CN114285309A - 一种模块化多电平换流器过调制风险评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于交直流变换器稳态分析与性能评估领域,提供了一种模块化多电平换流器过调制风险评估方法及系统。该方法包括,定义动态调制比;根据模块化多电平换流器的拓扑结构,构建模块化多电平换流器的调制信号,依据所述调制信号得到相应谐波分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅值,得到模块化多电平换流器的动态调制比数值;基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流器是否存在过调制风险。
Description
技术领域
本发明属于交直流变换器稳态分析与性能评估领域,尤其涉及一种模块化 多电平换流器过调制风险评估方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成在 先技术。
模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有模块化结构、开关损耗小、谐波性能优良、无需半导体直接串联等优点。凭借这些优势,它 已被广泛应用于中高压直流中。在模块化多电平换流器中,调制信号是连接控 制单元和交直流变换器主电路的桥梁。根据变换器的控制目标,由控制单元产 生调制信号,并在调制阶段转换为绝缘栅门极晶体管(Insulated Gate Bipolar Translator,IGBT)的栅极脉冲,用于控制主电路中IGBT的通断状态。因此,IGBT 的开关状态受调制信号的影响很大。如果调制信号超过其允许的范围,即发生 过调制,那么IGBT栅极脉冲将受到干扰,导致输出桥臂电压与所需的臂电压不 一致,换流器工作不稳定等问题。
因此过调制风险评估在电路参数选择、工作区域设计等方面具有重要意义。 然而,现有方法存在缺陷,如广泛使用的模块化多电平换流器过调制风险评估 方法来自两电平变换器;使用传统的过调制风险评估方法(Conventional Modulation Ratio,CMR)会引入不合理简化,并因此导致结果计算不准确。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题,本发明提供一种模块化多电平 换流器过调制风险评估方法及系统,其可以准确、直观地评估模块化多电平换 流器的过调制风险。。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
本发明的第一个方面提供一种模块化多电平换流器过调制风险评估方法。
一种模块化多电平换流器过调制风险评估方法,包括:
定义动态调制比;
根据模块化多电平换流器的拓扑结构,构建模块化多电平换流器的调制信 号,依据所述调制信号得到相应谐波分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅 值,得到模块化多电平换流器的动态调制比数值;
基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流器是否存在过调制风险。
本发明的第二个方面提供一种模块化多电平换流器过调制风险评估系统。
一种模块化多电平换流器过调制风险评估系统,包括:
动态调制比定义模块,其被配置为:定义动态调制比;
动态调制比数值计算模块,其被配置为:根据模块化多电平换流器的拓扑 结构,构建模块化多电平换流器的调制信号,依据所述调制信号得到相应谐波 分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅值,得到模块化多电平换流器的动态 调制比数值;
评估模块,其被配置为:基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流 器是否存在过调制风险。
本发明的第三个方面提供一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程序被处理器执行 时实现如上述第一个方面所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法中的 步骤。
本发明的第四个方面提供一种计算机设备。
一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上 运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述第一个方面所述的 模块化多电平换流器过调制风险评估方法中的步骤。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明可以准确评估模块化多电平换流器的过调制风险,判断方法简洁明 了,动态调制比越大,过调制的风险就越大。评估误差小于0.5%。
本发明相比于基于传统调制比的方法,基于动态调制比的方法在所有情况 下都是准确的,并且在模块化多电平换流器的参数设计中以动态调制比作为指 标时,可以扩展模块化多电平换流器无过调制风险安全运行区域。
本发明对于模块化多电平换流器主电路参数选择、最大工作区计算、换流 变压器抽头变换等方面具有重要意义。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发 明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明示出的模块化多电平换流器过调制风险评估方法的流程图;
图2是本发明示出的模块化多电平换流器拓扑结构示意图;
图3是本发明示出的算例中基于本发明所述方法和基于传统方法的计算结 果对比图;
图4是本发明示出的关键电气量的波形图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本发明提供进一步的说明。 除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的 普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图 限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确 指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说 明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、 组件和/或它们的组合。
