CN107181419A - 一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，属于多电平换流器领域和高压直流输电领域，该方法将模块化多电平换流器的各个桥臂视为独立的控制对象，由调制信号确定桥臂所需投入的子模块数量，规定子模块电容电压最大波动范围，根据桥臂电流方向、电容电压大小和子模块前一时刻的状态(投入或切除)，引入保持因子，更新子模块电容电压的排序，从而投入相对应的子模块。本发明在保证电容电压获得良好均压效果的前提下，减小开关频率、降低开关损耗，得到符合要求的输出电压波形。

Description

一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法
技术领域
本发明属于多电平换流器领域和高压直流输电领域，尤其涉及一种模块化多电平换流 器子模块电容优化均压方法。
背景技术
模块化多电平换流器(MMC)是一种新型拓扑结构，与传统多电平换流器相比，具有模 块化设计、冗余控制、输出电压谐波含量少和具有公共直流母线等特性。MMC无需对多个开 关器件串并联，通过增加级联子模块的方式就可以获取更高电压和更大容量，在电压源型 高压直流输电领域有广阔的应用前景。2010年，美国的Trans Bay Cable工程首次将MMC技 术应用到高压直流输电，其最大容量为400MVA，直流母线电压为±200kV。而于2014年投运 的法国和西班牙之间用于电网互联的INELFE项目容量更是达到2000MW，直流母线电压为 ±320kV。
通常在高压直流输电应用中，直流母线电压可达到数百千伏，从而每个桥臂上的子模 块数目也会有数百个。在MMC正常运行中，随着桥臂电流方向的改变，若子模块处于投入状 态，其直流电容将会被充电或者放电，然而受到投入时刻不同、投入时间长短不同以及直 流电容参数不完全一致的影响，电容电压会产生波动。过大的电压波动会影响换流器的正 常运行，甚至导致换流器的损坏。所以，有必要对MMC子模块电容进行均压控制，减小电容 电压的波动。
排序法适用于电压等级较高、子模块数量较多的MMC均压控制。传统排序法电容均压 效果好，但是开关频率非常高，增加了换流器的损耗。
发明内容
针对背景技术中MMC子模块电容均压的必要性以及传统排序法中电容均压与开关频率 之间的矛盾，本发明提出了一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，具体包括 以下步骤：
S1，由NLM或SPWM调制计算出桥臂所需投入的子模块数量Non；
S2，设定子模块电容电压最大波动系数δmax，从而确定电容电压最大波动范围；
S3，引入保持因子HF1和HF2，其中HF1＜1、HF2＞1；子模块电容电压实际排序方式为升序，根据电容电压大小、桥臂电流iarm方向和子模块前一时刻的状态Si来判断相应子模块电容电压在实际排序的基础上，需要提升序位还是降低序位，即乘以HF1还是乘以HF2，更 新电容电压排序；
S4，根据更新后的电容电压排序，若桥臂电流iarm＞0，投入前Non个子模块，若桥臂电流iarm＜0，投入后Non个子模块。
进一步，所述子模块电容电压最大波动范围的上限为：UC max＝UC+δmaxUC，下限为：UC min＝UC-δmaxUC，其中UC为子模块电容电压额定值。
进一步，所述S3中子模块前一时刻的状态Si包括投入状态和切除状态。
更进一步，所述S3中，乘以HF1还是HF2的具体步骤为：
S3.1，若子模块电容电压uCi在最大波动范围外，则无论桥臂电流iarm方向和子模块前 一时刻的状态Si如何，当uC＜UC min时，电容电压乘以HF1；当uC＞UC max时，电容电压乘以HF2，其中i＝1，2，……，n；
S3.2，若子模块电容电压uCi在最大波动范围内，则需要考虑桥臂电流iarm方向和子模 块前一时刻的状态Si：当桥臂电流iarm＞0时，若该子模块前一时刻为投入状态，电容电压 乘以HF1，否则电容电压乘以HF2；当桥臂电流iarm＜0时，若该子模块前一时刻为投入状态， 电容电压乘以HF2，否则电容电压乘以HF1。
进一步，一般情况下最大波动系数δmax不超过10％。
本发明的有益效果为：本发明引入双保持因子，设定电容电压最大波动范围，对波动 范围之内和波动范围之外的电容电压分别处理，既能保证良好的均压效果，又能减小开关 频率，降低开关损耗。
附图说明
图1为本发明提供的模块化多电平换流器的拓扑结构图；
图2为本发明提供的模块化多电平换流器子模块的拓扑结构图；
图3为本发明提供的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
本发明涉及的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，所选用的模块化多 电平换流器的拓扑结构如图1所示。该拓扑三相分别并联在直流母线两端，每相包含上、 下两个桥臂，每个桥臂由n个级联子模块(SM)和一个桥臂电感L串联组成，上、下桥臂的中点作为每相的交流输出。
模块化多电平换流器子模块的拓扑结构如图2所示，半H桥结构是MMC典型的子模块结构，它由两个带有反并联二极管(D1、D2)的开关管T1、T2和一个直流电容C组成， 控制开关管T1和T2的开关状态，即可在输出端得到输出电压0或uC。
模块化多电平换流器输出相电压为该相下桥臂电压与上桥臂电压之差的一半，所以通 过改变桥臂中所投入的子模块数量，即可在交流输出端获取所需的电压波形。
图3为本发明涉及的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法的流程图，具 体包括以下步骤：
(1)由最近电平逼近调制NLM或正弦脉宽调制SPWM计算出桥臂所需投入的子模块数量 Non；
(2)设定子模块电容电压最大波动系数δmax，从而确定电容电压最大波动范围，其上限 为：UC max＝UC+δmaxUC，下限为：UC min＝UC-δmaxUC，其中UC为子模块电容电压额定值； 为了保证换流器正常运行，得到理想的输出波形，一般情况下δmax不能超过10％；
(3)引入保持因子HF1和HF2，其中HF1<1、HF2>1；子模块电容电压实际排序方式为升序，若子模块电容电压uCi在最大波动范围外，则无论桥臂电流iarm方向和子模块前一时刻的状态Si如何：当uCi<UCmin时，电容电压乘以HF1，当uCi>UCmax时，电容电压乘以HF2， (i＝1，2，……，n)，确保该子模块投入或切除的优先级，保证电容电压获得良好的均压 效果；若子模块电容电压uCi在最大波动范围内，则需要考虑桥臂电流iarm方向和子模块前 一时刻的状态Si(投入状态和切除状态)：当桥臂电流iarm>0时，若该子模块前一时刻为投 入状态(Si＝1)，电容电压乘以HF1，否则电容电压乘以HF2；当桥臂电流iarm<0时，若该 子模块前一时刻为投入状态(Si＝1)，电容电压乘以HF2，否则电容电压乘以HF1，更新电 容电压排序，提高该子模块维持原有状态的可能性，减小开关频率，降低开关损耗；
(4)根据更新后的电容电压排序，若桥臂电流iarm＞0，投入前Non个子模块，若桥臂电 流＜0，投入后Non个子模块。
本发明通过设定子模块电容电压最大波动范围的方式，对最大波动范围之外和范围之 内的电容电压分别处理，既能保证良好的均压效果，又能降低开关频率。
以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的 是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形 形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明保护。

