模块化多电平换流器不对称双子模块中点电位均衡控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是一种模块化多电平换流器(modular multi-lever converter,以下简称为MMC)不对称双子模块中点电位均衡控制方法。

背景技术：

由于缺少高压直流断路器技术，直流侧短路故障是柔性高压直流输电所面对的一个重要问题，严重影响柔性高压直流输电技术的发展。采用模块化多电平换流器技术的柔性高压直流输电系统，在直流侧短路故障的情况下，半桥型MMC的子模块具有续流能力，闭锁开关管后，续流二极管为交流系统向直流故障点馈入故障电流提供了通路，交流系统侧发生三相虚短。目前处理直流侧故障的方法有三种：

(1)利用交流侧断路器切断故障点与交流系统的连接；

(2)利用直流侧断路器切除故障线路；

(3)利用换流器自身结构实现直流侧故障的自清除。

虽然半桥型MMC在功率器件数量及系统损耗等方面有较大的优势，但该结构不具备直流故障自清除能力。在系统直流侧发生短路故障的情况下，交流电网、续流二极管以及故障点构成故障电流回路，电网被虚短，后果严重，必须借助交流侧断路器切断交流系统和故障点的连接。

当前建成的柔性高压直流输电工程都是采用断开交流侧断路器的方法来切断直流侧故障线路。虽然断开交流侧断路器可以清除故障电流，但由于交流侧断路器是机械开关，响应速度慢，所以采用这种方法无法做到快速切除。另外在交流断路器断开的过程中，续流二极管也承受了巨大的故障电流，可能因此而损坏。

断开直流断路器可以快速清除和隔离故障。目前高压直流断路器的形式也有很多种，比如常规机械式、固态式以及这两种的混合型。但是，目前高压直流断路器价格昂贵，技术还不成熟。

因此，具备直流短路故障自清除能力的MMC是一种新的研究方向。具有直流故障自阻断能力的不对称双子模块结构以其经济性较好受到青睐，但不对称双子模块中点电位不平衡对其安全运行造成了影响。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种模块化多电平换流器不对称双子模块中点电位均衡控制方法，该方法对不对称双子模块的电容电压进行控制，实现了基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC中点电位均衡控制，提高了基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC安全运行水平。

本发明的技术解决方案如下：

一种模块化多电平换流器不对称双子模块中点电位均衡控制方法，构成包括三相结构相同的多电平换流器，每相都由上桥臂和下桥臂构成，所述的上桥臂和下桥臂各由i个半桥子模块与N-i个不对称双子模块串接组成，所述的上桥臂的第1个子模块HSM1的自由端与多电平换流器的直流母线的正极相连，所述的下桥臂的第N个子模块的自由端与多电平换流器的直流母线的负极相连，所述的上桥臂的第N个双子模块的自由端与下桥臂的第1个子模块的自由端与交流线相连；

每个半桥子模块由两个全控开关器件及反并联二极管和一个直流电容构成：两个全控开关器件串联且形成子模块的直流正负极，两个二极管分别与所述的两个全控开关器件反并联，所述的直流电容与所述的两个串联的全控开关器件并联，所述的两个全控开关器件的连接点和第二全控开关器件的负极作端口串接在每相桥臂的电路中；

每个不对称双子模块构成是：

第一二极管、第二二极管、第三二极管与第四二极管分别与反并联第一全控开关器件、第二全控开关器件、第三全控开关器件和第四全控开关器件，所述的第一全控开关器件和第二全控开关器件串联且形成不对称双子模块的直流正负极，第一电容和第二电容串联后与所述的串联的第一全控开关器件、第二全控开关器件并联，所述的第三全控开关器件与第四全控开关器件串联，所述的第三全控开关器件的另一端与第一电容和第二电容的连接点相连，所述的第四全控开关器件的另一端与所述的不对称双子模块的直流负极相连，第一全控开关器件与第二全控开关器件的连接点和第三全控开关器件与第四全控开关器件的连接点作为不对称双子模块的端口串接在每相桥臂的电路中；其中，N为大于2的整数，i<N的整数；所述MMC第k个不对称双子模块的2个电容电压信号输出端与控制器对应的电容电压信号测量入端相连；所述MMC第k个不对称双子模块的桥臂电流信号输出端与所述控制器对应的桥臂电流信号测量输入端相连，所述MMC第k个不对称双子模块的控制器的输出控制信号分别控制T1～T4，其中T1与T4控制信号相同，为T2与T3控制信号相同，为其特征在于：所述的MMC第k个不对称双子模块中点电位均衡控制方法包括如下步骤：

