CN116822429A - 一种m3c子模块电容值的选取方法 - Google Patents

一种m3c子模块电容值的选取方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116822429A
CN116822429A CN202310234101.4A CN202310234101A CN116822429A CN 116822429 A CN116822429 A CN 116822429A CN 202310234101 A CN202310234101 A CN 202310234101A CN 116822429 A CN116822429 A CN 116822429A
Authority
CN
China
Prior art keywords
submodule
capacitance value
capacitance
voltage
lambda
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310234101.4A
Other languages
English (en)
Inventor
谢瑞
陈玮
林斌
徐鸥洋
徐晗
吕亚博
王霄鹤
陈雨薇
陈晴
郦洪柯
杨文斌
金砚秋
张哲任
徐政
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PowerChina Huadong Engineering Corp Ltd
Original Assignee
PowerChina Huadong Engineering Corp Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PowerChina Huadong Engineering Corp Ltd filed Critical PowerChina Huadong Engineering Corp Ltd
Priority to CN202310234101.4A priority Critical patent/CN116822429A/zh
Publication of CN116822429A publication Critical patent/CN116822429A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/26—Measuring inductance or capacitance; Measuring quality factor, e.g. by using the resonance method; Measuring loss factor; Measuring dielectric constants ; Measuring impedance or related variables
    • G01R27/2605—Measuring capacitance
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/30—Circuit design
    • G06F30/36—Circuit design at the analogue level
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Abstract

本发明公开了一种M3C子模块电容值的选取方法，首先，引入等容量放电时间常数的概念，建立M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式，给定等容量放电时间常数，计算出一个M3C子模块电容值；其次，建立M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式，给定M3C子模块电容电压最大正向波动率，计算出一个M3C子模块电容值；最后，取两个M3C子模块电容值中的较小值，作为M3C子模块电容值。根据本方法所选取的M3C子模块电容值经济性强，能够一定程度上降低总投资成本，并且本方法通用性强，适用于不同容量、不同电压等级的M3C。

