CN111404412B - 一种模块化多电平变换器直流电容选取方法及装置 - Google Patents

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CN111404412B CN202010167514.1A CN202010167514A CN111404412B CN 111404412 B CN111404412 B CN 111404412B CN 202010167514 A CN202010167514 A CN 202010167514A CN 111404412 B CN111404412 B CN 111404412B
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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平变换器直流电容选取方法及装置，所述方法应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，所述方法包括：建立电容与最大允许波动率的约束模型；建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取；本发明的优点在于：提供一套合理的子模块电容选取方法，更好的承担换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑的作用。

Description

一种模块化多电平变换器直流电容选取方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体涉及模块化多电平变换器直流电容选取方法及装置。
背景技术
近几十年，随着社会的发展，工业与生活中对远距离高功率输电的需求越来越多要求也越来越高，传统的交流输电的缺点也越来越明显，直流输电具有功率调节快速方便、稳定性强、安全性高、成本低等诸多优点，因此应用越来越广泛。随着全控型开关器件IGBT等的发展使直流输电技术进一步飞跃。而高压直流输电(High Voltage Direct CurrentTransmission,HVDC)具有运行功率损耗小、线路走廊狭窄、线路造价低的经济性优势以及调节速度快、运行可靠、输出稳定、电压分布相对平稳等的技术性优势，凭借这些优势，HVDC已成为远距离、大容量输电的首选输电方式。
在输电技术中变换器起着无法替代的作用，换流器的主要作用是交直变换。而电压源变换器(Voltage Source Converter，VSC)和电流源型变换器(Current SourceConverter,CSC)的发展使HVDC输电的也随之得到快速发展。但是随着一些应用领域对电压功率要求越来越高，传统的VSC拓扑结构无法满足这些领域的要求。
模块化多电平变换器应运而生，由于其拓扑采用高度的模块化结构，易于扩展系统和实现冗余控制，具有开关频率低，输出电压波形良好等优点，模块化多电平换流器的结构有着明显更小的谐波输出、电磁干扰及开关损耗。其拓扑保证了模块电容电压的均衡控制得到简化，交流侧输出波形质量好，无需配置滤波装置。同时器件均压简单，损耗显著降低，降低了系统成本，冗余匹配也让系统故障处理能力强从而更可靠。已经成为当前多电平变换器应用的支柱力量。
对模块化多电平变换器而言，子模块电容作为模块化多电平变换器最重要的储能元件，承担着换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑的作用，因此子模块电容的选取对于模块化多电平变换器至关重要。文献《新型模块化多电平变换器电容电压控制》其针对三相电压型模块化多电平变换器的主电路，对有功功率和无功功率的计算以及交直流变电压控制进行了阐述，最后得出结论，采用有功和无功、交流和直流电压控制每个独立的子模块来实现整流控制是可能的，但是其整个技术方案缺乏对模块化多电平变换器的储能元件的研究，缺乏一套合理的子模块电容选取方法，因此换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑难以得到保障。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何提供一套合理的子模块电容选取方法，更好的承担换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑的作用。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种模块化多电平变换器直流电容选取方法，所述方法应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，所述方法包括：
步骤一：建立电容与最大允许波动率的约束模型；
步骤二：建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
步骤三：建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；
步骤四：综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取。
本发明针对现有技术缺乏一套合理的子模块电容选取方法，建立了普遍适用的约束模型，能针对不同的约束需求来进行电容选取，更具有普遍适用性；从模块化多电平控制器的工作入手很好的考虑了其稳定运行和安全运行的约束条件，各模型充分考虑了模块化多电平变换器的安全运行与稳定运行，且最终以三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，更加安全可靠，换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑得到保障。
优选的，所述三相电压型模块化多电平变换器的主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括上半桥和下半桥，上半桥和下半桥均由N个子模块串联连接而成，所有的上半桥的一端连接到一起形成直流侧电压正极，所有的上半桥的另一端均各自串联连接一个电感，所有的下半桥的一端均各自串联连接另一个电感，每个桥臂的上半桥串联连接的电感与下半桥串联连接的电感连接，所有的下半桥的另一端连接到一起形成直流侧电压负极，每个桥臂的中点均引出导线分别接三相交流电压源的三相线。