Claims (5)

1.一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：
S1，由NLM或SPWM调制计算出桥臂所需投入的子模块数量Non；
S2，设定子模块电容电压最大波动系数δmax，从而确定电容电压最大波动范围；
S3，引入保持因子HF1和HF2，其中HF1＜1，HF2＞1；子模块电容电压实际排序方式为升序，根据电容电压大小、桥臂电流iarm方向和子模块前一时刻的状态Si来判断相应子模块电容电压在实际排序的基础上，需要提升序位还是降低序位，即乘以HF1还是乘以HF2，更新电容电压排序；
S4，根据更新后的电容电压排序，若桥臂电流iarm＞0，投入前Non个子模块，若桥臂电流iarm＜0，投入后Non个子模块。
2.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，其特征在于，所述子模块电容电压最大波动范围的上限为：UCmax＝UC+δmaxUC，下限为：UCmin＝UC-δmaxUC，其中UC为子模块电容电压额定值。
3.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，其特征在于，所述子模块前一时刻的状态Si包括投入状态和切除状态。
4.根据权利要求2或3所述的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，其特征在于，所述S3中，乘以HF1还是HF2的具体步骤为：
S3.1，若子模块电容电压uCi在最大波动范围外，则无论桥臂电流iarm方向和子模块前一时刻的状态Si如何，当uCi＜UCmin时，电容电压乘以HF1；当uCi＞UCmax时，电容电压乘以HF2，其中i＝1，2，……，n；
S3.2，若子模块电容电压uCi在最大波动范围内，则需要考虑桥臂电流iarm方向和子模块前一时刻的状态Si：当桥臂电流iarm＞0时，若该子模块前一时刻为投入状态，电容电压乘以HF1，否则电容电压乘以HF2；当桥臂电流iarm＜0时，若该子模块前一时刻为投入状态，电容电压乘以HF2，否则电容电压乘以HF1。
5.根据权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块电容优化均压方法，其特征在于，一般情况下最大波动系数δmax不超过10％。
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