CN113824338A - 计算低压穿越时子模块非对称mmc桥臂电流的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明针对具有直流故障穿越能力的子模块非对称MMC，提出了一种计算其低压穿越时桥臂电流的方法。该方基于子模块非对称MMC运行机理，能够有效计算出低压穿越时上下桥臂不平衡的桥臂电流，并在此基础上刻划出桥臂电流在全直流电压运行范围的运行域，有助于该拓扑的参数设计以及保证该拓扑低直流电压情况下的安全运行。信号处理计算基于拓扑的运行机理，计算流程简单。所述计算方法具有经济可靠、实现简单、性能优异的特点，可应用于采用了子模块非对称MMC的柔性直流输电系统实际工程中。

Description

计算低压穿越时子模块非对称MMC桥臂电流的方法及装置
技术领域
本发明属于电力电子技术技术领域，特别涉及一种计算低压穿越时子模块非对称MMC桥臂电流的方法及装置。
背景技术
在可再生能源日益发展壮大的背景下，柔性直流输电技术应运而生。得益于其快速灵活的可控性、高度的紧凑性以及优良的环境适应性，柔性直流输电技术能够支持大规模可再生能源的高效接入。除此之外，该项技术还可提供适应性更强的接纳、传输模式，提高电网大规模远距离输电能力。为保证输电经济性，需采用架空线路，而这种裸露的线路容易发生短路、闪络等暂时性的故障，因此对直流输电系统有着处理直流侧短路故障途径的要求。利用换流器自身控制来实现直流侧故障的快速自清除特别适合直流输电网络。
子模块非对称MMC结构具有直流故障自清除能力，与其它具有该能力的MMC拓扑相比，其结构相对简单，全范围直流电压运行时对FBSM在子模块中的占比要求比较固定(为50％)。目前，针对子模块非对称MMC的研究主要集中在其自身运行机理、数学模型及谐波模型问题上，而子模块非对称MMC拓扑在低压穿越时出现的桥臂电流不均问题的研究还未见报道。因此，一种计算低压穿越时子模块非对称MMC桥臂电流的方法提出对于柔性直流输电系统具有积极的意义和重要的实用价值。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明针对具有直流故障穿越能力的子模块非对称MMC，提出了一种计算其低压穿越时桥臂电流的方法。该方法基于子模块非对称MMC运行机理，能够有效计算出低压穿越时上下桥臂不平衡的桥臂电流，并在此基础上刻划出桥臂电流在全直流电压运行范围的运行域，有助于该拓扑的参数设计以及保证该拓扑低直流电压情况下的安全运行。信号处理计算单元基于拓扑的运行机理，计算流程简单。所述计算方法具有经济可靠、实现简单、性能优异的特点，可应用于采用了子模块非对称MMC的柔性直流输电系统实际工程中。本发明具体通过如下技术方案实现：
一种计算低压穿越时子模块非对称MMC桥臂电流的方法，其特征在于，所述方法包括：信号采集步骤、分析计算步骤、输出步骤；
信号采集步骤：采集所述子模块非对称MMC拓扑结构上下桥臂所产生的信号；
分析计算步骤：根据采集到的桥臂电流、直流电流、交流电流、直流电压和参考电压，提取出相应的幅值和相角信息，得到各个桥臂的调制信号、实际运行直流电压比、桥臂电压；
输出步骤：根据分析计算结果给出子模块非对称MMC的上下桥臂电流大小。
作为本发明的进一步改进，所述子模块非对称MMC，上桥臂由半桥子模块HBSM组成，下桥臂由全桥子模块FBSM组成；子模块非对称MMC通过相应的调制方法输出交流电压uj；当直流母线电压低于额定电压运行时，由于上下桥臂非对称，上下桥臂相应的电流不再均分。
作为本发明的进一步改进，所述子模块非对称MMC包括上桥臂由HBSM组成、下桥臂全部由FBSM组成的MMC构型。
作为本发明的进一步改进，所述子模块非对称MMC包括三相并联MMC或三相串联MMC。
作为本发明的进一步改进，当直流侧电压Udc由于直流故障电压下降时，下桥臂的FBSM将产生负电压使其与上桥臂电压之和保持与直流母线电压相等，从而实现低压穿越运行。
作为本发明的进一步改进，各个桥臂的调制信号为：
Figure BDA0003344872950000021
Figure BDA0003344872950000022
Figure BDA0003344872950000023
Figure BDA0003344872950000024
其中，mj_arm1为第一上桥臂的调制信号，mj_arm2为第一下桥臂的调制信号，mj_arm3为第二上桥臂的调制信号，mj_arm4为第二下桥臂的调制信号，Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，uref_j/2为j相的参考电压，Udc_j为j相直流侧电压，j的取值为a、b、c，即uref_a/2表示a相的参考电压。
作为本发明的进一步改进，实际运行直流电压比η为：
Figure BDA0003344872950000031
