CN109980981B - 基于主动旁路及对称调制的混合型mmc热应力不均平抑方法 - Google Patents

基于主动旁路及对称调制的混合型mmc热应力不均平抑方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于主动旁路及对称调制的混合型MMC热应力不均平抑方法，该方法在混合型MMC正常运行工况下，通过使用半桥子模块并联的晶闸管主动旁路半桥子模块来平抑半桥子模块中最高结温器件的热应力，以及通过对称调制方法来平抑全桥子模块最高结温器件的热应力。该方法在对混合型MMC换流器的电压、电流输出等性能均无影响的前提下，显著降低了混合型MMC的半、全桥子模块中结温最高器件的结温，减小了子模块内部器件热不均程度，对提升混合型MMC换流器的运行效率与寿命具有重要意义。

Description

基于主动旁路及对称调制的混合型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，具体涉及一种基于主动旁路及对称调制的混合型MMC热应力不均平抑方法。
背景技术
以全控型器件为基础的电压源换流器高压直流输电(VSC-HVDC)已经广泛应用于孤岛供电、城市配电和大规模风电并网。在电压源型换流器(VSC)拓扑中，相比于传统的两电平、三电平换流器，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、模块化程度高等优势成为高压直流输电领域(HVDC)的首选拓扑之一。目前，众多的MMC-HVDC柔直工程大多基于半桥子模块(HBSM)拓扑，半桥型MMC虽然器件数目少、运行效率高，但缺乏直流故障处理能力而在更大规模、更大容量的柔直工程中受到限制。因此，众多具有直流故障处理能力的新型子模块拓扑陆续被提出，其中，同时使用半桥子模块和全桥子模块(FBSM)的混合型MMC兼顾了直流故障处理能力和器件数目而备受关注。
相比于半桥型MMC，混合型MMC不仅可以处理直流故障，而且可以主动运行在过调制状态(即电压调制比m>1)，以达到提升运行效率、降低子模块电容电压波动、特殊工况下降压运行等目的。但是，混合型MMC换流器整体效率的提升，并不一定意味着系统整体稳定性的提升，因为子模块内部的热分布亦成为影响MMC安全稳定运行的重要因素。
即使在正常运行工况下，混合型MMC的半、全桥子模块内部器件热应力不均程度随着电压调制比以及功率因数的增大而显著增加。若不采取相应的主动热控制，就需要选用更大容量的器件。显然，从热控制角度进行主动控制，可以不增加系统硬件成本，从而提升器件利用率。
因此本发明针对混合型MMC的半、全桥子模块分别提出相应的热不均平抑方法，降低子模块内部结温最高器件的热应力，从而提升系统效率及稳定性。
发明内容
针对现有技术所存在的上述问题，本发明提供了一种基于主动旁路及对称调制的混合型MMC热应力不均平抑方法。当混合型MMC运行在稳定工况下，该发明方法可以有效降低半、全桥子模块内部热不均程度，降低结温最高器件的热应力。
基于主动旁路及对称调制的混合型MMC热应力不均平抑方法主要包括以下步骤：
(1)对于半桥子模块，根据混合型MMC换流器的硬件配置(如桥臂半、全子模块数和桥臂电抗值)以及运行工况(如交、直流侧电压、电流以及功率因数角)计算出可用于主动旁路的半桥子模块数目，称之为盈余子模块数目。盈余子模块数目占桥臂半桥子模块数目比例kbypass计算方法如下：
Figure BDA0002021830180000021
其中，m为电压调制比(定义为m＝2Uo1/Udc)，Udc为直流侧母线电压，Uo1为交流侧电压幅值，Io1为MMC交流侧电流幅值，
Figure BDA0002021830180000022
为功率因数角，ω为工频角频率，uarm为考虑桥臂电抗上压降的桥臂电压，max(uarm)为取uarm两个解中的最大值，Lpu为桥臂电抗值Larm的标幺值，N为单个桥臂子模块总数，NHB为单个桥臂中半桥子模块数，UC为子模块电容额定电压。
(2)当换流器工作在逆变状态时，当桥臂电流极性由负变正后，选择桥臂中kbypassNHB个半桥子模块的晶闸管加以触发导通；
当换流器工作在整流状态时，当桥臂电流极性由正变负后，选择桥臂中kbypassNHB个半桥子模块的晶闸管加以触发导通。
