CN108322075A - 基于中点移位控制的mmc热应力不均平抑方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于中点移位控制的MMC热应力不均平抑方法，该方法在电网发生不对称接地故障时通过中点移位，改变MMC交流侧输出电压来平衡三相桥臂直流电流，从而使三相的开关器件损耗趋于一致，达到平衡子模块热应力的目的。本发明方法在保证MMC传输功率不变，维持交流侧电流原始输出条件下，平衡不对称接地故障情况下换流器三相桥臂直流电流，显著降低各相子模块开关器件热应力差异，提升MMC系统在电网不对称接地故障下的可靠性。

Description

基于中点移位控制的MMC热应力不均平抑方法

技术领域

本发明属于电力电子控制技术领域，具体涉及一种基于中点移位控制的MMC热应力不均平抑方法。

背景技术

相比于传统的基于电网换相整流器高压直流输电技术(LCC-HVDC)，以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)有着可以独立控制有功、无功，换流站占地面积小，故障穿越能力强等一些突出的优点。而在众多的电压源型换流器(VSC)拓扑中，模块化多电平换流器(MMC)因其输出波形质量好、器件开关频率低、模块化程度高等优点日益成为高压直流输电(HVDC)的首选拓扑之一。

随着VSC-HVDC容量等级的不断提升，MMC换流站的稳定性和可靠性备受关注。在很多场合不仅要求MMC能够承受电网故障带来的冲击，而且还要求在电网发生故障时MMC能及时为交、直流电网提供有效的支撑。当电网发生故障时，MMC的运行环境会极其恶劣，换流器功率器件承受着较高的电压、电流应力，尤其是热应力。很多场合换流器开关器件的热应力性能起着关键性作用，器件的热应力不均和复杂的热循环成为影响变换器稳定运行的主要因素。

相比传统换流器拓扑，MMC有着特殊的电路结构与运行原理，在电网发生不对称故障情况下，在传统的正负序电流控制方案下，MMC三相桥臂直流电流分布不均，引发三相桥臂器件热应力不均，而现有的MMC热平衡方法主要基于三相对称运行条件下展开的，因此在MMC三相不对称运行条件下需要采取新的措施来维持MMC各相热应力平衡。

当MMC遇到热不均、热冲击等故障时，一方面可以进行被动式的散热设计来削弱，另一方面可以采取有效可行的主动控制方法。显然，后者成本较低，无需升级硬件，是实现平抑MMC热应力不均的可行途径。

发明内容

鉴于上述，本发明提供了一种基于中点移位控制的MMC热应力不均平抑方法，当MMC运行在不对称工况下，能够有效平衡三相热应力。

一种基于中点移位控制的MMC热应力不均平抑方法，所述MMC的交流侧依次经过换流母线和换流变压器后并入交流电网；所述MMC热应力不均平抑方法为：检测电网电压是否存在不对称故障且不对称程度(如三相电压之间的幅值差)超过警戒设定值，若是则进一步检测MMC交流侧输出电流是否对称，若输出电流对称，则对MMC进行中点移位控制以平抑其热应力不均的状况，具体过程如下：

首先，根据不对称故障条件下换流变压器的阀侧电压和电流以及MMC桥臂电流，计算出所需叠加的零序电压分量u_NO，从而得到叠加零序电压分量u_NO后的MMC交流输出电压调制信号；然后，判断该调制信号是否过调制：若未过调制，则利用该调制信号对MMC进行控制；若存在过调制，则渐进减小所叠加零序电压分量u_NO的幅值，直至调制信号不再过调制后利用其对MMC进行控制。

进一步地，所述零序电压分量u_NO＝U_NOcos(ωt+α)，其中U_NO和α分别为零序电压分量u_NO的幅值和相角，ω为角频率ω＝2πf，f为电网频率，t为时间；

当电网a相发生接地故障时，幅值U_NO和相角α的计算表达式如下：

当电网b相发生接地故障时，幅值U_NO和相角α的计算表达式如下：

当电网c相发生接地故障时，幅值U_NO和相角α的计算表达式如下：

其中：i_dca0、i_dcb0和i_dcc0分别为采用中点移位控制前MMC的a相桥臂电流直流分量、b相桥臂电流直流分量和c相桥臂电流直流分量，U_dc为MMC的直流侧电压，I_o1为MMC交流侧输出电流幅值。

对于MMC任一相桥臂电流直流分量i_dcj0，通过测量采集得到该相上下桥臂电流，则i_dcj0即等于该相上下桥臂电流之和除以2，j＝a、b或c。

对于MMC任一相桥臂电流直流分量i_dcj0，或通过以下表达式计算得到：

其中：U_vj为换流变压器阀侧j相电压幅值，θ_vj为换流变压器阀侧j相功率因数角，j＝a、b或c。

当电网发生单相接地不对称故障情况下，本发明在传统控制方案基础上采用中点移位，加入三相零序电压调制波，改变MMC交流侧输出电压来平衡三相桥臂直流电流，从而使三相的开关器件损耗趋于一致，达到平衡子模块热应力的目的；该方法并不影响MMC交流电流和功率输出，使MMC内部三相桥臂直流电流得以均衡，使各相桥臂子模块损耗趋于一致，从而使MMC各相热应力不均问题得到解决，显著降低各相子模块开关器件热应力差异，提升MMC系统在电网不对称接地故障下的可靠性。

