CN109980967B - 降低全桥型mmc子模块电容值的方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及模块化多电平变流器技术领域，具体涉及一种降低全桥型MMC子模块电容值的方法与系统，目的在于降低全桥型MMC子模块电容值。本发明提出的降低全桥型MMC子模块电容值的方法包括：计算最优三次谐波电压的初始相位和幅值；根据初始相位和幅值，生成最优三次谐波电压；由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、三相参考电压和最优三次谐波电压生成全桥型MMC各桥臂的参考电压；各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，以此信号控制上、下桥臂的所有子模块投入或切除，能够有效抑制全桥型MMC子模块电容电压的波动，并进一步降低了全桥型MMC的子模块电容值。

Description

降低全桥型MMC子模块电容值的方法与系统
技术领域
本发明涉及模块化多电平变流器技术领域，具体涉及一种降低全桥型MMC子模块电容值的方法与系统。
背景技术
基于电压源型换流器的柔性高压直流输电(voltage sourced converter highvoltage direct current，VSC-HVDC)技术具有潮流调节能力强、运行方式灵活以及具备黑启动能力等优点而获得了国内外学者和研究机构的广泛关注。另一方面，模块化多电平变流器(modular multilevel converter，MMC)以其低谐波含量、高可靠性以及高效率等优点极大地推动了VSC-HVDC技术的发展。近些年，基于模块化多电平变流器的多端直流输电(multi-terminal DC，MTDC)工程和异步电网互联工程已在世界各地相继投运。
然而，在架空线直流输电领域，传统的由半桥子模块构成的半桥型MMC在直流短路故障发生时不具备故障自清除能力，其应用受到很大限制。但由全桥子模块构成的全桥型MMC具备直流短路故障穿越能力，能够有效解决电能长距离传输过程中存在的直流故障风险。此外，在由电网换相换流器(line commutated converter，LCC)和MMC构成的混合直流输电系统中，潮流反转只能通过改变直流母线电压极性实现，而全桥型MMC具备直流电压极性反转能力。因此，全桥型MMC在直流输电领域的研究获得了较广泛关注。
对应用于VSC-HVDC系统的MMC，其每个桥臂均含有数百个子模块，每个子模块均包含一个电容。在稳态运行过程中，由于桥臂电流对子模块电容具有充电或放电作用，所以MMC子模块电容电压一直处于波动状态。又因为桥臂电流主要由直流分量和基频交流分量构成，因此，一般情况下，MMC子模块电容值需要达到一定值才能满足其对波动范围的要求。例如，中国云南电网与南方电网主网±350kV/1000MW鲁西背靠背直流异步联网工程中，由于变流器功率较大，广西侧换流阀单个子模块的质量超过了200kg，其中子模块电容为12mF，质量超过了100kg，占子模块总质量的50％以上。过大的子模块电容不仅增加了变流器成本，还给工程的实施与调试带来了很大难度。
为了解决这一问题，相关文献也提出了关于降低MMC子模块电容值的方法。在《IETGeneration,Transmission&Distribution》2016年第10卷第11期2764-2770页刊登的《Influence of third harmonic injection on modular multilevel converter-basedhigh-voltage direct current transmission systems》分析了注入三次谐波电压对MMC子模块电容电压波动的影响，分析表明注入三次谐波电压能够降低MMC子模块电容电压波动，从而实现降低其子模块电容值。刊登在《IEEE Transactions on Power Electronics》2014年第29卷第1期77-88页的《On energy storage requirements in modularmultilevel converters》分析了MMC在不同功率因数角条件下注入三次谐波电压对子模块电容电压波动的影响。刊登在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》2018年第65卷第7期5260-5271页的《Application of Third-Order Harmonic VoltageInjection in a Modular Multilevel Converter》分析了利用三次谐波电压注入法实现减少桥臂子模块个数，但子模块电容电压波动几乎未受影响。现有文献未对所注入的三次谐波电压的幅值和相位进行优化，而且以上分析主要针对半桥型MMC。对于全桥型MMC，尤其是当桥臂电压中存在负电压的工况，现有文献鲜有分析。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出了一种降低全桥型MMC子模块电容值的方法与系统，能够进一步降低全桥型MMC的子模块电容值。
本发明的一方面，提出一种降低全桥型MMC子模块电容值的方法，所述全桥型MMC为三相对称结构，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电感L及若干级联的全桥子模块构成，所述方法包括：
