CN108599606A - 一种用于降低mmc桥臂子模块数量的控制方法 - Google Patents

一种用于降低mmc桥臂子模块数量的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于降低MMC桥臂子模块数量的控制方法，通过在阀侧电压调制波中注入附加调制信号，降低了每个桥臂需要输出的最大电压值，在保证每个子模块输出额定电压不变的情况下，减少了每个桥臂所需要的子模块数量，从而降低了MMC换流阀的体积和投资成本。采用本发明控制策略能够在保持开关器件承受的平均电压不变的情况下，降低MMC桥臂所需子模块的数量，且不会增加子模块体积和MMC的运行损耗。

Description

一种用于降低MMC桥臂子模块数量的控制方法
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MMC桥臂子模块数量的控制方法。
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(high voltage direct current，HVDC)技术正受到越来越多的关注。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。同时，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。
目前，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。因此需要提出能够减轻高电压大容量模块化多电平换流器的体积和投资成本的方案，目前已有的技术方案分为以下三种：第一种技术方案为通过注入额外的桥臂电流，通过查表的方式计算并控制桥臂电流的二倍频分量，抑制子模块电容电压的波动，紧接着降低每个子模块电容所需的电容值，即可在保证电容电压波动不过度增加的情况下，减小电容器的体积和投资成本，从而减小换流器整体的体积和投资成本，然而该方法由于引入了额外的桥臂电流，使得流过开关器件的电流增加，从而增加了换流器整体的运行损耗。第二种技术方案为通关增加桥臂电抗器的阻抗，从而抑制桥臂电流的交流分量，抑制子模块电容电压纹波，从而减小子模块电容值，降低了模块化多电平换流器的体积和投资成本，但由于桥臂电抗器的增大，增大了换流器的运行损耗。第三种技术方案为采用高额定电压的电力电子器件，降低子模块电容值，减小换流阀体积，但换流阀IGBT部分的投资成本会大幅上升。
因此，如果能提出一种控制策略，能够在保持桥臂电流基本不变的情况下，减少桥臂所需的子模块的数量，便能有效降低MMC换流阀的体积和投资成本，既符合现阶段对于轻型化柔性直流换流阀的迫切需求，又不会额外增加MMC换流阀的运行损耗。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种用于降低MMC桥臂子模块数量的控制方法，其通过在阀侧电压调制波中注入附加调制信号，降低了每个桥臂需要输出的最大电压值，在保证每个子模块输出额定电压不变的情况下，减少了每个桥臂所需要的子模块数量。
一种用于降低MMC桥臂子模块数量的控制方法，包括如下步骤：
(1)计算确定子模块的电压额定值UC0；
(2)计算MMC的三相阀侧电压参考值ua～uc并确定附加调制信号uSV；
(3)利用附加调制信号uSV计算出MMC三相阀侧电压的调制波uaSV～ucSV，并提取出三相调制波uaSV～ucSV的最大值UmSV；
(4)根据三相调制波uaSV～ucSV计算出MMC每个相单元的上桥臂电压和下桥臂电压；
(5)根据子模块电压额定值UC0以及各相单元的上下桥臂电压，计算确定下一时刻MMC各桥臂所需投入的子模块数量，进而根据该结果在下一时刻对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子模块的电压额定值UC0：
其中：Udc为MMC直流侧电压额定值，N为控制前MMC每个桥臂的子模块个数。
进一步地，所述步骤(2)中通过以下公式计算MMC的三相阀侧电压参考值ua～uc：
ua＝Um sin(2πft+θ)
其中：Um为MMC阀侧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阀侧电压基波分量的相角，t为时间。
进一步地，所述步骤(2)中附加调制信号uSV的表达式如下：
进一步地，所述步骤(3)中通过以下公式计算MMC三相阀侧电压的调制波uaSV～ucSV：
uaSV＝ua-uSV
ubSV＝ub-uSV
ucSV＝uc-uSV
进一步地，所述步骤(4)中通过以下公式计算MMC每个相单元的上桥臂电压和下桥臂电压：
其中：upj和unj分别为MMCj相相单元的上桥臂电压和下桥臂电压，Udc为MMC直流侧电压额定值，ujSV为MMCj相阀侧电压的调制波，j＝a、b或c。
进一步地，所述步骤(5)中通过以下公式计算确定下一时刻MMC各桥臂所需投入的子模块数量：
其中：Npj和Nnj分别为下一时刻MMCj相相单元上桥臂和下桥臂所需投入的子模块数量，upj和unj分别为MMCj相相单元的上桥臂电压和下桥臂电压，round()为四舍五入取整函数，j＝a、b或c。
对MMC采用上述控制方法后，每个桥臂的子模块个数可缩减为N'个，即：
其中：Udc为MMC直流侧电压额定值，N为控制前MMC每个桥臂的子模块个数，Um为MMC阀侧电压基波分量的幅值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
(1)采用本发明控制策略，能够在保持开关器件承受的平均电压不变的情况下，降低MMC桥臂所需子模块的数量，从而减小换流阀的体积和投资成本。
(2)本发明控制策略不会增加子模块体积和MMC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为使用本发明策略前后MMC a相上桥臂投入子模块数量变化波形图。
图3为使用本发明策略前后MMC a相上桥臂电流波形图。
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采用三相六桥臂结构，每个桥臂均由若干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的输出端与IGBT管T2的输入端相连并构成半桥子模块的一端，IGBT管T1的输入端和电容C的一端相连，IGBT管T2的输出端与电容C的另一端相连并构成半桥子模块的另一端。
在实例中模块化多电平换流器的参数如表1所示：
表1
结合图1，采用本发明降低MMC桥臂子模块数量控制策略，具体步骤如下：
(1)计算子模块电压额定值UC0：
其中：Udc为MMC直流侧电压额定值，N为未使用本发明控制策略时每个桥臂的子模块数量。
(2)运行过程中的控制，首先读取由MMC内环电流控制器计算得到的各相阀侧电压参考值：
ua＝Um sin(2πft+θ)
其中：Um为各相阀侧电压的幅值，θ为基波调制电压的相角，f为交流系统工频。
(3)根据下式计算附加调制信号：
(4)计算阀侧各相电压调制波：
uaSV＝ua-uSV
ubSV＝ub-uSV
ucSV＝uc-uSV
(5)计算可得各相阀侧电压调制波的最大值UmSV和最小值为-UmSV，其中UmSV约等于Um的85％。
(6)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)：
(7)计算确定下一时刻每个桥臂需要投入的子模块数量为：
其中：round()为四舍五入取整函数。
(8)根据(7)中计算结果，对每个桥臂中的子模块进行投切控制。
采用上述降低MMC所需桥臂子模块数量的控制策略后，每个桥臂的子模块数量可进行重新配置，具体配置方法包括如下：
首先，计算未使用上述控制策略时每个桥臂所需要投入的子模块数量：
然后，计算每个桥臂所需要投入的子模块数量最大值：
进而，计算使用上述控制策略后每个桥臂所需要投入的子模块数量的最大值：
最后，离线计算采用上述控制策略之后，每个桥臂所需的子模块数量，并按照结果重新配置桥臂子模块。
针对表1所描述的实例，采用本发明策略后，每个桥臂所需的子模块数量从200个减少到185个。图2给出了本实例中使用本发明策略前后a相上桥臂投入子模块数量的变化波形，图3给出了使用本发明策略前后a相上桥臂电流波形，可以看出桥臂电流基本不变，证明本发明不会增加MMC的运行损耗。
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 (8)

