CN108471246B - 一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法，该控制方法通过在阀侧电压调制波中注入三次谐波，降低了每个桥臂需要输出的最大电压值，从而降低每个子模块的电容电压，有效降低了开关器件承压。相对于现有技术，采用本发明控制策略能够同时降低开关器件承受的最大电压和平均电压，不会增加子模块体积和模块化多电平换流器的运行损耗。

Description

一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法
技术领域
本发明属于电力电子系统技术领域，具体涉及一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法。
背景技术
随着电力电子技术的蓬勃发展，基于模块化多电平换流器(Modular MultilevelConverter，MMC)的高压直流输电(HighVoltage Direct Current，HVDC)技术正受到越来越多的关注。模块化多电平换流器作为一种适用于高压直流输电场合的电压源换流器(voltage source converter，VSC)拓扑，最初在2001年被提出。和其他电压源型换流器拓扑相比，模块化多电平换流器具有显著优势，由于采用基本运行单元级联的形式，该拓扑避免了大量开关器件直接串联，不存在一致触发等问题,使得电力电子器件的动态均压和一致触发等工业上的难点问题得以解决。同时，模块化多电平换流器的子模块结构使得电力电子器件的开关频率得到了有效降低，从而降低了换流站的运行损耗。该拓扑可在保证经济性的同时输出高品质电压波形，因此近年来被迅速应用到新能源并网、海上风电送出等场合。
典型的三相模块化多电平换流器的系统结构如图1所示，为三相六桥臂结构，包含三个相单元，每个相单元包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个半桥子模块和一桥臂电抗器串联组成，用于将交流电网的三相交流电转换为直流电；半桥子模块输出电压存在正和零两种电平，桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件的作用。
由于三相模块化多电平换流器将换流器的能量分散储存在了各个子模块电容内，导致在子模块电容为有限值的情况下，三相模块化多电平换流器运行状态中的电容电压波动是无法避免的。每个子模块会根据开关器件的动作在投入状态和切除状态之间切换，同时桥臂电流也随之对投入中的子模块电容进行充放电，引起子模块电容电压的波动。而子模块中各个开关器件需要承受的最大电压就是电容电压的最大值。因此为了降低开关器件承受的最大电压，目前有2种可行的途径，第一种途径为为降低子模块电容电压波动率上，第二种途径为降低稳定运行状态下的子模块电容电压。
已有的方法一般集中在第一种途径上，即将子模块电容电压控制为额定值的情况下，通过减小子模块电容电压波动降低子模块电容电压最大值，从而减小开关器件承受的电压。其中主要分为增大电容和注入桥臂环流两种方法，其中增加电容会同时增加换流阀的制造成本和体积，而注入桥臂环流的方法则会增加模块化多电平换流器的运行损耗。
因此，如果能提出一种控制策略，能够降低运行中的子模块电容电压，使其低于额定值，便能同时减小开关器件长期承受的平均电压和最大电压，在提高换流器的运行可靠性，延长开关器件使用寿命以及降低开关器件损耗等方面均具有较高的效益。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法，该控制方法通过在阀侧电压调制波中注入三次谐波，降低了每个桥臂需要输出的最大电压值，从而降低每个子模块的电容电压，有效降低了开关器件承压。
一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法，包括如下步骤：
(1)在MMC阀侧各相相电压的调制波中加入三次谐波分量；
(2)对于MMC任一相单元，根据加入三次谐波分量后的调制波计算该相单元的上桥臂电压和下桥臂电压；
(3)计算确定MMC的桥臂电压最大值；
(4)根据所述桥臂电压最大值计算确定MMC子模块电容电压的参考值；
(5)根据所述子模块电容电压参考值以及相单元的上下桥臂电压，计算确定下一时刻MMC各相单元上下桥臂所需投入的子模块数量；
(6)根据步骤(5)计算得到的结果，在下一时刻对MMC每个桥臂中的子模块进行投切控制。
进一步地，所述步骤(1)中通过以下公式计算确定MMC阀侧各相相电压加入三次谐波分量后的调制波：
Figure BDA0001623980240000032
