一种模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法及电子设备

1.本发明属于高压直流输电和柔性直流输电技术领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法。


背景技术：

2.模块化多电平换流器(以下简称mmc)具有模块化设计、电平数目多、谐波特性好、损耗低等优点，在电能远距离传输、新能源接入等方面发挥了重要作用。传统的mmc一直维持在额定直流电压运行，在计算mmc的桥臂子模块电容时，仅仅需要考虑额定直流电压这一种单一工况即可。
3.随着mmc技术的发展，工程中出现了直流电压可变的运行方式。例如，在已有的一个高压直流输电工程中，每一个mmc换流站由多台mmc串联构成。当其中的某一台mmc需要退出运行时，可以从额定电压开始逐步降低该mmc 的直流电压，直到直流电压降低到0之后停运该台mmc。基于mmc的串联直流输电系统中，流过每一台mmc换流器的直流电流都相等。因此，mmc换流器实际上需要通过大范围调节直流电压来实现对于功率的调节。基于mmc的直流融冰装置是通过调节直流电压，来实现对于输出额定直流电流的控制。
4.然而，现有的mmc桥臂子模块电容计算方法主要针对的是mmc一直维持在额定电压的运行方式。在直流电压可变的运行方式下，在不同的直流电压的条件下，mmc的桥臂能量波动情况不同，而对应计算出的mmc桥臂子模块电容值是不同的。尤其是在额定调制比较高时，直流电压较低时的桥臂子模块电容值会高于在额定直流电压时的桥臂子模块电容值。如果只计算在额定直流电压时的桥臂子模块电容值，那么计算出的桥臂子模块电容值比实际的要求的值小，会导致桥臂子模块电容和半导体器件过电压的风险。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提出了一种变直流电压的模块化多电平换流器(mmc) 的桥臂子模块电容值计算方法，以解决相关技术中的技术问题，快速、准确计算出变直流电压的mmc的桥臂子模块电容值。
6.为实现上述目的，根据本发明实施例的一个方面，提出了一种模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法。
7.本发明实施例的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法，包括：
8.计算模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值的最大值；
9.计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容电压波动率最高限值；
10.根据所述模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值最大值、桥臂子模块电容电压波动率最高限值、模块化多电平换流器的额定视在功率、模块化多电平换流器的桥臂子模块数以及桥臂子模块电容额定电压，计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容值。
11.可选地，所述计算模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值的最大值，包括：
12.(1)利用下式，计算模块化多电平换流器的额定调制比m0：
[0013][0014]
其中，u
acn
为模块化多电平换流器与交流电网的公共连接点的交流相电压有效值，u
dcn
为额定直流电压；
[0015]
(2)求解以下方程，得到模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值最大值的拐点的调制比m
0_infl
：
[0016][0017]
(3)利用下式，计算得到模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值最大值
[0018][0019]
其中，ω为交流电网的额定角频率。
[0020]
可选地，所述计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容电压波动率最高限值ε
lim
的公式如下：
[0021][0022]
其中，u
clim
为桥臂子模块电容电压最高限制值，u
cn
为桥臂子模块电容电压的额定值。
[0023]
可选地，所述计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容值c
sm
的公式为：
[0024][0025]
其中，ε
lim
为桥臂子模块电容电压波动率，sn为模块化多电平换流器的额定容量，n为模块化多电平换流器的桥臂子模块数量，u
cn
为桥臂子模块电容电压的额定值，为模块化多电平换流器桥臂能量波动幅值的最大值。
[0026]
为实现上述目的，根据本发明实施例的另一方面，提出电子设备。
[0027]
本发明实施例的电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用语存储一个或多个程序；当一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或一个处理器实现本发明实施例的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法。
[0028]
为了实现上述目的，根据本发明实施例的再一方面，提出了一种计算机可读介质。
[0029]
本发明实施例的一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法。
[0030]
上述本发明的一个实施例具有如下优点或有益效果：
