模塊化多電平換流裝置子模塊電容電壓自適應調製方法
2023-10-29 14:28:07
專利名稱：模塊化多電平換流裝置子模塊電容電壓自適應調製方法
技術領域：
本發明專利涉及柔性直流輸電換流閥子模塊直流支撐電容電壓調製技術，本專利採用電容電壓可變化、自適應調製技術。
背景技術：
傳統的高壓直流輸電(HVDC)換流裝置是以晶閘管為功率器件的電流源(LCC)變換器，由於晶閘管不能自關斷，換流裝置(整流和逆變)運行中需要大量的無功補償，正常運行時可達直流輸送功率的40 60%，而且換流裝置在運行中在交流側和直流側均會產生諧波，要裝設濾波器，因此其換流站比較複雜、造價高、運行管理要求高。鑑於電流源變換器存在以上不足，基於電壓源變換器的高壓直流輸電系統 (VSC-HVDC)已經成為科研院所和企事業單位研究的熱點，電壓源變換器的特點是採用具有關斷能力的可關斷器件(如IGBT)組成電壓源變換器進行交直流能量轉換。2001年德國學者提出模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter,MMC)概念，這種模塊化結構具有較強的可擴展性，容易實現冗餘控制，並且可提供一個公共直流側，更易實現背靠背連接方式，十分適用於VSC-HVDC輸電系統中，因此基於多電平VSC-HVDC柔性直流輸電系統逐漸被越來越多的人所採用，該柔性直流輸電系統在不同公司，其名稱有所不同，ABB稱該系統為HVDC Light，西門子稱該系統為HVDC Plus，ALSTOM稱該系統為HVDC Maxsine，中國國家電網稱該系統為HVDC Flexible。多電平VSC-HVDC柔性直流輸電系統換流裝置(以下簡稱「換流裝置」)主迴路拓撲，見圖I所示，系統由6n (n = nSM個SM (SMI、SM2. . . SMn)子模塊構成，每相包括2n個SM子模塊，而SM子模塊內部結構為兩個IGBT開關器件和直流支撐電容組成，換流裝置其核心控制技術之一就是子模塊直流支撐電容電壓的調製技術，系統直流母線電壓則由各子模塊直流支撐電容電壓串聯相加而成。換流裝置調製有階梯波調製與脈寬調製兩種，而在實際工程化應用中因模塊數量較多，且電平數也較多，一般採用階梯波調製方式，階梯波調製與脈寬調製相比，其器件開關頻率低，開關損耗小，不需控制脈衝寬度，實現起來更簡單。以階梯波調製為例。圖I所示，在換流裝置中，考慮配置一定數量的冗餘子模塊，一相子模塊數量為⑴式所示nall = 2nSM+2K = (2Udc/Uc) +2K(I)上式中Ud。為系統直流母線電壓；U。為單個子模塊直流支撐電容電壓；K :為單相半橋冗餘子模塊數量；nall :為子模塊總數。現有階梯波控制均採用U。= Udc/nSM的調製技術，即使2K只冗餘子模塊和2nSM只標準配置子模塊統一排序調製，每次都由nSM只子模塊來承受系統直流母線電壓Ud。，如圖2所示，輸出電壓波形則為nSM+l電平，如圖3所示(圖3中，U。為階梯波，Us為正弦波)。這種調製方式，子模塊直流支撐電容電壓是固定值，子模塊的電壓僅由標準配置的模塊數量決定，電壓較高，冗餘的模塊也保持與標準模塊一樣的電壓和開通關斷控制，該種方式一是輸出電平數量較少，不包括冗餘模塊電平，其次是各模塊內部元件不僅損耗較大，且壽命大大降低，一旦有子模塊故障則將故障子模塊旁路，直流母線電壓波動也較大，這給系統控制都會帶來不良影響。
發明內容
本發明的目的是提供一種模塊化多電平換流裝置子模塊電容電壓自適應調製方法，用以解決上述不利影響的問題。為實現上述目的，本發明的方案是模塊化多電平換流裝置子模塊電容電壓自適應調製方法，包括如下步驟A，根據⑵式計算子模塊支撐電容電壓，Uc = Udc/ (nSM+K)(2)