步骤1，计算对称双子模块第一电容的电压控制量

1)直流参考电压U_dcref除以每相上下桥臂所含模块总数2N,减去后经一比例环节(P)输出；

2)对第k个不对称双子模块的两个电容的电压值和求差，经过比例积分PI控制器输出；

3)上述比例环节(P)输出量减去PI控制器输出量后，和桥臂电流的符号相乘，得到第k个不对称双子模块每个电容电压的控制量如下面公式：

其中，和分别是第k个不对称双子模块的第一电容和第二两个电容的电压值，sgn(i_jp)是桥臂电流的符号，当i_jp大于零时，sgn(i_jp)＝1；当i_jp小于零时，sgn(i_jp)＝-1；当i_jp等于零时，sgn(i_jp)＝0；k_p1是比例环节P控制器的比例系数，k_p、k_i分别是PI控制器的比例、积分系数，取值范围0.1≤k_p1≤10，0.1≤k_p≤10，0.001≤k_i≤5；i_jp表示a、b、c三相桥臂电流(j＝a,b,c)；

步骤2，计算不对称双子模块第二电容的电压控制量

1)MMC直流参考电压U_dcref除以每相上下桥臂所含模块总数2N,减去后经一比例环节(P)输出；

2)对MMC第k个不对称双子模块的第一电容的电压值和第二电容的电压值求差，经过比例积分PI控制器输出；

3)上述比例环节(P)输出量加上PI控制器输出量后，和桥臂电流的符号相乘，得到第k个不对称双子模块第二电容的电压控制量如下面公式：

由以上两式子，得到MMC第k个不对称双子模块电容电压的控制量；

步骤3，上述2个控制量由所述的控制器输出，控制对应的第k个不对称双子模块中的四个IGBT：T₁～T₄，其中，T₁与T₄的控制量为T₂与T₃的控制量为

与现有技术相比，本发明的效果如下：

1.对直流故障进行了自阻断；

2.实现了不对称双子模块中电容电压的平衡；

3.提高了基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC安全运行水平。

附图说明

图1是本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC不对称双子模块中点电位均衡控制示意图。

图2是本发明的MMC不对称双子模块中点电位均衡控制算法框图。

图3是本发明不对称双子模块拓扑结构。

图4是本发明MMC下桥臂不对称双子模块电容电压。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC的拓扑以及第k个不对称双子模块的控制器的示意图。图2为基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC不对称双子模块中点电位均衡控制框图。

本发明基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC不对称双子模块中点电位均衡控制方法，构成包括三相结构相同的多电平换流器，每相都由上桥臂和下桥臂构成，所述的上桥臂和下桥臂各由i个半桥子模块HSM1～HSMi与N-i个不对称双子模块SMi+1～SMN串接组成，所述的上桥臂的第1个子模块HSM1的自由端与多电平换流器的直流母线的正极相连，所述的下桥臂的第N个子模块SMN的自由端与多电平换流器的直流母线的负极相连，所述的上桥臂的第N个双子模块SMN的自由端与下桥臂的第1个子模块HSM1的自由端与交流线相连；

每个半桥子模块HSM由两个全控开关器件及反并联二极管和一个直流电容构成：两个全控开关器件串联且形成子模块的直流正负极，两个二极管分别与所述的两个全控开关器件反并联，所述的直流电容与所述的两个串联的全控开关器件并联，所述的两个全控开关器件的连接点和第二全控开关器件的负极作端口串接在每相桥臂的电路中；