[0031]
本发明实施例所提出的计算方法，根据在mmc设计时所设计的调制比，计算出拐点
电压值，并利用拐点电压值将整个直流电压范围分为高压区间和低压区间，对高压区间和低压区间内的桥臂子模块电容值分别计算。最后，根据高压区间与低压区间的桥臂子模块电容值以及mmc所设计的调制比与“拐点调制比”的关系，计算出mmc在整个直流电压范围内的桥臂子模块电容值。因此，通过本发明的方法可以准确计算出考虑了全部直流电压范围的mmc桥臂子模块电容值的大小。
[0032]
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0034]
图1是模块化多电平换流器的主电路。
[0035]
图2是本发明的桥臂子模块电容用量计算方法流程框图。
具体实施方式
[0036]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0037]
图1是本发明实施例提出的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法涉及的模块化多电平换流器的主电路。图2是本发明实施例提出的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法的流程框图。
[0038]
如图2所示，本发明实施例的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法，包括：
[0039]
在步骤1中，根据模块化多电平换流器设计时的额定调制比及与模块化多电平换流器的所连接的交流系统的角频率值，计算在整个直流电压范围内模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值的最大值；
[0040]
所述计算模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值的最大值，包括：
[0041]
(1)利用下式，计算模块化多电平换流器的额定调制比m0：
[0042][0043]
其中，u
acn
为模块化多电平换流器与交流电网的公共连接点(pcc)的交流相电压有效值，是mmc设计时的额定参数，为已知量，u
dcn
为额定直流电压，是mmc设计时的额定参数，为已知量；
[0044]
(2)求解以下方程，得到模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值最大值的拐点的调制比m
0_infl
：
[0045][0046]
其中，m0为额定调制比，上述方程的解用m
0_infl
表示，即拐点调制比。
[0047]
(3)利用下式，计算得到模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值最大值单位为kj/mva：
[0048][0049]
其中，ω为交流电网的额定角频率，对于50hz交流系统，ω值为100πrad/s，为已知量。
[0050]
在步骤2中，根据模块化多电平换流器的桥臂子模块电压的最高限值及桥臂子模块电压的额定值，计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容电压波动率最高限值；
[0051]
所述计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容电压波动率最高限值ε
lim
的公式如下：
[0052][0053]
其中，u
clim
为桥臂子模块电容电压最高限制值，在设计mmc之前给定，为已知量，u
cn
为桥臂子模块电容电压的额定值，在设计mmc之前给定，为已知量。
[0054]
在步骤3中，根据所述模块化多电平换流器的桥臂能量波动幅值最大值、桥臂子模块电容电压波动率最高限值、模块化多电平换流器的额定视在功率、模块化多电平换流器的桥臂子模块数以及桥臂子模块电容额定电压，计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容值，所述计算模块化多电平换流器的桥臂子模块电容值c
sm
的公式为：
[0055][0056]
其中，ε
lim
为桥臂子模块电容电压波动率，sn为模块化多电平换流器的额定容量，在设计mmc时提前给定，为已知量，n为模块化多电平换流器的桥臂子模块数量，为已知量，u
cn
为桥臂子模块电容电压的额定值，为已知量，为模块化多电平换流器桥臂能量波动幅值的最大值。
[0057]
传统的mmc桥臂子模块电容计算方法，主要针对的是mmc一直维持在额定电压的运行方式，只考虑额定直流电压工况的mmc桥臂子模块电容值的计算方法，不适用于考虑全部直流电压范围的mmc，在设计调制比超过拐点调制比之后，计算出的结果偏小。本发明提出的变直流电压的模块化多电平换流器 (mmc)桥臂子模块电容值计算方法根据在mmc设计时所设计的调制比，计算出mmc的桥臂能量波动的拐点电压。利用拐点电压，将整个直流电压范围分为高压区间和低压区间，对高压区间和低压区间内的桥臂子模块电容值分别计算。由于mmc在整个直流电压范围内的电容值由二者中最大的一个决定，可以据此计算出二者
相等时所对应的设计调制比，即拐点调制比。当设计调制比小于拐点调制比时，mmc的桥臂子模块电容由高压区间计算出的电容值决定；当设计调制比大于拐点调制比时，mmc的桥臂子模块电容由低压区间计算出的电容值决定。
[0058]
以下结合附图，详细介绍本发明方法的一个实施例：
[0059]