获取所述全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位；
获取所述最优三次谐波电压的幅值；
根据所述初始相位和所述幅值，生成所述最优三次谐波电压；
由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压生成所述全桥型MMC各桥臂的参考电压；
根据所述全桥型MMC各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中所述全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，从而降低所述全桥子模块的电容值。
优选地，“获取所述全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位”的步骤包括：
根据所述全桥型MMC当前运行状态下的有功功率与无功功率计算出所述全桥型MMC的功率因数角；
按照下式计算出所述最优三次谐波电压的所述初始相位：
Figure GDA0002719525030000031
其中，θopt为所述初始相位，
Figure GDA0002719525030000032
为所述功率因数角。
优选地，“获取所述最优三次谐波电压的幅值”的步骤包括：
基于预设的功率因数角-幅值对应关系表，根据所述功率因数角获取所述最优三次谐波电压的所述幅值。
优选地，所述预设的功率因数角-幅值对应关系表根据下式的关系构建而成：
Figure GDA0002719525030000033
其中，α为所述幅值，
Figure GDA0002719525030000034
为所述功率因数角。
优选地，“根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压生成所述全桥型MMC各桥臂的参考电压”的步骤包括：
按照下式计算所述全桥型MMC各桥臂的参考电压：
Figure GDA0002719525030000041
其中，upa、upb和upc分别为a相、b相和c相上桥臂的参考电压，una、unb和unc分别为a相、b相和c相下桥臂的参考电压；Udcref为所述直流电压参考值，uaref、ubref和ucref分别是所述三相参考电压中a相、b相和c相的交流参考电压；u3th为所述最优三次谐波电压。
本发明的另一方面，提出一种降低全桥型MMC子模块电容值的系统，所述全桥型MMC为三相对称结构，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电感L及若干级联的全桥子模块构成，所述系统包括：
初始相位获取模块，用于获取所述全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位；
幅值获取模块，用于获取所述最优三次谐波电压的幅值；
电压生成模块，用于根据所述初始相位和所述幅值，生成所述最优三次谐波电压；
桥臂参考电压生成模块，用于由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压生成所述全桥型MMC各桥臂的参考电压；
控制信号生成模块，用于根据所述全桥型MMC各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中所述全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，从而降低所述全桥子模块的电容值。
优选地，所述初始相位获取模块包括：
功率因数角计算单元，用于根据所述全桥型MMC当前运行状态下的有功功率与无功功率计算出所述全桥型MMC的功率因数角；
初始相位计算单元，用于按照下式计算出所述最优三次谐波电压的所述初始相位：
Figure GDA0002719525030000051
其中，θopt为所述初始相位，
Figure GDA0002719525030000052
为所述功率因数角。
优选地，所述幅值获取模块具体配置为：
基于预设的功率因数角-幅值对应关系表，根据所述功率因数角获取所述最优三次谐波电压的所述幅值。
优选地，所述预设的功率因数角-幅值对应关系表根据下式的关系构建而成：
Figure GDA0002719525030000053
其中，α为所述幅值，
Figure GDA0002719525030000054
为所述功率因数角。
优选地，所述桥臂参考电压生成模块包括：
三相参考电压生成单元，用于由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压；
桥臂参考电压生成单元，用于根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压，按照下式计算所述全桥型MMC各桥臂的参考电压：
Figure GDA0002719525030000055
其中，upa、upb和upc分别为a相、b相和c相上桥臂的参考电压，una、unb和unc分别为a相、b相和c相下桥臂的参考电压；Udcref为所述直流电压参考值，uaref、ubref和ucref分别是所述三相参考电压中a相、b相和c相的交流参考电压；u3th为所述最优三次谐波电压。