(3)对于混合型MMC任一桥臂，在当前工频周期内，将该桥臂中第1～Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路，其余子模块按正常控制方法进行投入或旁路；下一工频周期内，将该桥臂中第Nsurplus+1～2Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路；再下一工频周期内，将该桥臂中第2Nsurplus+1～3Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路，依此轮换原则。保证每个半桥子模块有均等的机会被晶闸管主动旁路。其中，Nsurplus为桥臂盈余子模块数目。
(4)对于全桥子模块，全桥子模块的旁路开关模式有两种，且全桥子模块采用对称调制的全桥子模块工作方式，即全桥子模块被旁路时按照轮换原则在两种旁路开关模式中切换；当桥臂电压为正，全桥子模块根据调制信号在正投入和旁路1、旁路2中循环切换，当桥臂电压为负，全桥子模块根据调制信号在负投入和旁路1、旁路2中循环切换。
本发明在对混合型MMC换流器的电压、电流输出等性能均无影响的前提下，通过利用子模块拓扑控制自由度，基于主动旁路与对称调制方法显著降低了子模块内器件热不均程度，降低了混合型MMC的半、全桥子模块中热应力最高器件的结温。
附图说明
图1为混合型模块化多电平换流器拓扑示意图及半、全桥子模块结构图。
图2为一种典型的子模块排序方式。
图3为正常运行下，半桥子模块开关状态。
图4为正常运行下，全桥子模块开关状态。
图5为混合型MMC换流器半、全桥子模块内部器件结温随电压调制比变化关系。
图6为混合型MMC换流器半、全桥子模块内部器件结温随功率因数变化关系。
图7为实际柔直工程中使用的半桥子模块拓扑。
图8为根据桥臂电压与桥臂电流计算盈余子模块数目的方法示意图。
图9为半桥子模块主动旁路电流流通路径图。
图10为全桥子模块对称调制方法示意图
图11为采用基于主动旁路及对称调制主动热控制方法前后子模块器件结温对比图。
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案例对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，混合型模块化多电平换流器拓扑由三相六个桥臂组成，每个桥臂由NHB个半桥子模块、NFB个全桥子模块和一个桥臂电抗器串联而成。半桥子模块由两个IGBT及反并二极管和直流电容组成，上管IGBT和二极管分别用T1和D1表示，下管IGBT和二极管分别用T2和D2表示。全桥子模块由四个IGBT和反并二极管组成，左桥臂的上下管IGBT和二极管分别用T1、D1、T2、D2表示，另一桥臂上下管IGBT和二极管分别用T3、D3、T4、D4表示。图2为一种常见的子模块调制方式，当桥臂电压为正，根据桥臂电流方向，从桥臂所有子模块中选择电容电压最高(电流为正则选择最高、反之选择最低)的n个子模块正投入，其余子模块均旁路；当桥臂电压为负，根据桥臂电流方向，从桥臂全桥子模块中选择电容电压最高(电流为负则选择最高、反之选择最低)的n个子模块负投入，其余子模块均旁路。
图3为半桥子模块开关状态与电流路径图，正常状态下半桥子模块存在投入(输出电压为UC)和旁路(输出电压为0)两种工作状态，当半桥子模块投入时上管T1或D1导通；当半桥子模块旁路时，下管T2或D2导通。
图4为全桥子模块开关状态与电流路径图，当全桥子模块正投入时，T1D1管和T4D4管触发导通；当全桥子模块负投入时，T2D2管和T3D3管触发导通；当全桥子模块处在旁路1状态时，T1D1管和T3D3管触发导通；当全桥子模块处在旁路2状态时，T2D2管和T4D4管触发导通。当换流器电压调制比小于1时，全桥子模块存在正投入和旁路两种状态，且常规调制方式中，一般在正投入和一种旁路模式中切换，比如正投入和旁路1。此时，全桥子模块退化为半桥子模块运行。当换流器电压调制比大于1时，全桥子模块将会在正投入、旁路和负投入三种状态中切换，同样在常规调制方式中，也只采用一种旁路开关组合，比如旁路1模式。