典型的模块化多电平换流器由六个桥臂构成，每个桥臂上串联有若干桥臂子模块。图1是本发明涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。图2是本发明方法涉及的变直流电压的模块化多电平换流器的桥臂子模块电容值计算方法示意图。以下首先介绍模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值的求解方法，然后根据求解出的模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值，计算模块化多电平换流器桥臂子模块电容值的计算方法。
[0060]
(1)模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值的求解方法：
[0061]
在稳态时，模块化多电平换流器以对称方式运行。根据模块化多电平换流器的运行原理，以a相的下桥臂为例，当模块化多电平换流器的桥臂中的桥臂子模块数和开关频率足够高时，可以忽略模块化多电平换流器的桥臂输出电压中的高频分量。由于模块化多电平换流器的桥臂电抗器和连接变压器上的压降相对较小，因此也可以忽略。在同时忽略桥臂输出电压高频分量、桥臂电抗器上的压降、交流连接变压器上的压降之后，模块化多电平换流器的桥臂输出电压可以表示为：
[0062][0063]
其中，u
acn
为额定的交流相电压有效值、为额定的交流相电压的幅值、u
dc
为直流电压。对于可变直流电压的模块化多电平换流器，u
acn
为在模块化多电平换流器的设计阶段就给定的常数，u
dc
为可变的变量。u
dc
变化的范围为从0到额定直流电压。额定直流电压用u
dcn
表示。ω为交流系统角频率，t为时间。
[0064]
定义调制比m0为额定交流相电压的幅值与额定的直流电压的一半的比值，即：
[0065][0066]
当模块化多电平换流器的桥臂中子模块数和开关频率足够高时，可以忽略模块化多电平换流器的桥臂电流中的高频分量。仍以a相下桥臂为例，模块化多电平换流器的桥臂输出电流可以表示为：
[0067][0068]
其中，i
dc
为直流电流、i
ac
为交流电流值，为功率因数角。本方法只考虑在纯有功功率的工况，因此此处由于在直流电流为额定值的工况为最恶劣的工况，因此，令i
dc
＝i
dcn
，其中，i
dcn
为额定的直流电流。在这些前提条件下，模块化多电平换流器的桥臂电流为：
[0069]
[0070]
模块化多电平换流器的桥臂输出电压和桥臂电流耦合产生桥臂功率波动，桥臂功率波动用p
an
表示。而模块化多电平换流器的桥臂功率波动p
an
会在模块化多电平换流器的桥臂中会产生桥臂能量的波动，桥臂能量波动用表示。这一过程可以表示如下：
[0071][0072]
将上述的模块化多电平换流器的桥臂输出电压和桥臂输出电流代入上式，可以得到模块化多电平换流器的桥臂能量波动的表达式如下：
[0073][0074]
其中，sn为模块化多电平换流器的额定视在功率，u
*dc
以额定直流电压为基值的归一化直流电压。根据上式，定义以模块化多电平换流器的额定视在功率sn为基值的归一化能量波动为：
[0075][0076]
其中，为归一化的模块化多电平换流器的桥臂基频能量波动，为归一化的模块化多电平换流器的桥臂二倍频能量波动。设为归一化的模块化多电平换流器的桥臂基频能量波动的幅值，则可以表示如下：
[0077][0078]
归一化的模块化多电平换流器的桥臂基频能量波动的幅值是归一化直流电压的二次函数。令上式等于0，则可以得到基频能量波动幅值取得最小值时对应的归一化的直流电压：
[0079][0080]
此处，定义u
*v
为拐点电压，即：归一化的直流电压在u
*v
处取得最小值。当归一化的直流电压比u
*v
高时，归一化的模块化多电平换流器的桥臂基频能量波动的幅值随归一化的直流电压的上升而增大；当直流电压比u
*v
低时，归一化的模块化多电平换流器的桥臂基频能量波动的幅值随归一化的直流电压的下降而增大。因此，整个归一化直流电压的范围可以被u
*v
划分为两个区间，这两个区间分别称为低压区间(0≤u
*dc
《u
*v
)和高压区间(u
*v
≤u
*dc
≤1)。在两个区间的基频能量波动峰值分别为：
[0081][0082]
归一化的模块化多电平换流器的桥臂二倍频能量波动的其幅值用表示，即：
[0083][0084]
归一化的模块化多电平换流器的桥臂二倍频能量波动的其幅值与归一化的直流电压成正比。
[0085]
在归一化的模块化多电平换流器的桥臂能量波动中，桥臂基频能量波动和桥臂二倍频能量波动在峰值时重合，因此可以不考虑二者在相位上的差异，直接用归一化的模块化多电平换流器的桥臂基频能量波动的其幅值与归一化的模块化多电平换流器的桥臂二倍频能量波动的其幅值之和作为归一化的总能量波动的幅值。因此，总的归一化的模块化多电平换流器的桥臂能量的幅值如下：
[0086][0087]
为了分别求出在高压和低压区间内直流电压两个区间内归一化的模块化多电平换流器的桥臂能量的幅值的最大值，对上述表达式求导得到：
[0088][0089]
根据导数的表达式，在低压区间(0≤u
*dc
《u
*v
)，归一化的模块化多电平换流器的桥臂能量的幅值的导数在m0/8处取得极小值，同时也是该区间内的最小值；在高压区间(u
*v
≤u
*dc
≤1)，归一化的模块化多电平换流器的桥臂能量的幅值的导数一直大于0，因此在该区间随直流电压单调上升。从而，可以得到在两个区间内分别的最大值如下：
[0090][0091]
根据上式可以很容易地看出：模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值取决于在高压区间和在低压区间的能量波动幅值的最大值的大小关系。调制比m0提高将带来在高压区间的能量波动幅值的最大值的降低以及在低压区间能量波动幅值的最大值增高。即：当调制比m0设计得较小时，在高压区间的能量波动的幅值的最大值高于在低压区间的能量波动幅值的最大值；当调制比m0设计得较大时，在低压区间的能量波动的幅值的最大值高于在高压区间的能量波动幅值的最大值。当二者相等的调制比可以通过求解下面的方程得到：