与最接近的现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出的降低全桥型MMC子模块电容值的方法，首先计算最优三次谐波电压的初始相位和幅值，然后生成最优三次谐波电压，并将生成的最优三次谐波电压注入全桥型MMC各个桥臂的参考电压中，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成各相上、下桥臂所有电力电子开关器件的驱动控制信号，以此信号控制上、下桥臂的所有子模块投入或切除，能够有效抑制全桥型MMC子模块电容电压的波动，并进一步降低了全桥型MMC的子模块电容值。
附图说明
图1是本发明实施例中全桥型MMC的构成示意图；
图2是本发明的降低全桥型MMC子模块电容值的方法实施例的主要步骤示意图；
图3是本发明实施例中生成全桥型MMC各桥臂驱动控制信号的方法示意图；
图4(a)-图4(d)为本发明实施例中不采用最优三次谐波电压注入时全桥型MMC子模块电容电压波形；
图5(a)-图5(d)为本发明实施例中采用最优三次谐波电压注入时全桥型MMC子模块电容电压波形；
图6是本发明的降低全桥型MMC子模块电容值的系统实施例的主要构成示意图。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
图1是本发明实施例中全桥型MMC的构成示意图。如图1所示，该全桥型MMC为三相对称结构，每相由上、下两个桥臂组成，共6个桥臂。每个桥臂由级联的n(n≥1且n为正整数)个全桥子模块FBSM1-FBSMn和1个桥臂电感L串联构成。其中，每个全桥子模块由四个开关管和一个电容构成。如全桥子模块FBSM1，由半导体开关管S1-S4和电容C构成。
图2是本发明的降低全桥型MMC子模块电容值的方法实施例的主要步骤示意图。如图2所示，本实施例的方法包括步骤S1-S5：
步骤S1，获取全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位。该步骤可以具体包括步骤S11-S12：
步骤S11，根据全桥型MMC当前运行状态下的有功功率与无功功率计算出全桥型MMC的功率因数角；
步骤S12，按照公式(1)计算出最优三次谐波电压的初始相位：
Figure GDA0002719525030000071
其中，θopt为初始相位，
Figure GDA0002719525030000072
为功率因数角。
步骤S2，获取最优三次谐波电压的幅值。具体为：
基于预设的功率因数角-幅值对应关系表，根据功率因数角获取最优三次谐波电压的幅值。这里所说的“预设的功率因数角-幅值对应关系表”是根据公式(2)所示的关系预先构建的：
Figure GDA0002719525030000073
其中，α为幅值，
Figure GDA0002719525030000074
为功率因数角。
步骤S3，根据初始相位和幅值，生成最优三次谐波电压。
步骤S4，由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、三相参考电压和最优三次谐波电压生成全桥型MMC各桥臂的参考电压，即将最优三次谐波电压注入到各桥臂的参考电压中。
可以具体包括步骤S41-S42：
S41，由闭环控制产生全桥型MMC的三相参考电压；
S42，根据直流电压参考值、三相参考电压和最优三次谐波电压生成全桥型MMC各桥臂的参考电压，按照公式(3)计算出全桥型MMC各桥臂的参考电压：
Figure GDA0002719525030000081
其中，upa、upb和upc分别为a相、b相和c相上桥臂的参考电压，una、unb和unc分别为a相、b相和c相下桥臂的参考电压；Udcref为直流电压参考值，uaref、ubref和ucref分别是三相参考电压中a相、b相和c相的交流参考电压；u3th为最优三次谐波电压。
步骤S5，根据全桥型MMC各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，从而降低全桥子模块的电容值。
在本步骤中根据步骤S4得到的全桥型MMC各相上、下桥臂参考电压，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成各相上、下桥臂所有电力电子开关器件的驱动控制信号，以此信号控制上、下桥臂的所有子模块投入或切除，实现全桥型MMC子模块电容电压波动抑制，从而达到降低全桥型MMC子模块电容值的目的。如图1中的全桥子模块FBSM1，当控制信号控制该子模块投入时，即半导体开关S1和S4处于导通状态，半导体开关S2和S3处于关断状态；或半导体开关S1和S4处于关断状态，半导体开关S2和S3处于导通状态。当控制信号控制子模块切除时，即半导体开关S1和S2处于导通状态，半导体开关S3和S4处于关断状态；或半导体开关S1和S2处于关断状态，半导体开关S3和S4处于导通状态。
图3是本实施例中生成全桥型MMC各桥臂驱动控制信号的方法示意图。首先生成最优三次谐波电压u3th、再由闭环控制产生三相参考电压uaref、ubref和ucref，然后结合直流电压参考值Udcref，生成各桥臂的参考电压，进而生成驱动控制信号发送到桥臂。
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。
下面采用一个具体的例子，对本发明的方法进行验证。将不采用最优三次谐波电压注入的全桥型MMC定义为全桥型MMC1，将采用本发明的最优三次谐波电压注入的全桥型MMC定义为全桥型MMC2，其主电路参数表1所示：
表1