优选的，所述步骤一中，利用公式
Figure GDA0002941662510000031
建立电容与最大允许波动率的约束模型，其中，ω为角频率；ε为最大允许波动率；n为每条桥臂的子模块数量；Idc为直流侧电流；Udc为直流侧电压；USMij为子模块SMij的电压；m为调制指数且
Figure GDA0002941662510000032
Vs为交流侧电压，Vdc等同于Udc；
Figure GDA0002941662510000044
表示模块化多电平变换器的功率因素角。
优选的，所述步骤二中，利用公式
Figure GDA0002941662510000041
建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
其中，IS表示交流电流的均方根值，t表示时间，Vex为最大允许承受超额电压且
Figure GDA0002941662510000042
VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vr表示最大可调电压；N表示半桥上面子模块的总数，max表示取最大值。
优选的，所述步骤三中，利用公式
Figure GDA0002941662510000043
建立子模块电压能力要求与电容的约束模型。
本发明还提供一种模块化多电平变换器直流电容选取装置，所述装置应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，所述装置包括：
第一模型建立模块，用于建立电容与最大允许波动率的约束模型；
第二模型建立模块，用于建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
第三模型建立模块，用于建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；
电容选取模块，用于综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取。
优选的，所述三相电压型模块化多电平变换器的主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括上半桥和下半桥，上半桥和下半桥均由N个子模块串联连接而成，所有的上半桥的一端连接到一起形成直流侧电压正极，所有的上半桥的另一端均各自串联连接一个电感，所有的下半桥的一端均各自串联连接另一个电感，每个桥臂的上半桥串联连接的电感与下半桥串联连接的电感连接，所有的下半桥的另一端连接到一起形成直流侧电压负极，每个桥臂的中点均引出导线分别接三相交流电压源的三相线。
优选的，所述第一模型建立模块还用于：利用公式
Figure GDA0002941662510000051
建立电容与最大允许波动率的约束模型，其中，ω为角频率；ε为最大允许波动率；n为每条桥臂的子模块数量；Idc为直流侧电流；Udc为直流侧电压；USMij为子模块SMij的电压；m为调制指数且
Figure GDA0002941662510000052
Vs为交流侧电压，Vdc等同于Udc；
Figure GDA0002941662510000055
表示模块化多电平变换器的功率因素角。
优选的，所述第二模型建立模块还用于：利用公式
Figure GDA0002941662510000053
建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
其中，IS表示交流电流的均方根值，t表示时间，Vex为最大允许承受超额电压且
Figure GDA0002941662510000054
VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vr表示最大可调电压；N表示半桥上面子模块的总数，max表示取最大值。
优选的，所述第三模型建立模块还用于：利用公式
Figure GDA0002941662510000061
建立子模块电压能力要求与电容的约束模型。
本发明的优点在于：本发明针对现有技术缺乏一套合理的子模块电容选取方法，建立了普遍适用的约束模型，能针对不同的约束需求来进行电容选取，更具有普遍适用性；从模块化多电平控制器的工作入手很好的考虑了其稳定运行和安全运行的约束条件，各模型充分考虑了模块化多电平变换器的安全运行与稳定运行，且最终以三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，更加安全可靠，换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑得到保障。
附图说明
图1为本发明实施例所公开的一种模块化多电平变换器直流电容选取方法的流程图；
图2为本发明实施例所公开的一种模块化多电平变换器直流电容选取方法中的三相电压型模块化多电平变换器的主电路的拓扑图；
图3为本发明实施例所公开的一种模块化多电平变换器直流电容选取方法中的三相电压型模块化多电平变换器的主电路中的子模块原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种模块化多电平变换器直流电容选取方法，所述方法应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，该主电路为现有技术的电路，如图2，为现有技术的一种三相电压型模块化多电平变换器的主电路的拓扑图，其结构为，所述三相电压型模块化多电平变换器的主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括上半桥和下半桥，上半桥和下半桥均由N个子模块串联连接而成，例如图2所示的，每条线上子模块SM1至子模块SMN组成一个半桥，位于整个桥臂上半部的为上半桥，位于整个桥臂下半部的为下半桥，所有的上半桥的一端连接到一起形成直流侧电压正极，所有的上半桥的另一端均各自串联连接一个电感，所有的下半桥的一端均各自串联连接另一个电感，每个桥臂的上半桥串联连接的电感与下半桥串联连接的电感连接，所有的下半桥的另一端连接到一起形成直流侧电压负极，每个桥臂的中点均引出导线分别接三相交流电压源的三相线，如图2中的phase a表示A相，phaseb表示B相，phase c表示C相，ac side表示交流侧，dc side表示直流侧，VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vdc等同于Udc为直流侧电压，VSMij等同于USMij为子模块SMij的电压，iarm为支路电流也即每条桥臂的电流。如图3所示为每个子模块的原理图，每个子模块有两个开关管和一个电容组成，一个开关管的发射极连接另一个开关管的集电极，一个开关管的集电极与另一个开关管的发射极之间连接电容，一个开关管的发射极与另一个开关管的集电极之间为该子模块的电压。由于该主电路为现有技术比较常见的电路，在此不对其电路原理以及详细结构进行描述。