其中，η∈[0,1],(2η-1)∈[-1,1]；Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，Udc_j为j相直流侧电压，j的取值为a、b、c，即Udc_j表示a相直流侧电压。
桥臂电压表达式为：
Figure BDA0003344872950000032
Figure BDA0003344872950000033
其中，uj_carm1为第一上桥臂电压信号，uj_carm2为第一下桥臂电压信号，N为桥臂子模块总数，C为子模块电容容值，ω为基波角频率，δj为交流侧相电压相角，
Figure BDA0003344872950000034
为交流电流相角，Id为总的直流电流，Ij1为第一上桥臂第j相交流侧相电流基波幅值，Ij2为第一下桥臂第j相交流侧相电流基波幅值。
所述MMC换流器稳定运行时满足：
Figure BDA0003344872950000035
上式中，η∈[0,1],(2η-1)∈[-1,1]。
作为本发明的进一步改进，当η＝1，Udcrated_j＝Udc_j,则代表直流电压处于额定状态，此时，上下桥臂的桥臂电流将均分Ij1＝Ij2＝Ij/2，φj1＝φj2＝φj。
另一方面，本发明还提供了一种计算低压穿越时子模块非对称桥臂电流的装置，所述装置包括：
信号采集单元，用于采集所述拓扑结构上下桥臂所产生的信号。
分析计算单元，用于根据信号采集单元测到的桥臂电流、直流电流、交流电流、直流电压和参考电压，提取出相应的幅值和相角信息，可以得到各个桥臂的调制信号、实际运行直流电压比、桥臂电压。
输出单元，用于根据分析计算结果给出子模块非对称MMC上下桥臂电流大小。
作为本发明的进一步改进，信号采集单元包括桥臂电流测量子单元、直流电流测量子单元、交流电流的测量子单元、直流电压测量子单元和实际产生的参考电压波形测量子单元。
本发明的有益效果是：(1)本发明针对具有直流故障穿越能力的子模块非对称MMC，该方法基于子模块非对称MMC运行机理，能够有效计算出低压穿越时上下桥臂不平衡的桥臂电流，并在此基础上刻划出桥臂电流在全直流电压运行范围的运行域，有助于该拓扑的参数设计以及保证该拓扑低直流电压情况下的安全运行。(2)本发明信号处理计算单元基于拓扑的运行机理，计算流程简单。所述计算方法具有经济可靠、实现简单、性能优异的特点，可应用于采用了子模块非对称MMC的柔性直流输电系统实际工程中。
附图说明
图1为串联MMC拓扑结构图；
图2(a)为半桥子模块的结构示意图；
图2(b)为全桥子模块的结构示意图；
图3为上下桥臂调制原理图；
图4为本发明提出的计算方法流程示意图；
图5为本发明的装置功能模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
本发明是针对一种具备直流故障穿越能力的子模块非对称(MMC)，并联型MMC或串联型MMC均可，这里以串联型MMC举例说明，它的拓扑结构示意图如图1所示，包括：三相MMC。
串联型MMC由j＝a，b，c三相MMC串联构成；每相MMC有4个桥臂，上桥臂全部由半桥子模块(HBSM)组成，下桥臂全部由全桥子模块(FBSM)组成；其交流侧通过变压器并联接入负荷侧输电线路，其中，Sn(n＝1～4)为全控开关器件(通常为IGBT)，Dn(n＝1～4)为开关器件反并联二极管，CS为子模块电容值，Uc为子模块电压，USM为子模块输出电压。HBSM的输出电压USM为0或Uc，FBSM的输出电压USM为0，Uc或-Uc。L0为桥臂电抗器电感值，Udc_j为三相串联MMC每一相直流侧电压值。
图2(a)所示的是MMC的半桥子模块结构示意图，图2(b)所示的是全桥子模块的结构示意图。
当直流侧电压Udc由于直流故障电压下降时，下桥臂的FBSM将产生负电压使其与上桥臂电压之和保持与直流母线电压相等，从而实现低压穿越运行。
在本申请实施例中，可以在柔性直流输电装置出现直流故障时，能够通过调节上桥臂和下桥臂电压之和，并使得上桥臂和下桥臂的电压之和等于直流侧的电压来消除直流侧发生的故障实现低压穿越，因此，相对于HBSM子模块对称的MMC，能够提升在输电装置出现故障时的故障处理能力，进而可以提升输电装置的稳定性。
如图3所示为上下桥臂调制原理图。以子模块非对称串联MMC为例，非对称MMC的基本运行原理，包括：
第一上子桥臂的参考电压可通过如下公式进行计算：
uj1_ref＝Udcrated_j/2-uref_j/2；
其中，uj1_ref表示j相拓扑结构的第一上子桥臂的参考电压，Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，uref_j/2为j相的参考电压，j的取值为a、b、c，即ua1_ref表示a相拓扑结构的第一上子桥臂的参考电压。
第二上子桥臂的参考电压可通过如下公式进行计算：
uj3_ref＝Udcrated_j/2+uref_j/2；