电路参数 全桥型MMC1 全桥型MMC2
视在功率[MVA] 824.6 824.6
额定有功功率[MW] 800 800
额定无功功率[Mvar] 200 200
直流电压[kV] ±200 ±200
交流线电压[kV] 346.4 346.4
每个桥臂全桥子模块个数 268 268
子模块电容[mF] 5.1 4.3
桥臂电感[mH] 65 65
子模块电容电压参考值[kV] 2.0 2.0
本实施例中，在额定工况下，根据全桥型MMC2当前运行状态的有功功率与无功功率计算得到其功率因数角φ为14.04°，进而得到最优三次谐波电压的初始相位为28.08°，根据全桥型MMC2的功率因数角φ和查表法直接获得最优三次谐波电压的幅值为106.6kV。根据表1可以看出，在其他条件都相同的情况下，不采用最优三次谐波电压注入的全桥型MMC1的子模块电容值为5.1，而采用了本发明的最优三次谐波电压注入的全桥型MMC2的子模块电容值降低为4.3。
图4(a)-图4(d)为本实施例中不采用最优三次谐波电压注入时全桥型MMC子模块电容电压波形。其中，虚线为上桥子模块电容电压波形，实线为下桥臂子模块电容电压波形；图4(a)为有功功率为800MW、无功功率为200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形；图4(b)为有功功率为800MW、无功功率为-200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形；图4(c)为有功功率为-800MW、无功功率为200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形；图4(d)为有功功率为-800MW、无功功率为-200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形。
由图4(a)-图4(b)的仿真波形可知，不采用最优三次谐波电压注入时，全桥型MMC子模块电容电压的波动范围约为1850V～2120V。
图5(a)-图5(d)为本实施例中采用最优三次谐波电压注入时全桥型MMC子模块电容电压波形。其中，虚线为上桥子模块电容电压波形，实线为下桥臂子模块电容电压波形；图5(a)为有功功率为800MW、无功功率为200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形；图5(b)为有功功率为800MW、无功功率为-200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形；图5(c)为有功功率为-800MW、无功功率为200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形；图5(d)为有功功率为-800MW、无功功率为-200Mvar时全桥型MMC子模块电容电压波形。
由图5(a)-图5(d)的仿真波形可知，采用最优三次谐波电压注入时，全桥型MMC子模块电容电压的波动范围约为1850V～2118V，即图4(a)-图4(d)与图5(a)-图5(d)中全桥型MMC子模块电容电压波动范围基本相同，但采用最优三次谐波电压注入时，全桥型MMC子模块电容值降低了约16％(即(5.1-4.3)/5.1＝15.68)。
基于与方法实施例相同的技术构思，本发明还提供了一种降低全桥型MMC子模块电容值的系统，下面进行具体说明。
图6是本发明的降低全桥型MMC子模块电容值的系统实施例的主要构成示意图。如图6所示，本实施例中的降低全桥型MMC子模块电容值的系统10包括：初始相位获取模块11、幅值获取模块12、电压生成模块13、桥臂参考电压生成模块14，以及控制信号生成模块15。
其中，初始相位获取模块11用于获取全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位；幅值获取模块12用于获取最优三次谐波电压的幅值；电压生成模块13用于根据初始相位和幅值，生成最优三次谐波电压；桥臂参考电压生成模块14用于由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、三相参考电压和最优三次谐波电压生成全桥型MMC各桥臂的参考电压；控制信号生成模块15用于根据全桥型MMC各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，从而降低全桥子模块的电容值。
本实施例中，初始相位获取模块11包括：功率因数角计算单元111和初始相位计算单元112。
其中，功率因数角计算单元111用于根据全桥型MMC当前运行状态下的有功功率与无功功率计算出全桥型MMC的功率因数角；初始相位计算单元112用于按照公式(1)计算出最优三次谐波电压的所述初始相位。
本实施例中，幅值获取模块12具体配置为：
基于预设的功率因数角-幅值对应关系表，根据功率因数角获取最优三次谐波电压的幅值。其中，预设的功率因数角-幅值对应关系表根据公式(2)所示的关系构建而成。
本实施例中，桥臂参考电压生成模块14包括：三相参考电压生成单元141和桥臂参考电压生成单元142。
