CN110224622A - 全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制方法 - Google Patents

Abstract

一种全桥型模块化多电平变流器单相：A相、B相或C相对地短路故障条件下子模块电容电压波动抑制方法。在全桥型模块化多电平变流器电网侧出现单相对地短路故障时，所述的子模块电容电压波动抑制方法通过降低全桥型模块化多电平变流器直流侧电压使之运行于调制比为1.67的工况下，从而实现全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制。

Description

全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制方法

技术领域

本发明涉及一种全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制方法。

背景技术

相比于传统的基于电网换相换流器的高压直流输电技术，基于电压源型换流器的柔性高压直流输电技术不存在换相失败风险、有功功率和无功功率可独立解耦控制以及具备黑启动能力，因而具有较高的经济性和灵活性。模块化多电平变流器以其谐波特性好、效率高及可靠性高等优点，又为柔性高压直流输电技术的发展注入了新的活力，因此，基于模块化多电平变流器的高压直流输电系统获得了较广泛的应用。

在架空线直流输电领域，传统的由半桥子模块构成的模块化多电平变流器因不具备直流短路电流抑制能力，应用受到很大限制。而由全桥子模块构成的全桥型模块化多电平变流器不仅具备直流短路故障自清除能力，而且能够在直流短路故障期间为交流电网提供无功功率，支撑电网电压。此外，全桥型模块化多电平变流器易于实现直流电压翻转，适用于由电网换相换流器和模块化多电平变流器构成的混合高压直流输电系统。

另外，应用于柔性高压直流输电系统的模块化多电平变流器的每个桥臂均含有大量的子模块，每个子模块包含一个直流电容。在实际运行过程中，所有子模块电容电压波动不宜过大，一般纹波系数不宜超过±10％，因此，模块化多电平变流器的子模块电容需达到较大的值才能满足其波动范围要求。以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为例，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100kg，其体积与质量分别占单个子模块的60％和50％以上。子模块体积与质量过大给工程实施与调试带来了很大难度。

为了解决这一问题，相关文献提出了关于降低全桥型模块化多电平变流器子模块电容的方法。刊登在《IEEE Transactions on Power Electronics》2018年第 33卷第1期97-109页的《Optimized Design of Full-Bridge Modular Multilevel Converter WithLow Energy Storage Requirements for HVdc Transmission System》和刊登在《IEEETransactions on Industrial Electronics》2018年第65卷第3期 1919-1930页的《Improved Design and Control of FBSM MMC With Boosted AC Voltage and ReducedDC Capacitance》分析指出，当全桥型模块化多电平变流器工作于调制比为1.414时，其子模块电容电压的基频波动成分得到大幅度抑制，从而可以大幅度减小其子模块电容值。但现有文献主要分析稳态工况下全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动特性，对于电网侧出现故障的情况鲜有分析。

中国专利CN 103701350 A和CN 103701350 B分别提出在模块化多电平变流器的桥臂参考电压中注入高频零序电压和桥臂电流中注入高频环流分量的方法，实现模块化多电平变流器在低频条件下运行时子模块电容电压的波动抑制。该方法主要针对运行于低频情况的半桥型模块化多电平变流器，而且注入高频零序电压与高频环流均会增加半导体开关器件开关频率，从而增加模块化多电平变流器损耗。但现有专利对如何降低电网侧出现故障时全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动鲜有涉及。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制方法。本发明的波动抑制方法既能够实现全桥型模块化多电平变流器单相对地短路故障条件下子模块电容电压波动抑制，又不会增加半导体开关器件损耗。

本发明的子模块电容电压波动抑制方法包含以下步骤：

(1)计算全桥型模块化多电平变流器直流参考电压；

当全桥型模块化多电平变流器电网侧发生单相对地短路故障时，利用下式计算全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值：

其中，U_{dc_ref}为全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，U_s为全桥型模块化多电平变流器稳态运行时电网侧交流电压幅值，m为全桥型模块化多电平变流器的调制比，单相对地短路故障时m＝1.67。

(2)利用步骤(1)计算的全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，根据下式计算得到各相上、下桥臂的参考电压：

其中，为各相交流侧正序参考电压，为各相交流侧负序参考电压，u_cj为各相桥臂中用于实现环流抑制的共模分量，j为三相相序，j＝a，b，c。

(3)根据全桥型模块化多电平变流器各相上桥臂参考电压u_pj和下桥臂参考电压u_nj，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成各相上桥臂和下桥臂所有电力电子开关器件的控制信号，以此控制信号控制各相上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现全桥型模块化多电平变流器在单相对地短路故障工况下子模块电容电压的波动抑制。

附图说明

图1为全桥型模块化多电平变流器电路拓扑；

图2为全桥型模块化多电平变流器单相对地短路故障条件下子模块电容电压波动抑制控制框图；

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e为本发明一个实施例的全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，应用于本发明的全桥型模块化多电平变流器由三相构成，每相由上、下两个桥臂组成，每个桥臂包含一个桥臂电感和N个级联的全桥子模块FBSM₁，…，FBSM_N，N≥1且N为正整数。

本发明的单相对地短路故障条件下全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制控制框图如图2所示，包括以下步骤：

(1)计算全桥型模块化多电平变流器直流参考电压；

当全桥型模块化多电平变流器电网侧发生单相对地短路故障时，利用下式计算全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值：

其中，U_{dc_ref}为全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，U_s为全桥型模块化多电平变流器稳态运行时电网侧交流电压幅值，m为全桥型模块化多电平变流器的调制比，单相对地短路故障时m＝1.67。

(2)利用步骤(1)计算的全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，根据下式计算得到各相上、下桥臂的参考电压：

其中，为各相交流侧正序参考电压，为各相交流侧负序参考电压，u_cj为各相桥臂中用于实现环流抑制的共模分量，j为三相相序，j＝a，b，c。

(3)根据全桥型模块化多电平变流器各相上桥臂参考电压u_pj和下桥臂参考电压u_nj，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成各相上桥臂和下桥臂所有电力电子开关器件的控制信号，以此控制信号控制各相上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现全桥型模块化多电平变流器在单相对地短路故障工况下子模块电容电压的波动抑制。

本发明的一个实施例如下：

在本实施例中，全桥型模块化多电平变流器的主电路参数如下表所示：

此实施例采用本发明的全桥型模块化多电平变流器单相对地短路故障条件下子模块电容电压波动抑制方法步骤如下：

(1)计算全桥型模块化多电平变流器直流参考电压；

全桥型模块化多电平变流器电网侧交流电压幅值为282.8kV，当全桥型模块化多电平变流器的电网侧发生单相对地短路故障时，利用下式计算全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值：

其中，U_{dc_ref}为全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，U_s为全桥型模块化多电平变流器稳态运行时电网侧交流电压幅值，m为全桥型模块化多电平变流器的调制比，单相对地短路故障时m＝1.67，根据上式计算得到全桥型模块化多电平变流器直流参考电压为338kV。

(2)利用步骤(1)计算的全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，根据下式计算得到各相上、下桥臂的参考电压：

其中，为各相交流侧正序参考电压，为各相交流侧负序参考电压，u_cj为各相桥臂中用于实现环流抑制的共模分量，j为三相相序，j＝a，b，c。

(3)根据全桥型模块化多电平变流器各相上桥臂参考电压u_pj和下桥臂参考电压u_nj，当桥臂参考电压为正且桥臂电流向子模块电容充电时，选择合适数量的电容电压较低的子模块投入，即第一半导体S1和第四半导体开关S4导通，第二半导体开关S2和第三半导体开关S2关断，其余子模块切除，即第一半导体S1和第三半导体开关S3导通，第二半导体开关S2和第四半导体开关S4关断；当桥臂参考电压为正且桥臂电流向子模块电容放电时，选择合适数量的电容电压较高的子模块投入，即第一半导体S1和第四半导体开关S4导通，第二半导体开关S2和第三半导体开关S2关断，其余子模块切除，即第一半导体S1 和第三半导体开关S3导通，第二半导体开关S2和第四半导体开关S4关断；当桥臂参考电压为负，且桥臂电流是向子模块电容充电时，选择合适数量的电容电压较高的子模块投入，即第二半导体S2和第三半导体开关S3导通，第一半导体开关S1和第四半导体开关S4关断，其余子模块切除，即第一半导体S1 和第三半导体开关S3导通，第二半导体开关S2和第四半导体开关S4关断；当桥臂参考电压为负且桥臂电流是向子模块电容放电时，选择合适数量的电容电压较低的子模块投入，即第二半导体S2和第三半导体开关S3导通，第一半导体开关S1和第四半导体开关S4关断，其余子模块切除，即第一半导体S1 和第三半导体开关S3导通，第二半导体开关S2和第四半导体开关S4关断。以此控制信号控制各相上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现全桥型模块化多电平变流器在单相对地短路故障工况下子模块电容电压的波动抑制。

图3a、图3b、图3c、图3d和图3e为上述实施例的全桥型模块化多电平变流器单相对地短路故障条件下子模块电容电压波动抑制对比图。其中，图3a为全桥型模块化多电平变流器直流侧电压，图3b为全桥型模块化多电平变流器直流侧电流，图3c为全桥型模块化多电平变流器交流侧电流，图3d为全桥型模块化多电平变流器六个桥臂电流，图3e为全桥型模块化多电平变流器六个桥臂子模块电容电压平均值。在0.4s以前，全桥型模块化多电平变流器处于稳态运行，0.4s时刻全桥型模块化多电平变流器交流侧A相发生对地短路故障，0.8s 时刻采取本发明的子模块电容电压波动抑制方法。由图3a-3e可知，发生单相对地短路故障后，全桥型模块化多电平变流器传输功率降低为原来的2/3，交流侧电流几乎不变，但子模块电容电压波动显著增加，波动范围约为1760V～2240V，全桥子模块电容电压纹波系数约为12％。采取本发明的子模块电容电压波动抑制方法后，直流电压降低为338kV，为保证传输功率基本不变，直流电流上升至约1578A，交流电流基本维持不变，子模块电容电压波动范围约为1845 V～2150V，纹波系数约为7.5％，采用本发明的子模块电容电压波动抑制方法后，子模块电容电压波动降低了约37.5％。因此，本发明的子模块电容电压波动抑制方法能够在全桥型模块化多电平变流器单相对地短路故障工况下实现子模块电容电压波动的大幅抑制。此外，由图3d可知，采取本发明的子模块电容电压波动抑制方法后，全桥型模块化多电平变流器的桥臂电流峰值几乎不变，即半导体开关器件电流应力不会增加。

Claims (1)

1.一种全桥型模块化多电平变流器子模块电容电压波动抑制方法，所述的全桥型模块化多电平变流器由三相六个桥臂组成，每相由上、下两个桥臂构成，每个桥臂由桥臂电感L和若干子模块级联构成，级联子模块均为全桥子模块，其特征在于：所述的子模块电容电压波动抑制方法包含以下步骤：

(1)计算全桥型模块化多电平变流器直流参考电压；

当全桥型模块化多电平变流器电网侧发生单相对地短路故障时，利用下式计算全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值：

其中，U_{dc_ref}为全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，U_{s_j}为全桥型模块化多电平变流器稳态运行时电网侧交流电压幅值，j为三相相序，j＝a，b，c，m为全桥型模块化多电平变流器的调制比，单相对地短路故障时m＝1.67；

(2)利用步骤(1)计算的全桥型模块化多电平变流器直流电压参考值，根据下式计算得到各相上、下桥臂的参考电压：

其中，为各相交流侧正序参考电压，为各相交流侧负序参考电压，u_cj为各相桥臂中用于实现环流抑制的共模分量；

(3)根据全桥型模块化多电平变流器各相上桥臂参考电压u_pj和下桥臂参考电压u_nj，利用脉宽调制方法或最近电平逼近调制方法，生成各相上桥臂和下桥臂所有电力电子开关器件的控制信号，以此控制信号控制各相上桥臂和下桥臂的电力电子开关器件，实现全桥型模块化多电平变流器在单相对地短路故障工况下子模块电容电压的波动抑制。