所述方法包括：
步骤S1：建立电容与最大允许波动率的约束模型；具体为：由于子模块内的每个开关管都会单独承受电容电压，过大的电容电压波动不仅影响电容本身耐压值选取，还可能威胁开关器件的安全运行区域，因此在电容的选取过程中最大允许波动率必须得考虑进去。出于换流器安全运行考虑，一般会给定正常运行电容电压最大允许波动率，根据能量变化和实际能量波动的关系利用公式
Figure GDA0002941662510000081
建立电容与最大允许波动率的约束模型，其中，ω为角频率；ε为最大允许波动率；n为每条桥臂的子模块数量；Idc为直流侧电流；Udc为直流侧电压；USMij为子模块SMij的电压；m为调制指数且
Figure GDA0002941662510000082
Vs为交流侧电压，Vdc等同于Udc；
Figure GDA0002941662510000084
表示模块化多电平变换器的功率因素角。该模型在考虑了电容电压波动的情况下，对电容的选取范围做了限定，CSel1为考虑电容电压波动的情况下的电容值。
步骤S2：建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；具体过程为：在模块化多电平变换器中，每一个子模块的端口输出电压等于模块中电容的电压，为了保证变换器正常运行，在运行过程中，电容电压必须始终低于子模块中各种设备的电压限制，所以有
Figure GDA0002941662510000083
Vex为最大允许承受超额电压，VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vr表示最大可调电压，当然电容允许一定量的超过额定电压，一般称为最大允许承受超额电压。在实际中会给定最大允许承受超额电压，根据最大允许超额电压大于实际电压的原则，利用公式
Figure GDA0002941662510000091
建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
其中，IS表示交流电流的均方根值，t表示时间；N表示半桥上面子模块的总数，max表示取最大值。该模型在考虑了最大允许承受超额电压的情况下，对电容的选取范围做了限定，CSel2为考虑最大允许承受超额电压的情况下的电容值。
步骤S3：建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；具体过程为：为了保证每个桥臂的电压输出能保证持续稳定，对子模块的电压进行一定的限制，即一个桥臂中的总的子模块电容电压必须足以在任何时候合成所需的桥臂电压，以提供所需的伴生相电压，因此利用公式
Figure GDA0002941662510000092
建立子模块电压能力要求与电容的约束模型。该模型在考虑了子模块电压能力要求，对电容的选取范围做了限定，CSel3为考虑子模块电压能力要求的电容值。
步骤S4：综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取，这样选出的电容能够保证电路持续稳定运行，充分考虑了模块化多电平变换器的安全运行，建立了普遍适用的约束模型，能针对不同的约束需求来进行选取，更具有普遍适用性。例如，当CSel1的范围为大于6，CSel2的范围为大于4，CSel3的范围为大于2时，三种模型中约束范围最大值为大于6，最终的电容选取条件为电容值大于6。
通过以上技术方案，本发明提供的一种模块化多电平变换器直流电容选取方法，主要是针对现有技术缺乏一套合理的子模块电容选取方法，建立了普遍适用的约束模型，能针对不同的约束需求来进行电容选取，更具有普遍适用性；从模块化多电平控制器的工作入手很好的考虑了其稳定运行和安全运行的约束条件，各模型充分考虑了模块化多电平变换器的安全运行与稳定运行，且最终以三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，更加安全可靠，换流器交直流侧功率传输、直流母线电压支撑得到保障。
实施例2
与本发明实施例1相对应的，本发明实施例2还提供一种模块化多电平变换器直流电容选取装置，所述装置应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，所述装置包括：
第一模型建立模块，用于建立电容与最大允许波动率的约束模型；
第二模型建立模块，用于建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
第三模型建立模块，用于建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；
电容选取模块，用于综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取。
具体的，所述三相电压型模块化多电平变换器的主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括上半桥和下半桥，上半桥和下半桥均由N个子模块串联连接而成，所有的上半桥的一端连接到一起形成直流侧电压正极，所有的上半桥的另一端均各自串联连接一个电感，所有的下半桥的一端均各自串联连接另一个电感，每个桥臂的上半桥串联连接的电感与下半桥串联连接的电感连接，所有的下半桥的另一端连接到一起形成直流侧电压负极，每个桥臂的中点均引出导线分别接三相交流电压源的三相线。
具体的，所述第一模型建立模块还用于：利用公式
Figure GDA0002941662510000111
建立电容与最大允许波动率的约束模型，其中，ω为角频率；ε为最大允许波动率；n为每条桥臂的子模块数量；Idc为直流侧电流；Udc为直流侧电压；USMij为子模块SMij的电压；m为调制指数且
Figure GDA0002941662510000112
