(长×宽)，成本约4亿元；±500kV/3000MW柔直换流阀一个单元的总重量6×120吨，占地面积58m×21m(长×宽)，成本约9亿元。
由上述对比分析可知，随着电压等级、系统容量的提升，柔性直流换流阀的重量、体积和成本会大大增加，从而限制了柔性直流输电技术的推广应用。需要指出的是，基于MMC拓扑结构的柔性直流换流阀的基本单元为子模块，子模块中电容成本与绝缘栅双极型晶体管IGBT器件成本相近，体积达到子模块体积的60％，重量更是达到子模块重量的70％。因此，以电容为突破口，开展柔直换流阀轻型化关键技术的研究，符合现阶段对于轻型化柔性直流换流阀的迫切需求；而降低MMC子模块电容电压波动率，是实现柔直换流阀轻型化的有效手段。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种降低MMC子模块电容电压波动率的控制方法，通过设计相应的控制策略，降低MMC子模块电容电压波动率，从而在相同电压波动情况下可以减小子模块电容值，实现柔直换流阀的轻型化。
一种降低MMC子模块电容电压波动率的控制方法，包括如下步骤：
(1)对于MMC的任一桥臂，通过测量该桥臂各子模块的电容电压，以求取该桥臂的子模块平均电容电压；
(2)对所述子模块平均电容电压进行傅里叶变换，以求取子模块平均电容电压的二次谐波分量(对应100Hz)；
(3)使给定的二次谐波分量参考值减去子模块平均电容电压的二次谐波分量，进而将两者的差值经PI控制后得到调制电压修正量；
(4)将所述调制电压修正量叠加至MMC的初始调制波上，得到修正后的调制波，进而将该调制波输入至MMC的调制器中生成桥臂各子模块所需的触发脉冲并加以控制。
进一步地，所述步骤(3)中给定的二次谐波分量参考值设定为0。
基于上述控制策略，本发明能够使MMC子模块平均电容电压的二次谐波分量降低到零，故具有以下有益技术效果：
(1)本发明可以大大降低MMC子模块电容电压波动率，因此在相同的电容电压波动率条件下，可以大大降低MMC子模块电容值，实现柔直换流阀的轻型化；
(2)本发明不用注入桥臂环流，因此不会增加柔直换流阀的损耗。
附图说明
图1为本发明MMC子模块电容电压波动率抑制器的结构示意图。
图2为两端测试系统的结构示意图。
图3为无附加控制策略情况下MMC的a相上桥臂子模块电容电压波形图。
图4为采用本发明控制策略后MMC的a相上桥臂子模块电容电压波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
从MMC的数学模型可知，桥臂电流包含直流分量、基波风量和二倍频风量，可表示如下：
MMC的平均开关函数可表示为：
这样可以求出子模块平均电容电流为：
子模块平均电容电压与子模块平均电容电流的关系为：
联立式(3)和式(4)可得，子模块平均电容电压表达式为：
根据式(1)可以求出桥臂电流的有效值为：
式(5)和式(6)是换流阀优化过程的两个度量指标，其中桥臂电流有效值主要用来评价换流阀的通态损耗，损耗越小则系统运行越经济；子模块平均电容电压主要用来评价IGBT器件的电压应力大小，实现对子模块电容电压波动的抑制，在确保子模块电容电压同等波动幅度的条件下，可以使子模块电容容值得以降低。
为此，本发明设计了用于降低MMC子模块电容电压波动率的抑制器，如图1所示，其具体控制流程如下：
(1)测量桥臂子模块电容电压值，并求取子模块平均电容电压；
(2)对子模块平均电容电压进行傅里叶变换，求取子模块平均电容电压的二次谐波分量；
(3)将子模块平均电容电压的二次谐波分量参考值与上一步求得的实际值做差，所得的差值经过比例-积分控制器，得到调制波修正量；本实施方式中的二次谐波分量参考值设为零。
(4)将调制波修正量叠加到MMC初始调制波上，得到修正后的调制波，并通过MMC的调制器生成桥臂子模块所需要的触发脉冲并加以控制。
采用上述抑制器控制之后，子模块平均电容电压变为：
桥臂电流有效值为：
以下采用如图2所示的两端400kV、400MW测试系统进行仿真验证，每个MMC换流站的系统参数如表1所示。设置仿真工况如下：MMC1采用定直流电压控制，直流电压参考值为400kV；MMC2采用定有功功率控制，有功功率参考值为400MW；两个换流站的无功功率都控制为零。
表1
参数 数值
MMC额定容量SvN/MVA 400
直流电压Udc/kV 400
交流系统额定频率f0/Hz 50
交流系统等效电抗Lac/mH 24
每个桥臂子模块数目N 20
子模块电容C0/μF 666
桥臂电感L0/mH 76
在只含有功率外环控制、电流内环控制，而没有任何附加控制策略情况下，a相上桥臂子模块电容电压仿真波形如图3所示；从图3中可以看出，子模块电容电压的额定值为20kV，电容电压波动率大约为10％。
加入本发明所设计的控制策略后，a相上桥臂子模块电容电压波形如图4所示；从图4中可以看出，此时的电容电压波形与无附加控制策略有很大的不同；通过进一步计算可以得到，该仿真工况下的电容电压波动率为5.1％。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种降低MMC子模块电容电压波动率的控制方法，包括如下步骤：
(1)对于MMC的任一桥臂，通过测量该桥臂各子模块的电容电压，以求取该桥臂的子模块平均电容电压；
(2)对所述子模块平均电容电压进行傅里叶变换，以求取子模块平均电容电压的二次谐波分量；
(3)使给定的二次谐波分量参考值减去子模块平均电容电压的二次谐波分量，进而将两者的差值经PI控制后得到调制电压修正量；
(4)将所述调制电压修正量叠加至MMC的初始调制波上，得到修正后的调制波，进而将该调制波输入至MMC的调制器中生成桥臂各子模块所需的触发脉冲并加以控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中给定的二次谐波分量参考值设定为0。
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