为了展示混合型MMC半、全桥子模块内部器件热应力分布以及验证本发明所提方法的实施效果，在嵌入了PLECS热仿真插件的MATLAB/Simulink上搭建了一个混合型MMC仿真平台，仿真主要参数如下表1所示：不同电压调制比和不同功率因数下，直流母线电压均为400kV，交流电流幅值均保持1.8kA。半、全桥子模块数目比例根据过调制能力和直流故障处理能力配置为1:m，子模块的等效开关频率约为150Hz，IGBT模块型号为ABB公司的5SNA1200E450300。散热器温度设为60℃。
表1
直流母线电压 400kV
交流电流幅值 1.8kA
电压调制比范围 m＝0.8～1.6
子模块电容电压 2kV
半全桥子模块数目比例 1:m
子模块电容值 12mF
子模块开关频率 150Hz
子模块开关管IGBT型号 5SNA1200E450300
图5为半、全桥子模块内器件结温随电压调制比m的变化关系，图中TjT1～TjD4分别代表半桥及全桥子模块中各功率器件的结温，其定义与图3及图4相同。对比图5(a)、(b)可知，子模块内的器件最高结温均随m的增大而增加，器件最低结温均随m的增大而减小。当m由0.8增大至1.6后，子模块内器件的最大温差由约30℃增大至50℃以上，严重威胁混合型MMC的安全运行。
子模块内热应力不均程度随功率因数角
Figure BDA0002021830180000041
的变化关系如图6所示，图6的仿真中交流电流保持为额定输出电流，交流电压调制比m恒定为1.6。对比图6(a)、(b)可知，功率因数对半桥及全桥子模块热应力分布的影响类似，随着
Figure BDA0002021830180000044
的增加，子模块内的器件最高结温逐渐增加，从
Figure BDA0002021830180000043
时的85℃增加至110℃以上，同时随
Figure BDA0002021830180000045
的增加，子模块内器件的最低结温逐渐降低，从
Figure BDA0002021830180000051
时的80℃左右降低至60℃左右。
实际工程中的半桥子模块为避免MMC直流侧发生短路故障时，交流电网通过D2形成不控整流电路向短路点放电，引发短路冲击电流损坏D2，通常采用晶闸管SCR与D2并联。MMC正常工作时，SCR保持关断，子模块正常投切，当直流短路故障发生后，子模块闭锁，SCR触发导通，从而分流短路电流，避免D2损坏。本发明基于此，利用如图7所示的并联双向晶闸管的半桥子模块用于主动热控制。图8为混合型MMC工作在逆变下的桥臂电压与桥臂电流波形示意图，用于计算盈余子模块比例。可以根据如下公式计算盈余子模块占半桥子模块的比例kbypass
Figure BDA0002021830180000052
其中，m为电压调制比(定义为m＝2Uo1/Udc)，Udc为直流侧母线电压，Uo1为交流侧电压幅值，Io1为MMC交流侧电流幅值，
Figure BDA0002021830180000053
为功率因数角，ω为工频角频率，uarm为考虑桥臂电抗上压降的桥臂电压，max(uarm)为取uarm两个解中的最大值，Lpu为桥臂电抗值Larm的标幺值，N为单个桥臂子模块总数，NHB为单个桥臂中半桥子模块数，UC为子模块电容额定电压。
在计算出桥臂盈余子模块个数后，根据运行工况，在特定时刻选择触发晶闸管来主动旁路盈余子模块。具体来说，当换流器工作在逆变状态时，当桥臂电流极性由负变正后，选择桥臂中kbypassNHB个半桥子模块的晶闸管加以触发导通；当换流器工作在整流状态时，当桥臂电流极性由正变负后，选择桥臂中kbypassNHB个半桥子模块的晶闸管加以触发导通。
对于混合型MMC任一桥臂，在当前工频周期内，将该桥臂中第1～Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路，其余子模块按正常控制方法进行投入或旁路；下一工频周期内，将该桥臂中第Nsurplus+1～2Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路；再下一工频周期内，将该桥臂中第2Nsurplus+1～3Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路，依此轮换原则。长时间尺度来看，保证每个半桥子模块有均等的机会被晶闸管主动旁路。其中，Nsurplus为桥臂盈余子模块数目。