Figure BDA0001623980240000033
其中：ua为MMC阀侧a相相电压加入三次谐波分量后的调制波，ub为MMC阀侧b相相电压加入三次谐波分量后的调制波，uc为MMC阀侧c相相电压加入三次谐波分量后的调制波，Um为MMC阀侧相电压基波分量的幅值，f为MMC所连交流系统的额定频率，θ为MMC阀侧相电压基波分量的相角，t为时间。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算相单元的上桥臂电压和下桥臂电压：
Figure BDA0001623980240000034
Figure BDA0001623980240000035
其中：upj为MMC中j相相单元的上桥臂电压，unj为MMC中j相相单元的下桥臂电压，Udc为MMC直流侧输出电压额定值，uj为MMC阀侧j相相电压加入三次谐波分量后的调制波，j＝a、b或c。
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算确定MMC的桥臂电压最大值：
umax＝(0.5+0.433m)Udc
其中：umax为MMC的桥臂电压最大值，m为MMC的电压调制比，Udc为MMC直流侧输出电压额定值。
进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算确定MMC子模块电容电压的参考值：
Figure BDA0001623980240000041
其中：UC1为MMC子模块电容电压的参考值，umax为MMC的桥臂电压最大值，m为MMC的电压调制比，UC0为MMC子模块电容电压的额定值，N为MMC任一桥臂中的子模块个数。
进一步地，所述电压调制比m的计算表达式为m＝2Um/Udc，Um为MMC阀侧相电压基波分量的幅值。
进一步地，所述子模块电容电压额定值UC0的计算表达式为UC0＝Udc/N，Udc为MMC直流侧输出电压额定值。
进一步地，所述步骤(5)中对于MMC任一相单元，通过以下公式计算确定下一时刻该相单元上下桥臂所需投入的子模块数量：
Figure BDA0001623980240000042
Figure BDA0001623980240000043
其中：Npj为下一时刻MMC中j相相单元上桥臂所需投入的子模块数量，Nnj为下一时刻MMC中j相相单元下桥臂所需投入的子模块数量，round()为四舍五入取整函数，upj为MMC中j相相单元的上桥臂电压，unj为MMC中j相相单元的下桥臂电压，UC1为MMC子模块电容电压的参考值，j＝a、b或c。
本发明在阀侧相电压调制波中加入的三次谐波分量为零序分量，会被换流变压器阻隔，不会进入交流系统，且设置的子模块电容电压相较于额定值降低了(0.5-0.433m)UC0，由于子模块中的开关器件承受的电压就是子模块电容电压，可以计算得到在本发明控制策略下开关器件承压降低率K的表达式为：
Figure BDA0001623980240000044
由此可见，相对于现有技术，采用本发明控制策略能够同时降低开关器件承受的最大电压和平均电压，不会增加子模块体积和模块化多电平换流器的运行损耗。
附图说明
图1为模块化多电平换流器的结构示意图。
图2为本发明MMC中A相阀侧电压调制波基波分量及其注入三次谐波后的波形图。
图3为采用本发明策略前后MMC中A相上桥臂子模块的平均电压波形图。
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。
如图1所示，模块化多电平换流器为三相六桥臂结构，包含三个相单元，每个相单元包含上下两个桥臂，每个桥臂由N个半桥子模块和一桥臂电抗器串联组成，用于将交流电网的三相交流电转换为直流电；半桥子模块输出电压存在正和零两种电平，桥臂电抗器能够抑制桥臂换流，在直流故障时起到抑制故障电流上升，保护IGBT等器件的作用。半桥子模块由两个IGBT管T1～T2和一个电容C构成；其中，IGBT管T1的发射极与IGBT管T2的集电极相连并构成半桥子模块的一端，IGBT管T1的集电极和电容C的一端相连，IGBT管T2的发射极与电容C的另一端相连并构成半桥子模块的另一端。
MMC直流侧输出电压额定值为Udc，子模块电容电压的额定值为：
Figure BDA0001623980240000051
MMC交流侧输出阀侧电压的每相相电压瞬时值为uj(j＝a,b,c)，其中每相的基波成分表达式为：
ua0＝Um sin(2πft+θ)
Figure BDA0001623980240000052
Figure BDA0001623980240000053
其中：Um为基波分量的幅值，θ为基波调制电压的相角，f为交流系统工频；得到模块化多电平换流器换流器的电压调制比m表达式为：
Figure BDA0001623980240000061
本实施例中的模块化多电平换流器的参数如表1所示：
表1
Figure BDA0001623980240000062
接下去采用本发明用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制策略，其具体步骤如下：
(1)首先在调制环节中阀侧各相相电压的调制波中加入三次谐波分量，得到调制波的表达式为：
Figure BDA0001623980240000063
Figure BDA0001623980240000065
如图2所示，可以看到此时A相相电压的最大值为0.866Um，即0.433mUdc。
(2)计算每个相单元的上桥臂电压upj和下桥臂电压unj(j＝a,b,c)：
Figure BDA0001623980240000066
Figure BDA0001623980240000067
(3)计算得到每个桥臂需要输出的桥臂电压的最大值为：
umax＝(0.5+0.433m)Udc
(4)计算确定子模块电容电压的参考值为：
Figure BDA0001623980240000071
(5)计算确定下一时刻每个桥臂需要投入的子模块数量为：
Figure BDA0001623980240000072
Figure BDA0001623980240000073
其中：round()为四舍五入取整函数。
(6)根据步骤(5)中计算结果，对每个桥臂中的子模块进行投切控制。
设置的子模块电容电压相较于额定值降低了(0.5-0.433m)UC0，由于子模块中的开关器件承受的电压就是子模块电容电压，可以计算得到使用了本发明控制策略后，开关器件承压降低率K为：
Figure BDA0001623980240000074
图3所示了使用本发明策略前后A向上桥臂子模块电容电压平均值的波形图，可以看到本发明策略可以有效降低开关器件承受的最大电压和平均电压。
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 (1)

1.一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法，包括如下步骤：
(1)在MMC阀侧各相相电压的调制波中加入三次谐波分量，并通过以下公式计算确定MMC阀侧各相相电压加入三次谐波分量后的调制波：
Figure FDA0002218635490000011
Figure FDA0002218635490000012
其中：ua为MMC阀侧a相相电压加入三次谐波分量后的调制波，ub为MMC阀侧b相相电压加入三次谐波分量后的调制波，uc为MMC阀侧c相相电压加入三次谐波分量后的调制波，Um为MMC阀侧相电压基波分量的幅值，f为MMC所连交流系统的额定频率，θ为MMC阀侧相电压基波分量的相角，t为时间；
(2)对于MMC任一相单元，根据加入三次谐波分量后的调制波通过以下公式计算该相单元的上桥臂电压和下桥臂电压；
Figure FDA0002218635490000014
其中：upj为MMC中j相相单元的上桥臂电压，unj为MMC中j相相单元的下桥臂电压，Udc为MMC直流侧输出电压额定值，uj为MMC阀侧j相相电压加入三次谐波分量后的调制波，j＝a、b或c；
(3)通过以下公式计算确定MMC的桥臂电压最大值；
umax＝(0.5+0.433m)Udc
其中：umax为MMC的桥臂电压最大值，m为MMC的电压调制比且m＝2Um/Udc；
(4)根据所述桥臂电压最大值通过以下公式计算确定MMC子模块电容电压的参考值；
Figure FDA0002218635490000021
其中：UC1为MMC子模块电容电压的参考值，UC0为MMC子模块电容电压的额定值且UC0＝Udc/N，N为MMC任一桥臂中的子模块个数；
(5)根据所述子模块电容电压参考值以及相单元的上下桥臂电压，计算确定下一时刻MMC各相单元上下桥臂所需投入的子模块数量；
对于MMC任一相单元，通过以下公式计算确定下一时刻该相单元上下桥臂所需投入的子模块数量：
Figure FDA0002218635490000022
Figure FDA0002218635490000023
其中：Npj为下一时刻MMC中j相相单元上桥臂所需投入的子模块数量，Nnj为下一时刻MMC中j相相单元下桥臂所需投入的子模块数量，round()为四舍五入取整函数；
(6)根据步骤(5)计算得到的结果，在下一时刻对MMC每个桥臂中的子模块进行投切控制。
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