附图说明

图1为单端三相模块化多电平换流器拓扑及其半桥子模块的结构示意图。

图2为典型的MMC并网连接示意图。

图3为针对MMC不对称故障传统的电流正负序控制结构框图。

图4(a)为正常工况下及发生a相接地故障下MMC交流侧电压波形示意图。

图4(b)为正常工况下及发生a相接地故障下MMC交流侧电流波形示意图。

图5为电网单相接地故障下采用传统控制方法的MMC三相子模块最高结温示意图。

图6为电网单相接地故障前后采用传统控制方法的MMC子模块开关器件各芯片结温变化示意图。

图7为本发明基于中点移位控制的MMC热应力平抑方法流程示意图。

图8为本发明基于中点移位控制结合传统控制方案的结构框图。

图9为电网单相接地故障下采用本发明基于中点移位控制策略的MMC三相子模块开关器件最高结温示意图。

图10为电网单相接地故障前后采用本发明基于中点移位控制策略的MMC子模块开关器件各芯片结温变化示意图。

具体实施方式

为了更加具体清晰地描述本发明提出的方法，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。

如图1所示，一个单端三相模块化多电平换流器MMC拓扑由三相六个桥臂组成，每个桥臂由N个子模块SM和一个桥臂电抗器串联而成，三相桥臂直接并联在直流母线上，交流侧经变压器并入电网，子模块SM采用常见的半桥子模块，它由两个IGBT构成的半桥结构和直流储能电容组成。

如图2所示，MMC交流侧经过换流母线、△/Y型换流变压器和公共并网点接入电网，交流网侧单相接地故障也是电网故障类型中常见的情形，下面以a相接地为例做详细分析，并同时在MATLAB/Simulink上搭建了一个201电平的三相MMC仿真平台，仿真主要参数如表1所示：

表1

当电网a相发生接地故障时，a相电压跌落，电网电压零序分量被变压器隔离，MMC交流侧电压、电流将含有正序和负序分量，此时，传统的控制方案如图3所示：将MMC交流输出电流进行dq变换做正负序解耦，再分别对正负序电流施以PI控制，为了抑制负序电流，将负序电流参考值设为0，再引入电压耦合补偿项，生成正负序电压指令，最后经过dq反变换，输出MMC各相电压调制波。

采用传统控制方法的问题是：虽然MMC三相交流电流对称输出，但会导致MMC各相桥臂电流直流分量不相等，从而引发MMC各相子模块损耗和热应力不一致，可能导致高热应力环境下的子模块开关器件和储能电容损坏。

如图4(a)和图4(b)所示，正常运行工况下和网侧发生单相接地故障情形下，交流侧输出电压、电流以及MMC内部桥臂直流电流对比波形，可见正常稳态运行条件下，MMC输出三相对称的交流电压和交流电流，而且MMC直流电流在三个桥臂内均分。而电网a相发生接地故障，采用传统控制策略时，MMC的交流输出电压出现不对称，c相电压高于a、b两相，交流输出电流仍维持三相对称，但三相桥臂直流电流不再相等，c相桥臂直流电流接近0.5kA，a、b两相直流电流约0.2kA，c相明显高于a、b两相。

图5为电网单相接地故障下，采用传统控制方法下的MMC三相子模块最高结温对比图。正常运行工况下，a、b、c三相子模块开关器件结温均为90℃，随着电网a相电压跌落电压增大，c相子模块开关器件最高结温逐渐与a、b两相拉开差距，当a相电压完全跌落，c相开关器件最高结温达到105℃以上，a、b两相器件结温增长到95℃左右。因此，电网的不对称故障给MMC三相带来了不同的热应力，威胁着MMC的安全稳定运行。

图6为电网单相接地故障前后，采用传统控制方法下的MMC子模块开关器件各芯片结温变化图。从图6中可以发现，稳态运行下，如图1所示的半桥模块中，芯片的下管二极管温度，高于上管IGBT，高于上管二极管，高于下管IGBT。而且故障发生后，下管二极管温升最高，从90℃升到105℃。而其他管温升比较温和。

为了避免上述问题，本发明提出了基于中点移位的控制方法，其实施总体流程如图7所示，包括如下步骤：

(1)持续监测电网电压，根据电网电压判断电网是否发生不对称故障：若检测到电网电压不对称，且不对称度(如电网三相电压幅值差)超过预设警戒值，则进一步检测MMC交流侧输出电流是否对称，若输出电流对称，则中点移位控制策略生效，进行下一步。