图9为采用晶闸管主动旁路的半桥子模块电流流经路径。当晶闸管被触发导通，则不能主动控制关断，子模块电流持续流经晶闸管，直至子模块电流方向反转，子模块恢复正常投入、旁路状态，电流正常流经主功率器件IGBT或二极管。
对于全桥子模块，采用对称调制的全桥子模块工作方式如图10所示。全桥子模块的旁路开关模式有两种。对称调制指全桥子模块被旁路时按照一定原则在两种旁路开关模式中切换。具体来说，当桥臂电压为正，全桥子模块根据调制信号在正投入和旁路1、旁路2中循环切换，当桥臂电压为负，全桥子模块根据调制信号在负投入和旁路1、旁路2中循环切换。
图11为采用基于主动旁路及对称调制主动热控制方法前后子模块器件结温对比图。在2.0s后采用上述热不均平抑控制方法。从图11(a)可以发现，当未采用主动热控制时，T2是半桥子模热应力最高的器件，最高结温为112℃，当采用主动旁路控制方法后，最高结温下降了12℃。根据图11(b)，当未采用对称调制策略时，T3D1是全桥子模块中热应力最高的器件，最高结温高达115℃，并且T3D1与T2D4的最高结温温差达到35℃，而当采用对称调制策略后，这4个芯片的结温趋于一致，且子模块最高结温器件的温度降低了12℃。证明了本发明所提的热不均平抑方法的有效性。

Claims (1)

1.基于主动旁路及对称调制的混合型MMC热应力不均平抑方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)对于半桥子模块，根据混合型MMC换流器的系统硬件配置以及运行工况计算出可用于主动旁路的半桥子模块数目，称为盈余子模块数目；
具体为：通过计算盈余子模块数目占桥臂半桥子模块数目比例kbypass，从而得到盈余子模块数目；
kbypass计算方法为：
Figure FDA0002376370200000011
其中，m为电压调制比，定义为m＝2Uo1/Udc，Udc为直流侧母线电压，Uo1为交流侧电压幅值，Io1为MMC交流侧电流幅值，
Figure FDA0002376370200000012
为功率因数角，ω为工频角频率，uarm为考虑桥臂电抗上压降的桥臂电压，max(uarm)为取uarm两个解中的最大值，Lpu为桥臂电抗值Larm的标幺值，N为单个桥臂子模块总数，NHB为单个桥臂中半桥子模块数，UC为子模块电容额定电压；
当换流器工作在逆变状态时，当桥臂电流极性由负变正后，触发导通桥臂中的盈余子模块并联的晶闸管；当换流器工作在整流状态时，当桥臂电流极性由正变负后，触发导通桥臂中的盈余子模块并联的晶闸管；
所述的触发导通桥臂中的盈余子模块并联的晶闸管的具体方法为：
a)当换流器工作在逆变状态时，当桥臂电流极性由负变正后，选择桥臂中kbypassNHB个半桥子模块的晶闸管加以触发导通；
b)当换流器工作在整流状态时，当桥臂电流极性由正变负后，选择桥臂中kbypassNHB个半桥子模块的晶闸管加以触发导通；
所述的桥臂中kbypassNHB个半桥子模块选择方法为：
对于混合型MMC任一桥臂，在当前工频周期内，将该桥臂中第1～Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路，其余子模块按正常控制方法进行投入或旁路；下一工频周期内，将该桥臂中第Nsurplus+1～2Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路；再下一工频周期内，将该桥臂中第2Nsurplus+1～3Nsurplus个半桥子模块作为盈余子模块用于主动旁路，依此轮换原则循环主动旁路盈余子模块，保证每个半桥子模块有均等的机会被晶闸管主动旁路，其中，Nsurplus为桥臂盈余子模块数目；
(2)对于全桥子模块，全桥子模块的旁路状态开关模式有两种，且全桥子模块采用对称调制的全桥子模块工作方式，即全桥子模块被旁路时按照轮换原则在两种旁路开关模式中切换；当桥臂电压为正，全桥子模块根据调制信号在正投入、两桥臂上管同时导通的旁路1、两桥臂下管同时导通的旁路2中循环切换，当桥臂电压为负，全桥子模块根据调制信号在负投入、两桥臂上管同时导通的旁路1、两桥臂下管同时导通的旁路2中循环切换。
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