[0092][0093]
解得：
[0094]m0_infl
≈1.123
[0095]
从而得到模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值为：
[0096][0097]
(2)模块化多电平换流器桥臂子模块电容值的计算方法
[0098]
mmc在运行时，由于桥臂中有能量波动的存在，桥臂子模块电容上会出现电压波动。用u
cn
表示桥臂子模块电容电压的额定值，用u
clim
表示桥臂子模块电容电压最高限制值，从而可以定义模块化多电平换流器的桥臂子模块电容电压波动率最高限值：
[0099][0100]
当所有桥臂子模块电容的电压都为额定值时的模块化多电平换流器的桥臂总储能定义为桥臂储能的额定值，用w
armn
表示。当所有桥臂子模块电容的电压都为电容电压最高限制值时的模块化多电平换流器的桥臂储能定义为桥臂储能的峰值，用w
armlim
表示。则w
armn
和w
armlim
分别表示如下：
[0101][0102][0103]
其中，c
sm
为桥臂子模块电容值、n为mmc一个桥臂内桥臂子模块的数量。
[0104]
设表示模块化多电平换流器在运行时桥臂内能量的波动，则模块化多电平换流器的桥臂储能的额定值与桥臂内能量的波动的和必须不能超过桥臂储能的峰值。这一关系可以用下式表示：
[0105][0106]
整理上面的式子可以得到：
[0107][0108]
上式表示，模块化多电平换流器的桥臂储能的额定值必须在任意时刻都大于桥臂能量波动的1/[(1+ε
lim
)
2-1]倍。因此，从时间维度上讲，模块化多电平换流器的桥臂储能的额定值必须大于桥臂能量波动的幅值的1/[(1+ε
lim
)
2-1]倍。从整个直流电压范围的维度上讲，模块化多电平换流器的桥臂储能的额定值必须大于桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值的1/[(1+ε
lim
)
2-1]倍。设为模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值，则根据上面的式子可以得到：
[0109][0110]
以模块化多电平换流器的额定视在功率sn为基值，归一化模块化多电平换流器的桥臂储能的额定值，得到归一化的模块化多电平换流器的桥臂储能的额定值，用w
*armn
表示；
同样，以模块化多电平换流器的额定视在功率sn为基值，归一化模块化多电平换流器的桥臂能量波动的幅值在整个直流电压范围内的最大值，用表示，则有：
[0111][0112]
根据前文中对于w
armn
的定义，可以得到模块化多电平换流器的桥臂子模块电容值的求解方法为：
[0113][0114]
其中，是的幅值在整个直流电压范围内的最大值。因此，若想得到桥臂子模块电容值，则必须要得到的表达式，从而求出其幅值在整个直流电压范围内的最大值
[0115]
本发明实施例的电子设备，包括：一个或多个处理器；存储装置，用语存储一个或多个程序；当一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或一个处理器实现本发明实施例的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法。
[0116]
为了实现上述目的，根据本发明实施例的再一方面，提出了一种计算机可读介质。
[0117]
本发明实施例的一种计算机可读介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现本发明实施例的模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法。
[0118]
需要说明的是，本发明的实施例中，所称处理器可以是中央处理单元 (central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器 (digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specificintegrated circuit，asic)、现场可编程门阵列(fieldprogrammable gatearray，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器，或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述模块化多电平换流器的子模块电容值计算方法的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储所述操作系统在运行应用程序过程中所创建的数据(比如音频数据、图形数据等)等。此外，所述存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘、智能存储卡(smart media card， smc)、安全数字(secure digital，sd)卡、闪存卡(flash card)、至少一个磁盘的存储器件或闪存器件。
[0119]
基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u 盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，readonly memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
[0120]
以上所述是本发明的实施方式，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。