Description

一种M3C子模块电容值的选取方法
技术领域
本发明属于电力系统输配电技术领域，具体涉及一种M3C(modular multilevelmatrix converter，模块化多电平矩阵式变换器)子模块电容值的选取方法。
背景技术
远距离大容量海上风电场的可靠并网是海上风电领域的关键技术。目前，海上风电场并网系统主要有两种，一是工频高压交流输电系统，二是基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统。近海小规模风电场一般采用工频高压交流输电系统并网，该系统技术成熟度高、投资成本低，但是严重的电容效应制约了交流海缆的输电距离。远海风电场一般采用基于模块化多电平换流器的柔性直流输电系统并网，但是需要建设大型海上换流站平台，建设难度和投资成本较高。
低频交流输电被认为是远距离海上风电场并网的一种有竞争力的方案。低频交流输电不仅可以利用低频来扩展交流输电的距离和容量，还可以消除海上换流平台，降低投资成本。
低频交流输电系统的关键设备是交交换流器。在各种交交换流器中，模块化多电平矩阵换流器具有低谐波水平、有功无功控制解耦等优势，在低频交流输电应用场景中引起了学术界和工业界的广泛关注。
到目前为止，已公开的绝大多数文献基本集中于M3C的数学模型推导和控制器设计上，很少有关于M3C子模块电容值选取方法的研究。现有的M3C子模块电容值选取方法通常根据稳态下子模块电压波动不能超过某一定值的原则确定电容值，但没有充分考虑子模块电压的波动与运行状态以及工作性能的关系。此外，现有的M3C子模块电容值选取方法通常会保留一定安全裕度，提升了投资成本。合理的M3C子模块电容值对提高M3C的稳态性能和动态性能、降低投资成本至关重要，因此，很有必要对M3C子模块电容值的选取方法进行研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种实施简单、运行效果良好、投资成本廉价、具有巨大工程使用价值的M3C子模块电容值的选取方法。
为了实现上述发明目的，本方法采取如下技术方案：
一种M3C子模块电容值的选取方法，首先，引入等容量放电时间常数的概念，建立M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式，给定等容量放电时间常数，计算出一个M3C子模块电容值；其次，建立M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式，给定M3C子模块电容电压最大正向波动率，计算出一个M3C子模块电容值；最后，取两个M3C子模块电容值中的较小值，作为M3C子模块电容值。
进一步地，所述等容量放电时间常数的概念为M3C所有子模块电容的额定储能之和以等于M3C容量的功率放电，则子模块电容所能持续放电的时间长度。
进一步地，所述M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式如下：
其中：C0为M3C子模块电容值，SN为M3C额定容量，H为等容量放电时间常数，N为M3C每个桥臂的子模块级联个数，Uc为M3C子模块电容电压额定值。
进一步地，所述M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式如下：
其中：C0为M3C子模块电容值，λ为反映M3C子模块电容电压波动的函数，λmax为函数λ的最大值，N为M3C每个桥臂的子模块级联个数，Uc为M3C子模块电容电压额定值，kmax为M3C子模块电容电压最大正向波动率。
进一步地，所述反映M3C子模块电容电压波动的函数λ的表达式如下：
其中，Li为M3C输入侧换流变压器的漏电感，Lo为M3C输出侧换流变压器的漏电感，L0为M3C桥臂电感，Ii为M3C输入侧换流变压器阀侧相电流额定幅值，Io为M3C输出侧换流变压器阀侧相电流额定幅值，Ui为M3C输入侧换流变压器阀侧相电压额定幅值，Uo为M3C输出侧换流变压器阀侧相电压额定幅值，ωi为M3C输入侧额定角频率，ωo为M3C输出侧额定角频率，为M3C输入侧功率因数角，/>为M3C输出侧功率因数角，θi为M3C输入侧电压初相角，θo为M3C输出侧电压初相角，t为时间。Li、Lo、L0、Ii、Io、Ui、Uo、ωi和ωo为给定值，θi取为0，/>θo和t为变量，函数λ为/>θo和t这4个变量的函数。
进一步地，所述函数λ的最大值λmax的计算方法为：令θo＝0°、画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°、/>画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°、/>画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°、画出函数λ在一个周期上的曲线；取四条曲线的最大值作为函数λ的最大值λmax。
本发明的有益效果是：
(1)根据本发明所选取的M3C子模块电容值可有效提高M3C的稳态性能和动态性能。
(2)根据本发明所选取的M3C子模块电容值经济性强，能够一定程度上降低总投资成本。
附图说明
图1(a)为M3C拓扑结构示意图。
图1(b)为M3C子模块拓扑结构示意图。
图2(a)为θo＝0°、时函数λ在一个周期上的曲线示意图。
图2(b)为θo＝0°、时函数λ在一个周期上的曲线示意图。
图2(c)为θo＝0°、时函数λ在一个周期上的曲线示意图。
图2(d)为θo＝0°、时函数λ在一个周期上的曲线示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
图1(a)为M3C拓扑结构示意图。一个M3C有9个桥臂，每个桥臂有N个串联的M3C子模块(SM)。Li为M3C输入侧换流变压器的漏电感，Lo为M3C输出侧换流变压器的漏电感，L0为M3C桥臂电感。iij为M3C输入侧换流变压器阀侧相电流瞬时值，ioj为M3C输出侧换流变压器阀侧相电流瞬时值，uij为M3C输入侧换流变压器阀侧相电压瞬时值，uoj为M3C输出侧换流变压器阀侧相电压瞬时值(j＝a、b、c，表示abc三相)。
M3C子模块采用全桥子模块，其拓扑结构如图1(b)所示，T1、T2、T3和T4代表IGBT，D1、D2、D3和D4代表反并联二极管，C0代表子模块电容。
在本发明所提供的M3C子模块电容值的选取方法中，首先，引入等容量放电时间常数的概念，建立M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式，给定等容量放电时间常数，计算出一个M3C子模块电容值；其次，建立M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式，给定M3C子模块电容电压最大正向波动率，计算出一个M3C子模块电容值；最后，取两个M3C子模块电容值中的较小值，作为M3C子模块电容值。
等容量放电时间常数的概念为M3C所有子模块电容的额定储能之和以等于M3C容量的功率放电，则子模块电容所能持续放电的时间长度。