1.一种用于降低MMC桥臂子模块数量的控制方法，包括如下步骤：
(1)计算确定子模块的电压额定值UC0；
(2)计算MMC的三相阀侧电压参考值ua～uc并确定附加调制信号uSV；
(3)利用附加调制信号uSV计算出MMC三相阀侧电压的调制波uaSV～ucSV，并提取出三相调制波uaSV～ucSV的最大值UmSV；
(4)根据三相调制波uaSV～ucSV计算出MMC每个相单元的上桥臂电压和下桥臂电压；
(5)根据子模块电压额定值UC0以及各相单元的上下桥臂电压，计算确定下一时刻MMC各桥臂所需投入的子模块数量，进而根据该结果在下一时刻对MMC每个桥臂中的子模块进行投切控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过以下公式计算确定子模块的电压额定值UC0：
其中：Udc为MMC直流侧电压额定值，N为控制前MMC每个桥臂的子模块个数。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中通过以下公式计算MMC的三相阀侧电压参考值ua～uc：
ua＝Um sin(2πft+θ)
其中：Um为MMC阀侧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阀侧电压基波分量的相角，t为时间。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(2)中附加调制信号uSV的表达式如下：
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中通过以下公式计算MMC三相阀侧电压的调制波uaSV～ucSV：
uaSV＝ua-uSV
ubSV＝ub-uSV。
ucSV＝uc-uSV
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)中通过以下公式计算MMC每个相单元的上桥臂电压和下桥臂电压：
其中：upj和unj分别为MMCj相相单元的上桥臂电压和下桥臂电压，Udc为MMC直流侧电压额定值，ujSV为MMCj相阀侧电压的调制波，j＝a、b或c。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(5)中通过以下公式计算确定下一时刻MMC各桥臂所需投入的子模块数量：
其中：Npj和Nnj分别为下一时刻MMCj相相单元上桥臂和下桥臂所需投入的子模块数量，upj和unj分别为MMCj相相单元的上桥臂电压和下桥臂电压，round()为四舍五入取整函数，j＝a、b或c。
8.一种基于权利要求1～7任一权利要求所述控制方法下MMC桥臂子模块数量的配置方法，其特征在于：使MMC每个桥臂的子模块个数N'按以下关系式配置：
其中：Udc为MMC直流侧电压额定值，N为控制前MMC每个桥臂的子模块个数，Um为MMC阀侧电压基波分量的幅值。
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