其中，三相参考电压生成单元141用于由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压；桥臂参考电压生成单元142用于根据直流电压参考值、三相参考电压和最优三次谐波电压，按照公式(3)所示的方法计算全桥型MMC各桥臂的参考电压。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的方法步骤、模块、单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种降低全桥型MMC子模块电容值的方法，所述全桥型MMC为三相对称结构，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电感L及若干级联的全桥子模块构成，其特征在于，所述方法包括：
根据所述全桥型MMC当前运行状态下的有功功率与无功功率计算出所述全桥型MMC的功率因数角；
并根据所述功率因数角获取所述全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位：
Figure FDA0002699004440000011
其中，θopt为所述初始相位，
Figure FDA0002699004440000012
为所述功率因数角；
获取所述最优三次谐波电压的幅值：
基于预设的功率因数角-幅值对应关系表，根据所述功率因数角获取所述最优三次谐波电压的所述幅值；
所述预设的功率因数角-幅值对应关系表根据下式的关系构建而成：
Figure FDA0002699004440000013
其中，α为所述幅值，
Figure FDA0002699004440000014
为所述功率因数角；
根据所述初始相位和所述幅值，生成所述最优三次谐波电压；
由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压生成所述全桥型MMC各桥臂的参考电压；
根据所述全桥型MMC各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中所述全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，从而降低所述全桥子模块的电容值。
2.根据权利要求1所述的降低全桥型MMC子模块电容值的方法，其特征在于，“根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压生成所述全桥型MMC各桥臂的参考电压”的步骤包括：
按照下式计算所述全桥型MMC各桥臂的参考电压：
Figure FDA0002699004440000021
其中，upa、upb和upc分别为a相、b相和c相上桥臂的参考电压，una、unb和unc分别为a相、b相和c相下桥臂的参考电压；Udcref为所述直流电压参考值，uaref、ubref和ucref分别是所述三相参考电压中a相、b相和c相的交流参考电压；u3th为所述最优三次谐波电压。
3.一种降低全桥型MMC子模块电容值的系统，所述全桥型MMC为三相对称结构，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂由桥臂电感L及若干级联的全桥子模块构成，其特征在于，所述系统包括：
功率因数角计算单元，用于根据所述全桥型MMC当前运行状态下的有功功率与无功功率计算出所述全桥型MMC的功率因数角；
初始相位获取模块，用于根据所述功率因数角获取所述全桥型MMC的最优三次谐波电压的初始相位；
Figure FDA0002699004440000022
其中，θopt为所述初始相位，
Figure FDA0002699004440000023
为所述功率因数角；
幅值获取模块，用于获取所述最优三次谐波电压的幅值；
基于预设的功率因数角-幅值对应关系表，根据所述功率因数角获取所述最优三次谐波电压的所述幅值；
所述预设的功率因数角-幅值对应关系表根据下式的关系构建而成：
Figure FDA0002699004440000024
其中，α为所述幅值，
Figure FDA0002699004440000031
为所述功率因数角；
电压生成模块，用于根据所述初始相位和所述幅值，生成所述最优三次谐波电压；
桥臂参考电压生成模块，用于由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压，进而根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压生成所述全桥型MMC各桥臂的参考电压；
控制信号生成模块，用于根据所述全桥型MMC各桥臂的参考电压，生成控制各桥臂中所述全桥子模块投入或切除的驱动控制信号，从而降低所述全桥子模块的电容值。
4.根据权利要求3所述的降低全桥型MMC子模块电容值的系统，其特征在于，所述桥臂参考电压生成模块包括：
三相参考电压生成单元，用于由闭环控制产生全桥型MMC三相参考电压；
桥臂参考电压生成单元，用于根据直流电压参考值、所述三相参考电压和所述最优三次谐波电压，按照下式计算所述全桥型MMC各桥臂的参考电压：
Figure FDA0002699004440000032
其中，upa、upb和upc分别为a相、b相和c相上桥臂的参考电压，una、unb和unc分别为a相、b相和c相下桥臂的参考电压；Udcref为所述直流电压参考值，uaref、ubref和ucref分别是所述三相参考电压中a相、b相和c相的交流参考电压；u3th为所述最优三次谐波电压。
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