需要注意的是,附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的 方法和系统的可能实现的体系架构、功能和操作。应当注意,流程图或框图中 的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分,所述模块、程序段、 或代码的一部分可以包括一个或多个用于实现各个实施例中所规定的逻辑功能 的可执行指令。也应当注意,在有些作为备选的实现中,方框中所标注的功能 也可以按照不同于附图中所标注的顺序发生。例如,两个接连地表示的方框实 际上可以基本并行地执行,或者它们有时也可以按照相反的顺序执行,这取决 于所涉及的功能。同样应当注意的是,流程图和/或框图中的每个方框、以及流 程图和/或框图中的方框的组合,可以使用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现,或者可以使用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
实施例一
如图1所示,本实施例提供了一种模块化多电平换流器过调制风险评估方 法,包括以下步骤:
定义动态调制比;
根据模块化多电平换流器的拓扑结构,构建模块化多电平换流器的调制信 号,依据所述调制信号得到相应谐波分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅 值,得到模块化多电平换流器的动态调制比数值;
基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流器是否存在过调制风险。
为了使本实施例的技术方案更加清楚明晰,以下结合附图与算例对本实施 例中基于动态调制比的过调制风险评估方法进行详细说明。图2为模块化多电 平换流器的典型拓扑结构图,下述计算方法均基于该拓扑结构展开。
步骤一:定义动态调制比
模块化多电平换流器中的调制信号可以表示为(1)。
其中,Sm,ap(t)和Sm,an(t)表示上桥臂和下桥臂的调制信号;A0,A1和A2分别 是直流、1次和2次谐波分量的幅值;α1和α2表示相应的相位角;ω为基频角 频率。
传统的过调制风险评估方法包含许多假设和简化,为了解决此问题,本实 施例定义了动态调制比,并在此基础上提出了一种准确评估模块化多电平换流 器过调制风险的新方法。
判断是否发生过调制,通常有两种标准。第一个标准是判断桥臂电压参考 值是否超过桥臂电压输出能力。以A相上桥臂为例,判据可表示为式(2)。
0≤uap(t)≤N·uc,ap(t) (2)
其中,uap(t)表示上桥臂电压的瞬时值,uc,ap(t)表示子模块电容器电压瞬时值,N为单桥臂子模块个数。
第二个标准是判断调制信号是否在[0,1]区间内。该标准可以如式(3)所示。
0≤Sm,ap(t)≤1 (3)
桥臂电压uap(t)、子模块电容器电压uc,ap(t)和调制信号Sm,ap(t)具有以下关系。
uap(t)=N·uc,ap(t)·Sm,ap(t) (4)
将(4)式代入(2)式,可得如下推导。
由式(5)可得上述两个过调制判断标准是完全等效的。即只要满足这两个标 准中的其中任何一个时,都不会发生过调制。
由不等式(5)可以导出不等式(6)。
|2Sm,ap(t)-1|≤1 (6)
因此,本实施例提出了一个新的概念:动态调制比(动态调制比),其定义 和允许的范围如(7)所示。
其中,Mdyn表示动态调制比;函数“max<·>”返回输入表达式的最大值。
步骤二:计算动态调制比的具体数值
在(7)中,动态调制比具体数值的计算方法如下。
根据基尔霍夫电压定律和图2,可以得到以下上桥臂电压关系。
其中,iap(t)和uap(t)分别为上桥臂电流和上桥臂电压;ia(t)和ua(t)分别是交流侧相电流和交流侧相电压;Udc为直流侧电压;Lt和Lm分别表示换流器交流侧连 接电抗和桥臂电抗。
式(8)中的桥臂电压也可以从模块化多电平换流器内的电气关系中获得,如 式(4)所示。因此,可以基于(4)和(8)建立平衡方程(9)。
平衡方程(9)由直流量和正弦量组成。因而式(9)的左右边可以转化为式(10) 所示的形式。
根据等号两边“cos(kωt)”或“sin(kωt)”的对应系数相等的待定系数法,由式(10) 可得等价方程组(11)。
式(11)中未知量的个数等于等价方程组的个数,由此可以保证联立方程组 (11)是可解的。然后,可以通过求解(11)所示的五个等效方程来获得调制信号中 的A0,A1,α1,A2和α2的值,继而带入式(1)和(7)计算得到动态调制比的具体 数值。
步骤三:基于动态调制比评估模块化多电平变换器过调制风险
不同于传统的调制比,动态调制比是根据过调制判断标准推导出来的。动 态调制比反映了调制信号的允许边界与距允许边界最近点之间的距离。因此, 可以基于其直观地评估模块化多电平换流器的过调制风险:动态调制比越接近 0,则换流器的过调制风险越低;动态调制比越接近1,则换流器的过调制风险 越高。
方法验证:
为了验证本实施例的所提出的基于动态调制比的过调制风险评估方法,以下 结合实际工程参数进行验证。以张北模块化多电平换流器-HVDC项目为例,基 于仿真平台用于验证。张北高压直流工程模块化多电平换流器的主电路参数如 表1。
表1模块化多电平换流器主电路参数
算例中模块化多电平换流器在基础控制方案下运行。图3为算例中基于本 实施例所述方法和基于传统方法得到的计算结果对比图。从图中可以看出,基 于动态调制比的方法得到的边界与仿真验证平台的验证结果吻合良好。相比之 下,基于传统调制比的方法获得的边界与验证结果之间存在明显的差距。以功 率因数角等于0.399的工况为例,基于动态调制比和传统调制比评估过调制风险 时,最大允许功率分别为1500MVA(图3中A点)和1175MVA(图3中B 点)。仿真结果表明,最大允许功率的实际值为1496MVA。因此,所提方法的误差仅为0.3%。相比之下,传统方法的误差为20.5%。此外,图4给出了图3 中A点和B点的关键电气量波形图,从上到下五个子图分别为视在功率、电容 电压、环流电流、输出电流和输出电压的波形。可见模块化多电平换流器在这 两种功率条件下都能很好的工作,由此可知从基于传统调制比的方法获得的输 出功率边界可以进一步扩展。
实施例二
本实施例提供了一种模块化多电平换流器过调制风险评估系统。
一种模块化多电平换流器过调制风险评估系统,包括:
动态调制比定义模块,其被配置为:定义动态调制比;
动态调制比数值计算模块,其被配置为:根据模块化多电平换流器的拓扑 结构,构建模块化多电平换流器的调制信号,依据所述调制信号得到相应谐波 分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅值,得到模块化多电平换流器的动态 调制比数值;
评估模块,其被配置为:基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流 器是否存在过调制风险。