其中，uj3_ref表示j相拓扑结构的第二上子桥臂的参考电压，Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，uref_j/2为j相的参考电压，j的取值为a、b、c，即ua3_ref表示a相拓扑结构的第二上子桥臂的参考电压。
第一下子桥臂的参考电压可通过如下公式进行计算：
uj2_ref＝(Udc_j-Udcrated_j/2)+uref_j/2；
其中，uj2_ref表示j相拓扑结构的第一下子桥臂的参考电压，Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，uref_j/2为j相的参考电压，Udc_j为j相直流侧电压，j的取值为a、b、c，即ua2_ref表示a相拓扑结构的第一下子桥臂的参考电压。
第二下子桥臂的参考电压可通过如下公式进行计算：
uj4_ref＝(Udc_j-Udcrated_j/2)-uref_j/2；
其中，uj4_ref表示j相拓扑结构的第二下子桥臂的参考电压，Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，uref_j/2为j相的参考电压，Udc_j为j相直流侧电压，j的取值为a、b、c，即ua4_ref表示a相拓扑结构的第二下子桥臂的参考电压。
当实际直流母线电压Udc低于额定直流电压Udcrated时，由基尔霍夫定律，从而uj1_ref+uj2_ref＝Udc，uj3_ref+uj4_ref＝Udc，继而达到直流故障穿越的目的。
如图4所示，本发明提出了一种计算低压穿越时子模块非对称MMC桥臂电流的方法，包括：信号采集步骤、分析计算步骤、输出步骤。
信号采集步骤：采集所述拓扑结构上下桥臂所产生的信号。
分析计算步骤：根据采集到的桥臂电流、直流电流、交流电流、直流电压和参考电压，提取出相应的幅值和相角信息，得到各个桥臂的调制信号、实际运行直流电压比、桥臂电压。其中，各个桥臂的调制信号为：
Figure BDA0003344872950000061
Figure BDA0003344872950000062
Figure BDA0003344872950000063
Figure BDA0003344872950000064
其中，mj_arm1为第一上桥臂的调制信号，mj_arm2为第一下桥臂的调制信号，mj_arm3为第二上桥臂的调制信号，mj_arm4为第二下桥臂的调制信号。
实际运行直流电压比η为：
Figure BDA0003344872950000065
参考电压为
Figure BDA0003344872950000069
交流电流为
Figure BDA0003344872950000066
那么，对应的桥臂电流为：
Figure BDA0003344872950000067
其中Ij为第j相交流侧相电流基波幅值，ω为基波角频率，δj为交流侧相电压相角，
Figure BDA0003344872950000068
为交流电流相角，Id为总的直流电流，ij1为第一上桥臂的交流电流，ij2为第一下桥臂的交流电流，ij3为第二上桥臂的交流电流，ij4为第二下桥臂的交流电流。
桥臂电压表达式为：
Figure BDA0003344872950000071
Figure BDA0003344872950000072
其中，uj_carm1为第一上桥臂电压信号，uj_carm2为第一下桥臂电压信号，N为桥臂子模块总数，C为子模块电容容值，Ij1为第一上桥臂第j相交流侧相电流基波幅值，Ij2为第一下桥臂第j相交流侧相电流基波幅值。
由桥臂电压表达式可知，其桥臂电压中的直流分量(上式中标注为dcterm的部分)必须为零，否则，MMC换流器不能稳定运行，这就要求：
Figure BDA0003344872950000073
Figure BDA0003344872950000074
上式中，η∈[0,1],(2η-1)∈[-1,1]。当η＝1(Udcrated_j＝Udc_j),则代表直流电压处于额定状态，此时，上下桥臂的桥臂电流将均分Ij1＝Ij2＝Ij/2，φj1＝φj2＝φj。
如果MMC工作于低直流电压状态，那么上下桥臂的桥臂电流则不会均分，其具体大小，可由上式计算得到。
输出步骤：根据分析计算结果给出子模块非对称MMC的上下桥臂电流大小。
如图5所示为本发明提出的计算低压穿越时子模块非对称桥臂电流的装置功能模块图，所述装置包括：
信号采集单元，用于采集所述拓扑结构上下桥臂所产生的信号。
其中，信号采集单元包括桥臂电流测量子单元、直流电流测量子单元、交流电流的测量子单元、直流电压测量子单元和实际产生的参考电压波形测量子单元。
分析计算单元，用于根据信号采集单元测到的桥臂电流、直流电流、交流电流、直流电压和参考电压，提取出相应的幅值和相角信息，可以得到各个桥臂的调制信号、实际运行直流电压比、桥臂电压。
输出单元，用于根据分析计算结果给出子模块非对称MMC上下桥臂电流大小。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种计算低压穿越时子模块非对称MMC桥臂电流的方法，其特征在于，
所述方法包括：信号采集步骤、分析计算步骤、输出步骤；
信号采集步骤：采集所述子模块非对称MMC拓扑结构上下桥臂所产生的信号；
分析计算步骤：根据采集到的桥臂电流、直流电流、交流电流、直流电压和参考电压，提取出相应的幅值和相角信息，得到各个桥臂的调制信号、实际运行直流电压比、桥臂电压；
输出步骤：根据分析计算结果给出子模块非对称MMC的上下桥臂电流大小。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子模块非对称MMC，上桥臂由半桥子模块HBSM组成，下桥臂由全桥子模块FBSM组成；子模块非对称MMC通过相应的调制方法输出交流电压uj；当直流母线电压低于额定电压运行时，由于上下桥臂非对称，上下桥臂相应的电流不再均分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子模块非对称MMC包括上桥臂由HBSM组成、下桥臂全部由FBSM组成的MMC构型。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述子模块非对称MMC包括三相并联MMC或三相串联MMC。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当直流侧电压Udc由于直流故障电压下降时，下桥臂的FBSM将产生负电压使其与上桥臂电压之和保持与直流母线电压相等，从而实现低压穿越运行。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述子模块非对称MMC为4个桥臂的子模块非对称MMC时，各个桥臂的调制信号为：
Figure FDA0003344872940000011
Figure FDA0003344872940000012
Figure FDA0003344872940000013
Figure FDA0003344872940000014
其中，mj_arm1为第一上桥臂的调制信号，mj_arm2为第一下桥臂的调制信号，mj_arm3为第二上桥臂的调制信号，mj_arm4为第二下桥臂的调制信号，Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，uref_j/2为j相的参考电压，Udc_j为j相直流侧电压，j的取值为a、b、c，即uref_a/2表示a相的参考电压；
实际运行直流电压比η为：
Figure FDA0003344872940000021
其中，η∈[0,1],(2η-1)∈[-1,1]；Udcrated_j为j相直流侧额定参考电压的三分之一，Udc_j为j相直流侧电压，j的取值为a、b、c，即Udc_j表示a相直流侧电压。
桥臂电压表达式为：
Figure FDA0003344872940000022
Figure FDA0003344872940000023
其中，uj_carm1为第一上桥臂电压信号，uj_carm2为第一下桥臂电压信号，N为桥臂子模块总数，C为子模块电容容值，ω为基波角频率，δj为交流侧相电压相角，
Figure FDA0003344872940000024
为交流电流相角，Id为总的直流电流，Ij1为第一上桥臂第j相交流侧相电流基波幅值，Ij2为第一下桥臂第j相交流侧相电流基波幅值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述MMC换流器稳定运行时满足：
Figure FDA0003344872940000025
上式中，η∈[0,1],(2η-1)∈[-1,1]。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，当η＝1，Udcrated_j＝Udc_j,则代表直流电压处于额定状态，此时，上下桥臂的桥臂电流将均分Ij1＝Ij2＝Ij/2，φj1＝φj2＝φj。
9.一种计算低压穿越时子模块非对称桥臂电流的装置，所述装置包括：
信号采集单元，用于采集所述拓扑结构上下桥臂所产生的信号。
分析计算单元，用于根据信号采集单元测到的桥臂电流、直流电流、交流电流、直流电压和参考电压，提取出相应的幅值和相角信息，可以得到各个桥臂的调制信号、实际运行直流电压比、桥臂电压。
输出单元，用于根据分析计算结果给出子模块非对称MMC上下桥臂电流大小。
10.据权利要求9所述的装置，其特征在于，信号采集单元包括桥臂电流测量子单元、直流电流测量子单元、交流电流的测量子单元、直流电压测量子单元和实际产生的参考电压波形测量子单元。
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