上式中Ud。為換流裝置直流母線電壓，U。為子模塊直流支撐電容電壓，K :為單相半橋冗餘子模塊數量，nSM為每相一個橋臂的子模塊數量；B,當換流裝置中ne子模塊故障時，將故障子模塊旁路，子模塊支撐電容電壓則重新按⑶式計算，Uc = Udc/ (nSM+K-nG) (3)C，據計算的電壓U。對換流裝置進行階梯波調製。本發明是在階梯波控制時，將冗餘子模塊和標準配置子模塊統一進行電壓分配，在相同直流母線電壓Ud。的情況下，子模塊直流支撐電容電壓U。將大大降低，由於子模塊工作電壓的降低，該發明不僅可以降低單個子模塊IGBT和直流支撐電容損耗等功率器件的損耗；也可增加子模塊直流支撐電容及輔助電源等功率器件的壽命；還可增加輸出電壓波形電平，使輸出電平變為nSM+K+l，在原有基礎上增加K個電平，可降低輸出電流THD。
圖I是換流這種主迴路拓撲；圖2是現有調製方式的換流裝置等效原理圖；圖3是現有調製方式的換流裝置階梯波調製輸出電壓與電網電壓波形；圖4是MMC的NLC調製示例。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細的說明。在換流裝置輸出波形調製中，首先根據系統直流母線電壓進行子模塊直流支撐電容電壓的計算，如(2)式所示。Uc = Udc/ (nSM+K)(2)然後再根據計算的電壓U。對換流裝置進行調製，保證其子模塊直流支撐電容電壓U。為計算值。當其中一個子模塊故障時，將該故障子模塊旁路，系統直流母線電壓在瞬間只降低電壓U。，對整個直流母線電壓的影響較小，當子模塊直流支撐電容電壓則重新按(4)式計算，Uc = Udc/(nSM+K-l) (4)
然後進行調製，直流母線電容電壓又上升到原設定值。這種情況可以推廣到當多個字模塊故障，只要故障子模塊數量ne小於冗餘數量K即可，當ne = K時，子模塊直流支撐電容電壓U。才達到現有調製技術一樣的電壓。冗餘子模塊數量越多，該發明的調製優勢越明顯。階梯波調製(Staircase Modulation)過程說明如下階梯波調製的思想是可以不控制電平的寬度，而採用電平一直投入或切除的方法，階梯波調製與脈寬調製相比，其器件開關頻率低，開關損耗小，由於不需控制脈衝寬度，實現起來更簡單。階梯波調製的具體實現方式包括消諧波調製和電壓逼近調製，消諧波調製主要適用於電平數不太多的場合，實際工程中多採用電壓逼近調製方式，或稱做最近電平逼近控制(Nearest Level Control,NLC),其基本原理就是使用最近的電平瞬時逼近正弦調製波，圖4所示，當在角度Θ I時，I個SM模塊的電壓Uc與正弦電壓最接近，則投入I個SM模塊， 以此類推。該方法的特點是動態性能好，實現簡便，因此對於VSC HVDC中MMC(電平數極多)較多時，最近電平逼近控制具有很大的優勢，被國內外工程廣泛採用。
權利要求
1.模塊化多電平換流裝置子模塊電容電壓自適應調製方法，其特徵在於，包括如下步驟 A，根據(2)式計算子模塊支撐電容電壓， Uc = Udc/ (nSM+K)(2) 上式中Ud。為換流裝置直流母線電壓，U。為子模塊直流支撐電容電壓，K :為單相半橋冗餘子模塊數量，nSM為每相一個橋臂的子模塊數量； B,當換流裝置中ne子模塊故障時，將故障子模塊旁路，子模塊支撐電容電壓則重新按(3)式計算， Uc = Udc/ (nSM+K-nG)(3) C，據計算的電壓U。對換流裝置進行階梯波調製。
全文摘要
本發明涉及一種模塊化多電平換流裝置子模塊電容電壓自適應調製方法，包括如下步驟本發明是在階梯波控制時，將冗餘子模塊和標準配置子模塊統一進行電壓分配，在相同直流母線電壓的情況下，子模塊直流支撐電容電壓將大大降低，由於子模塊工作電壓的降低，該發明不僅可以降低單個子模塊IGBT和直流支撐電容損耗等功率器件的損耗；也可增加子模塊直流支撐電容及輔助電源等功率器件的壽命；還可增加輸出電壓波形電平，可降低輸出電流THD。
文檔編號H02M1/00GK102904417SQ20111044070
公開日2013年1月30日 申請日期2011年12月24日 優先權日2011年12月24日
發明者姚為正, 劉剛, 夏克鵬, 李海鯤, 孫健, 安昱, 黃巖, 王善忠 申請人:許繼集團有限公司, 國家電網公司