Vs为交流侧电压，Vdc等同于Udc；
Figure GDA0002941662510000114
表示模块化多电平变换器的功率因素角。
具体的，所述第二模型建立模块还用于：利用公式
Figure GDA0002941662510000113
建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
其中，IS表示交流电流的均方根值，t表示时间，Vex为最大允许承受超额电压且
Figure GDA0002941662510000121
VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vr表示最大可调电压；N表示半桥上面子模块的总数，max表示取最大值。
具体的，所述第三模型建立模块还用于：利用公式
Figure GDA0002941662510000122
建立子模块电压能力要求与电容的约束模型。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种模块化多电平变换器直流电容选取方法，其特征在于，所述方法应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，所述方法包括：
步骤一：建立电容与最大允许波动率的约束模型；
步骤二：建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
步骤三：建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；
步骤四：综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取；
所述三相电压型模块化多电平变换器的主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括上半桥和下半桥，上半桥和下半桥均由N个子模块串联连接而成，所有的上半桥的一端连接到一起形成直流侧电压正极，所有的上半桥的另一端均各自串联连接一个电感，所有的下半桥的一端均各自串联连接另一个电感，每个桥臂的上半桥串联连接的电感与下半桥串联连接的电感连接，所有的下半桥的另一端连接到一起形成直流侧电压负极，每个桥臂的中点均引出导线分别接三相交流电压源的三相线；
所述步骤一中，利用公式
Figure FDA0003068983170000011
建立电容与最大允许波动率的约束模型，其中，ω为角频率；ε为最大允许波动率；n为每条桥臂的子模块数量；Idc为直流侧电流；Udc为直流侧电压；USMij为子模块SMij的电压；m为调制指数且
Figure FDA0003068983170000012
Vs为交流侧电压，Vdc等同于Udc；
Figure FDA0003068983170000013
表示模块化多电平变换器的功率因素角；
所述步骤二中，利用公式
Figure FDA0003068983170000021
建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
其中，IS表示交流电流的均方根值，t表示时间，Vex为最大允许承受超额电压且
Figure FDA0003068983170000022
VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vr表示最大可调电压；N表示半桥上面子模块的总数，max表示取最大值。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平变换器直流电容选取方法，其特征在于，所述步骤三中，利用公式
Figure FDA0003068983170000023
建立子模块电压能力要求与电容的约束模型。
3.一种模块化多电平变换器直流电容选取装置，其特征在于，所述装置应用于三相电压型模块化多电平变换器的主电路，所述装置包括：
第一模型建立模块，用于建立电容与最大允许波动率的约束模型；
第二模型建立模块，用于建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
第三模型建立模块，用于建立子模块电压能力要求与电容的约束模型；
电容选取模块，用于综合比较电容与最大允许波动率的约束模型、最大允许承受超额电压与电容的约束模型以及子模块电压能力要求与电容的约束模型这三种模型的约束范围，选择三种模型中约束范围最大值作为最终的电容选取条件，依据电容选取条件进行电容选取；
所述三相电压型模块化多电平变换器的主电路包括三个桥臂，每个桥臂包括上半桥和下半桥，上半桥和下半桥均由N个子模块串联连接而成，所有的上半桥的一端连接到一起形成直流侧电压正极，所有的上半桥的另一端均各自串联连接一个电感，所有的下半桥的一端均各自串联连接另一个电感，每个桥臂的上半桥串联连接的电感与下半桥串联连接的电感连接，所有的下半桥的另一端连接到一起形成直流侧电压负极，每个桥臂的中点均引出导线分别接三相交流电压源的三相线；
所述第一模型建立模块还用于：利用公式
Figure FDA0003068983170000031
建立电容与最大允许波动率的约束模型，其中，ω为角频率；ε为最大允许波动率；n为每条桥臂的子模块数量；Idc为直流侧电流；Udc为直流侧电压；USMij为子模块SMij的电压；m为调制指数且
Figure FDA0003068983170000032
Vs为交流侧电压，Vdc等同于Udc；
Figure FDA0003068983170000033
表示模块化多电平变换器的功率因素角；
所述第二模型建立模块还用于：利用公式
Figure FDA0003068983170000034
建立最大允许承受超额电压与电容的约束模型；
其中，IS表示交流电流的均方根值，t表示时间，Vex为最大允许承受超额电压且
Figure FDA0003068983170000035
VSMdc为上桥臂电压或下桥臂电压，Vr表示最大可调电压；N表示半桥上面子模块的总数，max表示取最大值。
4.根据权利要求3所述的一种模块化多电平变换器直流电容选取装置，其特征在于，所述第三模型建立模块还用于：利用公式
Figure FDA0003068983170000041
建立子模块电压能力要求与电容的约束模型。
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