M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式如下：
其中：C0为M3C子模块电容值，SN为M3C额定容量，H为等容量放电时间常数，N为M3C每个桥臂的子模块级联个数，Uc为M3C子模块电容电压额定值。M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式如下：
其中：C0为M3C子模块电容值，λ为反映M3C子模块电容电压波动的函数，λmax为函数λ的最大值，N为M3C每个桥臂的子模块级联个数，Uc为M3C子模块电容电压额定值，kmax为M3C子模块电容电压最大正向波动率。
反映M3C子模块电容电压波动的函数λ的表达式如下：
其中，Li为M3C输入侧换流变压器的漏电感，Lo为M3C输出侧换流变压器的漏电感，L0为M3C桥臂电感，Ii为M3C输入侧换流变压器阀侧相电流额定幅值，Io为M3C输出侧换流变压器阀侧相电流额定幅值，Ui为M3C输入侧换流变压器阀侧相电压额定幅值，Uo为M3C输出侧换流变压器阀侧相电压额定幅值，ωi为M3C输入侧额定角频率，ωo为M3C输出侧额定角频率，为M3C输入侧功率因数角，/>为M3C输出侧功率因数角，θi为M3C输入侧电压初相角，θo为M3C输出侧电压初相角，t为时间。Li、Lo、L0、Ii、Io、Ui、Uo、ωi和ωo为给定值，θi取为0，/>θo和t为变量，函数λ为/>θo和t这4个变量的函数。
函数λ的最大值λmax的计算方法为：令θo＝0°、画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°、/>画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°、画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°、/>画出函数λ在一个周期上的曲线；取四条曲线的最大值作为函数λ的最大值λmax。
本实施例中的系统参数如表1所示：
给定等容量放电时间常数H为80ms，根据M3C子模块电容值C0与等容量放电时间常数H的关系式计算出一个M3C子模块电容值为20.81mF。然后，在MATLAB中绘制函数λ在一个周期上的曲线。图2(a)为θo＝0°、/>时函数λ在一个周期上的曲线，图2(b)为θo＝0°、/>时函数λ在一个周期上的曲线，图2(c)为θo＝0°、时函数λ在一个周期上的曲线，图2(d)为θo＝0°、/>时函数λ在一个周期上的曲线。取四条曲线的最大值作为函数λ的最大值λmax，λmax＝3.297MVA·s/rad。给定M3C子模块电容电压最大正向波动率为10％，根据M3C子模块电容值C0与M3C子模块电容电压最大正向波动率kmax的关系式/>计算出一个M3C子模块电容值为19.49mF。取两个M3C子模块电容值中的较小值19.49mF作为M3C子模块电容值。通过求解函数λ的最大值，可以简单高效地选取出合适的M3C子模块电容值。
综上，根据本发明所选取的M3C子模块电容值经济性强，能够一定程度上降低总投资成本。此外，根据本发明所选取的M3C子模块电容值可以有效提升M3C的稳态性能和动态性能。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种M3C子模块电容值的选取方法，其特征在于：首先，建立M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式，给定等容量放电时间常数，计算出一个M3C子模块电容值；其次，建立M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式，给定M3C子模块电容电压最大正向波动率，计算出一个M3C子模块电容值；最后，取两个M3C子模块电容值中的较小值，作为M3C子模块电容值。
2.根据权利要求1所述的选取方法，其特征在于：所述等容量放电时间常数的概念为M3C所有子模块电容的额定储能之和以等于M3C容量的功率放电，则子模块电容所能持续放电的时间长度。
3.根据权利要求1所述的选取方法，其特征在于：所述M3C子模块电容值与等容量放电时间常数的关系式如下：
其中：C0为M3C子模块电容值，SN为M3C额定容量，H为等容量放电时间常数，N为M3C每个桥臂的子模块级联个数，Uc为M3C子模块电容电压额定值。
4.根据权利要求1所述的选取方法，其特征在于：所述M3C子模块电容值与M3C子模块电容电压最大正向波动率的关系式如下：
其中：C0为M3C子模块电容值，λ为反映M3C子模块电容电压波动的函数，λmax为函数λ的最大值，N为M3C每个桥臂的子模块级联个数，Uc为M3C子模块电容电压额定值，kmax为M3C子模块电容电压最大正向波动率。
5.根据权利要求4所述的选取方法，其特征在于：反映M3C子模块电容电压波动的函数λ的表达式如下：
其中，Li为M3C输入侧换流变压器的漏电感，Lo为M3C输出侧换流变压器的漏电感，L0为M3C桥臂电感，Ii为M3C输入侧换流变压器阀侧相电流额定幅值，Io为M3C输出侧换流变压器阀侧相电流额定幅值，Ui为M3C输入侧换流变压器阀侧相电压额定幅值，Uo为M3C输出侧换流变压器阀侧相电压额定幅值，ωi为M3C输入侧额定角频率，ωo为M3C输出侧额定角频率，为M3C输入侧功率因数角，/>为M3C输出侧功率因数角，θi为M3C输入侧电压初相角，θo为M3C输出侧电压初相角，t为时间；Li、Lo、L0、Ii、Io、Ui、Uo、ωi和ωo为给定值，令θi为0，/>θo和t为变量，函数λ为/>θo和t这4个变量的函数。
6.根据权利要求4所述的选取方法，其特征在于：所述函数λ的最大值λmax的计算方法为：令θo＝0°，画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°，画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°，/> 画出函数λ在一个周期上的曲线；再令θo＝0°，/>画出函数λ在一个周期上的曲线；取四条曲线的最大值作为函数λ的最大值λmax。
CN202310234101.4A 2023-03-08 2023-03-08 一种m3c子模块电容值的选取方法 Pending CN116822429A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310234101.4A CN116822429A (zh) 2023-03-08 2023-03-08 一种m3c子模块电容值的选取方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310234101.4A CN116822429A (zh) 2023-03-08 2023-03-08 一种m3c子模块电容值的选取方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116822429A true CN116822429A (zh) 2023-09-29