此处需要说明的是,上述动态调制比定义模块、动态调制比数值计算模块 和评估模块与实施例一中的步骤所实现的示例和应用场景相同,但不限于上述 实施例一所公开的内容。需要说明的是,上述模块作为系统的一部分可以在诸 如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。
实施例三
本实施例提供了一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,该程 序被处理器执行时实现如上述实施例一所述的模块化多电平换流器过调制风险 评估方法中的步骤。
实施例四
本实施例提供了一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上 并可在处理器上运行的计算机程序,所述处理器执行所述程序时实现如上述实 施例一所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法中的步骤。
本领域内的技术人员应明白,本发明的实施例可提供为方法、系统、或计 算机程序产品。因此,本发明可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和 硬件方面的实施例的形式。而且,本发明可采用在一个或多个其中包含有计算 机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器 等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的 流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框 图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。 可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他 可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程 数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程 和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备 以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的 指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流 程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使 得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处 理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个 流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程, 是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算 机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。 其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory, ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory,RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领 域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则 之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之 内。
Claims (10)
1.一种模块化多电平换流器过调制风险评估方法,其特征在于,包括:
定义动态调制比;
根据模块化多电平换流器的拓扑结构,构建模块化多电平换流器的调制信号,依据所述调制信号得到相应谐波分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅值,得到模块化多电平换流器的动态调制比数值;
基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流器是否存在过调制风险。
4.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法,其特征在于,所述动态调制比反映了调制信号的允许边界与距允许边界最近点之间的距离。
5.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法,其特征在于,判断所述过调制的标准包括:判断桥臂电压参考值是否超过桥臂电压输出能力。
6.根据权利要求1所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法,其特征在于,判断所述过调制的标准包括:判断调制信号是否在[0,1]区间内。
7.根据权利要求1-6所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法,其特征在于,所述基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流器是否存在过调制风险包括:动态调制比数值越接近0,则评估模块化多电平换流器的过调制风险越低;动态调制比数值越接近1,则评估模块化多电平换流器的过调制风险越高。
8.一种模块化多电平换流器过调制风险评估系统,其特征在于,包括:
动态调制比定义模块,其被配置为:定义动态调制比;
动态调制比数值计算模块,其被配置为:根据模块化多电平换流器的拓扑结构,构建模块化多电平换流器的调制信号,依据所述调制信号得到相应谐波分量的幅值,基于所述相应谐波分量的幅值,得到模块化多电平换流器的动态调制比数值;
评估模块,其被配置为:基于所述动态调制比数值评估模块化多电平换流器是否存在过调制风险。
9.一种计算机可读存储介质,其上存储有计算机程序,其特征在于,该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法中的步骤。
10.一种计算机设备,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序,其特征在于,所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的模块化多电平换流器过调制风险评估方法中的步骤。
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