(2)根据传统控制方案中的MMC三相桥臂直流电流分量或换流变压器阀侧电压和电流，计算中点移位控制所需的零序电压分量u_NO，其中，零序电压幅值相位计算方法有两种：

方案a：在检测到电网a相发生接地故障后，首先记录传统控制方案下的MMC各相桥臂电流直流分量，并根据下式计算所需的零序电压分量u_NO＝U_NOcos(ωt+α)的幅值和相角：

其中，i_dcj0(j＝a,b,c)为传统正负序控制方案下的MMC各相桥臂电流直流分量，U_dc为MMC直流侧电压，I_o1为MMC交流输出电流幅值，亦为换流变压器阀侧电流幅值。

方案b：在检测到电网发生a相接地故障后，不直接使用故障时MMC各相桥臂直流电流进行计算，而是首先通过采样换流变压器阀侧三相电压、电流间接计算MMC各相桥臂电流直流分量，其计算方法如下：

其中，U_vj(j＝a,b,c)为换流变压器阀侧各相电压幅值，θ_vj为换流变压器阀侧各相功率因数角。计算出桥臂直流电流后，再根据方案a中的公式进一步计算零序电压分量u_NO＝U_NOcos(ωt+α)的幅值和相角。

(3)根据计算的到的零序电压u_NO，计算叠加零序分量后的MMC交流输出调制电压，其计算公式为：

u_Nj＝u_oj+U_NOcos(ωt+α)，(j＝a,b,c)

其中，u_oj为传统控制方案中得到的三相调制电压。

(4)判断MMC交流输出调制电压是否过调制，若未过调制则将电压输出。

综上，基于中点移位的核心控制策略可以用图8所示的控制结构表示，与传统控制策略相比，即在原输出三相调制波中叠加一个零序分量。

图9是电网单相接地故障下，采用基于中点移位控制策略下的MMC三相子模块开关器件最高结温示意图。对比图5，由于采用了中点移位控制，随着电网a相电压的跌落深度越来越大，但三相器件温升仍保持一致，三相的开关器件最高结温从90℃上升到97℃，只略有上升，使MMC各相热应力不均得到平抑。

图10是电网单相接地故障前后，采用基于中点移位控制策略下的MMC子模块开关器件各芯片结温变化示意图。对比图6，采用中点移位控制前后的子模块开关器件芯片结温上升趋势得到缓和，同样条件下，半桥子模块下管二极管温升只有5℃。因此，本发明中点移位控制有效地抑制了电网不对称故障给MMC带来的热冲击，保证了MMC的安全可靠运行。

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 (4)

1.一种基于中点移位控制的MMC热应力不均平抑方法，所述MMC的交流侧依次经过换流母线和换流变压器后并入交流电网；其特征在于：所述MMC热应力不均平抑方法为：检测电网电压是否存在不对称故障且不对称程度超过警戒设定值，若是则进一步检测MMC交流侧输出电流是否对称，若输出电流对称，则对MMC进行中点移位控制以平抑其热应力不均的状况，具体过程如下：

首先，根据不对称故障条件下换流变压器的阀侧电压和电流以及MMC桥臂电流，计算出所需叠加的零序电压分量u_NO，从而得到叠加零序电压分量u_NO后的MMC交流输出电压调制信号；然后，判断该调制信号是否过调制：若未过调制，则利用该调制信号对MMC进行控制；若存在过调制，则渐进减小所叠加零序电压分量u_NO的幅值，直至调制信号不再过调制后利用其对MMC进行控制。

2.根据权利要求1所述的MMC热应力不均平抑方法，其特征在于：所述零序电压分量u_NO＝U_NOcos(ωt+α)，其中U_NO和α分别为零序电压分量u_NO的幅值和相角，ω为角频率ω＝2πf，f为电网频率，t为时间；

当电网a相发生接地故障时，幅值U_NO和相角α的计算表达式如下：

当电网b相发生接地故障时，幅值U_NO和相角α的计算表达式如下：

当电网c相发生接地故障时，幅值U_NO和相角α的计算表达式如下：

其中：i_dca0、i_dcb0和i_dcc0分别为采用中点移位控制前MMC的a相桥臂电流直流分量、b相桥臂电流直流分量和c相桥臂电流直流分量，U_dc为MMC的直流侧电压，I_o1为MMC交流侧输出电流幅值。

3.根据权利要求2所述的MMC热应力不均平抑方法，其特征在于：对于MMC任一相桥臂电流直流分量i_dcj0，通过测量采集得到该相上下桥臂电流，则i_dcj0即等于该相上下桥臂电流之和除以2，j＝a、b或c。

4.根据权利要求2所述的MMC热应力不均平抑方法，其特征在于：对于MMC任一相桥臂电流直流分量i_dcj0，通过以下表达式计算得到：

其中：U_vj为换流变压器阀侧j相电压幅值，θ_vj为换流变压器阀侧j相功率因数角，j＝a、b或c。