Family

ID=88113435

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310234101.4A Pending CN116822429A (zh) 2023-03-08 2023-03-08 一种m3c子模块电容值的选取方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116822429A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109756121B (zh) 一种基于mmc的隔离型dc-dc直流变换器及控制方法
CN108471246B (zh) 一种用于降低模块化多电平换流器开关器件承压的控制方法
CN204835971U (zh) 一种多端口电力电子变压器
CN105048788A (zh) 一种混合级联结构的多端口电力电子变压器及其控制方法
WO2024016749A1 (zh) 一种具有多端口直流潮流控制的柔直换流器及其控制方法
CN112134472A (zh) 基于mmc换流器的双端系统直流侧谐振控制方法及系统
CN113555893A (zh) 基于电流源换流器的海上风电直流送出系统结构及其控制策略
Quraan et al. A new control scheme of back-to-back converter for wind energy technology
CN116094351A (zh) 一种新能源机组电力电子能量互联变换器及控制方法
CN113437891A (zh) 一种交直流多端口六边形模块化多电平变换器及控制方法
CN110783965B (zh) 适用于mmc半桥串联结构微电网的微源功率协调方法
CN113629985A (zh) 一种chb-qab拓扑结构的子模块电容优化控制方法
CN112688355A (zh) 应用于海上风电场的混合型直流换流器及其控制方法
CN116822429A (zh) 一种m3c子模块电容值的选取方法
Ramya et al. Design and control strategies of quasi–z source inverter for photovoltaic power generation systems
CN113794381A (zh) 一种宽调压范围的scdab-clllc复合型直流变压器及其控制方法
Mao et al. Simulation research of offshore wind farm VSC-HVDC three-Level converters for grid integration
Chen et al. Current stress analysis of passive devices and switching devices of quasi-Z-source inverters
Wu et al. A New Multilevel Converter Applied to Photovoltaic Grid-connected system
CN116470514B (zh) 一种基于潮流算法的海上风电交流系统稳定性判断方法
CN218888144U (zh) 一种中压储能并联有源电力滤波器电路
CN113783436B (zh) 一种全功率风电变换器及控制方法
CN104836465B (zh) 一种lc串联式三相pwm整流器电流迭代学习控制方法
Raju et al. Wind energy conversion system with a dual inverter based ultra-capacitor direct integration scheme
Lianghe et al. Research on new circulating current control strategy for increasing the power transmission capacity of modular multilevel converter

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination