CN112003315A - 一种降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种降低半全混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)中全桥子模块配置比例的方法，在确定交流侧电压和调制比等物理量后，计算得出三相的三次谐波注入电压幅值与相角，然后通过注入控制器在三相上注入所计算的三次谐波电压，可以降低桥臂电压的峰值，从而减少全桥子模块的使用数目，相应地降低半全混合型MMC的全桥子模块配置比例。本发明提供的技术方案引入了三次谐波电压注入量，优化了当柔性直流系统需要实现降压运行和无闭锁故障穿越时，换流阀使用的全桥子模块数量较多的问题。兼顾经济性和控制灵活性的特点，能够在保持直流母线电压和输送功率不变的前提下，降低桥臂电压峰值，进而降低对全桥子模块数目的需求，降低了全桥子模块配置比例，有利于降低换流器成本。

Description

一种降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置 比例的方法

技术领域

本发明涉及柔性直流输电技术领域，具体涉及一种降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法。

背景技术

柔性直流输电(VSC-HVDC)是继交流输电、常规直流输电之后的新一代直流输电技术。柔性直流输电技术具有有功、无功可独立调节，弱电网接入和低电压穿越能力强，低交流滤波及无功补偿需求等特点。柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)具有模块化、开关频率低、谐波含量低并且便于冗余配置等优势，与基于晶闸管的电网换相换流器以及传统的两电平电压源换流器相比，具有更广泛的应用场景。

MMC子模块可以采用多种拓扑结构，目前工程中较为常用的是半桥型子模块拓扑结构和全桥型子模块拓扑结构。基于半桥子模块的MMC最大特点为拓扑简单，经济性高，但不具备降压运行能力和直流故障清除能力；而基于全桥子模块的MMC则正好相反，因此学者们又提出将两者结合起来构成半全混合型MMC，将优点最大限度化的互补。

虽然在换流阀中配置较高比例的全桥子模块可以使系统具备降压运行能力和无闭锁故障穿越能力，但会使换流阀的体积和成本不断增加，经济性较差。因此，探索优化半全混合型 MMC中全桥子模块比例配置的方法，从而降低对全桥子模块数目的需求，提高换流器的经济性，具有重要的工程意义。

实际电网运行中可能会出现降压运行或者直流侧发生故障的情况，此时需要MMC中的子模块具有负电平输出能力，降低桥臂的参考电压，从而实现降低直流侧电压或者无闭锁故障穿越，但这种运行方式需要较高比例的全桥子模块。目前投入使用的半全混合型MMC中全桥子模块的配置比例普遍较高，尚未采用全桥子模块比例优化配置的方法。

发明内容

为了克服现有的可实现降压运行和无闭锁故障穿越的半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例较高的不足，本发明提供一种降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法。当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，确定此时的桥臂参考电压和系统的调制比，通过注入三次谐波电压修正量实现降低桥臂电压峰值，根据优化函数确定三次谐波电压修正量的幅值和相位，根据三次谐波注入后的桥臂电压波动负峰值确定可以减少的全桥子模块配置比例。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供了一种降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法，包括：

当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，确定此时的桥臂参考电压和系统的调制比；

通过注入三次谐波电压修正量实现降低桥臂电压峰值；

根据优化函数确定三次谐波电压修正量的幅值和相位；

根据三次谐波注入后的桥臂电压负峰值确定可以减少的全桥子模块配置比例。

当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，桥臂参考电压值和系统调制比分别为：

系统降压运行前，桥臂参考电压为U_dc/2；降压运行时，桥臂参考电压为ηU_dc/2。对于降压运行前、后的调制比m₁、m₂，有：

其中U_ac为交流电压峰值，U_dc为额定直流电压，η为降压运行比例。

当系统无闭锁故障穿越时，桥臂参考电压为0，此时可近似认为降压运行比例η＝0，调制比m₂无穷大。

三次谐波电压修正量注入后，桥臂电流与桥臂电压表示如下：

上、下桥臂电流分别表示为：

其中，I_dc为直流母线电流，i_pj、i_nj分别为上、下桥臂电流，I_vj为交流侧电流幅值，其中j＝a， b，c。ω为基波角频率，

为初相角。

令注入的三次谐波电压量表达式：

考虑三次谐波注入电压情况下，上、下桥臂调制电压表示为：

式中，U₁为基波交流电压幅值；

为基波交流电压相角；U₃为注入的三倍频谐波电压幅值；

为注入的三倍频谐波电压相角。

其中三次谐波电压修正量的幅值和相位可通过如下方式求得：

以上桥臂电压为例，设三次谐波电压注入后桥臂电压负峰值下降ΔU，则ΔU表达式如下：

三次谐波注入后出现削顶现象，削顶效果和注入幅值有关，削顶效果越明显，全桥子模块投入的个数就越少，相应地就能够降低半全混合型MMC的全桥子模块配置比例。为使全桥子模块数目尽可能的减少，设计优化函数如下:

当注入谐波电压幅值、相角与基频电压幅值、相角为如下关系时，桥臂电压负峰值波动最小：

此时降低的负峰值为：

通过所述注入方法可以确定全桥子模块优化配置比例：

注入所述三次谐波前，实际负峰值时投入的全桥子模块个数为：

其中N为子模块总个数(N＝N₁+N₂)，N₁为半桥子模块个数，N₂为全桥子模块个数。

注入所述三次谐波后，实际负峰值时投入的全桥子模块个数为：

当U₃＝1/6U_ac、

(或2π/3)时，有：

此时最小投入的全桥子模块数目为：

与未注入所述三次谐波时相比，可以节约的全桥子模块个数：

即可以减少的全桥子模块比例为：

由上式可知注入所述三倍频电压可以使全桥子模块比例降低6.67％m₁。

系统在降压运行或无闭锁故障穿越时，需要的全桥子模块数目较多，则可通过三次谐波注入降低调制电压负峰值，从而降低了全桥子模块使用个数，优化了全桥子模块的配置比例，降低了换流器成本。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供的降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法中，当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，确定此时的桥臂参考电压和系统的调制比；通过注入三次谐波电压修正量实现降低桥臂电压峰值；根据优化函数确定三次谐波电压修正量的幅值和相位；最后根据三次谐波注入后的桥臂电压负峰值确定可以减少的全桥子模块配置比例。本发明提供的方法由于能够有效降低MMC桥臂电压波动峰值，减少桥臂电压为负时需要的全桥子模块数目，提高了MMC系统的可靠性，降低了对全桥子模块配置比例的要求，有利于降低换流器成本。

本发明提供的降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法填补了优化半全混合型MMC全桥子模块比例配置的技术空白，可以与环流抑制方案结合使用，在降低全桥子模块配置比例的同时，最小化MMC系统环流，提高MMC系统的可靠性，降低MMC 系统损耗，降低换流器成本。

附图说明

图1是本发明实施例中降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法流程图；

图2是本发明实施例中通过三次谐波电压修正量和基频电压获得调制电压的流程图；

图3是本发明实施例中三次谐波电压修正量确定过程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例提供了一种降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法，具体流程图如图1所示，具体过程如下：

S101：当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，确定此时的桥臂参考电压和系统的调制比；

S102：通过注入三次谐波电压修正量实现降低桥臂电压峰值；

S103：根据优化函数确定三次谐波电压修正量的幅值和相位；

S104：根据三次谐波注入后的桥臂电压负峰值确定可以减少的全桥子模块配置比例。

上述的S101中，当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，桥臂参考电压值和系统调制比可分别由以下方法确定：

系统降压运行前，桥臂参考电压为U_dc/2；降压运行时，桥臂参考电压为ηU_dc/2。对于降压运行前、后的调制比m₁、m₂，有。

Claims (5)

1.一种降低半全混合型模块化多电平换流器(modular multilevel converter，MMC)中全桥子模块配置比例的方法，其特征在于，包括：

当系统降压运行或无闭锁故障穿越时，确定此时的桥臂参考电压和系统的调制比；

通过注入三次谐波电压修正量实现降低桥臂电压峰值；

根据优化函数确定三次谐波电压修正量的幅值和相位；

根据三次谐波注入后的桥臂电压负峰值确定可以减少的全桥子模块配置比例。

2.根据权利要求1所述的降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法，其特征在于，系统降压运行或无闭锁故障穿越时，桥臂参考电压值和系统调制比分别为：

系统降压运行前，桥臂参考电压为U_dc/2，降压运行时，桥臂参考电压为ηU_dc/2。对于降压运行前、后的调制比m₁、m₂，有：

其中U_ac为交流电压峰值，U_dc为额定直流电压，η为降压运行比例。

当系统无闭锁故障穿越时，桥臂参考电压为0，此时可近似认为降压运行比例η＝0，调制比m₂无穷大。

3.根据权利要求1所述的降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法，其特征在于，所述通过三次谐波电压修正量注入后，桥臂电流与桥臂电压表示如下：

上、下桥臂电流分别表示为：

其中，I_dc为直流母线电流，i_pj、i_nj分别为上、下桥臂电流，I_vj为交流侧电流幅值，其中j＝a，b，c。ω为基波角频率，

为初相角。

令注入的三次谐波电压量表达式：

考虑三次谐波注入电压情况下，上、下桥臂调制电压表示为：

式中，U₁为基波交流电压幅值；

为基波交流电压相角；U₃为注入的三倍频谐波电压幅值；

为注入的三倍频谐波电压相角。

4.根据权利要求1所述的降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法，其特征在于，三次谐波电压修正量的幅值和相位可通过如下方式求得：

以上桥臂电压为例，设三次谐波电压注入后桥臂电压负峰值下降ΔU，则ΔU表达式如下：

三次谐波注入后出现削顶现象，削顶效果和注入幅值有关，削顶效果越明显，全桥子模块投入的个数就越少，相应地就能够降低半全混合型MMC的全桥子模块配置比例。为使全桥子模块数目尽可能的减少，设计优化函数如下:

当注入谐波电压幅值、相角与基频电压幅值、相角为如下关系时，桥臂电压负峰值波动最小：

此时降低的负峰值为：

5.根据权利要求1所述的降低半全混合型模块化多电平换流器中全桥子模块配置比例的方法，其特征在于，通过所述注入方法确定全桥子模块优化配置比例：

注入所述三次谐波前，实际负峰值时投入的全桥子模块个数为：

其中N为子模块总个数(N＝N₁+N₂)，N₁为半桥子模块个数，N₂为全桥子模块个数。

注入所述三次谐波后，实际负峰值时投入的全桥子模块个数为：

当U₃＝1/6U_ac、

(或2π/3)时，有：

此时最小投入的全桥子模块数目为：

与未注入所述三次谐波时相比，可以节约的全桥子模块个数：

即可以减少的全桥子模块比例为：

由上式可知注入所述三倍频电压可以使全桥子模块配置比例降低6.67％m₁。

系统在降压运行或无闭锁故障穿越时，需要的全桥子模块数目较多，则可通过三次谐波注入降低调制电压峰值，从而降低了全桥子模块使用个数，优化了全桥子模块的配置比例，降低了换流器成本。

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