每个不对称双子模块SM构成是：

第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃与第四二极管D₄分别与反并联第一全控开关器件T₁、第二全控开关器件T₂、第三全控开关器件T₃和第四全控开关器件T₄，所述的第一全控开关器件T₁和第二全控开关器件T₂串联且形成不对称双子模块的直流正负极，第一电容C₁和第二电容C₂串联后与所述的串联的第一全控开关器件T₁、第二全控开关器件T₂并联，所述的第三全控开关器件T₃与第四全控开关器件T₄串联，所述的第三全控开关器件T₃的另一端与第一电容C₁和第二电容C₂的连接点相连，所述的第四全控开关器件T₄的另一端与所述的不对称双子模块的直流负极相连，第一全控开关器件T₁与第二全控开关器件T₂的连接点和第三全控开关器件T₃与第四全控开关器件T₄的连接点作为不对称双子模块的端口串接在每相桥臂的电路中；其中，N为大于2的整数，i<N的整数，所述的MMC第k个不对称双子模块中点电位均衡控制方法包括如下步骤：

步骤1，计算对称双子模块第一电容的电压控制量

1)直流参考电压U_dcref除以每相上下桥臂所含模块总数2N,减去后经一比例环节(P)输出；

2)对第k个不对称双子模块的两个电容的电压值和求差，经过比例积分PI控制器输出；

3)上述比例环节(P)输出量减去PI控制器输出量后，和桥臂电流的符号相乘，得到第k个不对称双子模块每个电容电压的控制量如下面公式：

其中，和分别是第k个不对称双子模块的第一电容和第二两个电容的电压值，sgn(i_jp)是桥臂电流的符号，当i_jp大于零时，sgn(i_jp)＝1；当i_jp小于零时，sgn(i_jp)＝-1；当i_jp等于零时，sgn(i_jp)＝0；k_p1是比例环节P控制器的比例系数，k_p、k_i分别是PI控制器的比例、积分系数，取值范围0.1≤k_p1≤10，0.1≤k_p≤10，0.001≤k_i≤5；i_jp表示a、b、c三相桥臂电流(j＝a,b,c)；

步骤2，计算不对称双子模块第二电容的电压控制量

1)MMC直流参考电压U_dcref除以每相上下桥臂所含模块总数2N,减去后经一比例环节(P)输出；

2)对MMC第k个不对称双子模块的第一电容的电压值和第二电容的电压值求差，经过比例积分PI控制器输出；

3)上述比例环节(P)输出量加上PI控制器输出量后，和桥臂电流的符号相乘，得到第k个不对称双子模块第二电容的电压控制量如下面公式：

由以上两式子，得到MMC第k个不对称双子模块电容电压的控制量；

步骤3，上述2个控制量由所述的控制器输出，控制对应的第k个不对称双子模块中的四个IGBT：T₁～T₄，其中，T₁与T₄的控制量为T₂与T₃的控制量为

本发明具体原理及实现如下：

不对称双子模块拓扑结构如图3所示，由四个全控开关器件T₁、T₂、T₃、T₄及反并联二极管与两个直流电容构成。该结构可输出四种电平：-U_c，0，U_c，2U_c，规定电流正方向如图所示。稳态运行时，若T₁和T₃闭合，T₂和T₄关断，子模块输出电压为U_c；若T₁和T₄闭合，T₂和T₃关断，子模块输出电压为2U_c；若T₂和T₃闭合，T₁和T₄关断，子模块输出电压为-U_c；若T₂和T₄闭合，T₁和T₃关断，子模块输出电压为0，具有阻断直流侧故障的能力。

图4所示为a相下桥臂子模块电容电压仿真示意图，基于不对称双子模块和半桥子模块的MMC直流侧在0.7s发生极间短路故障，2ms过后开关管闭锁，0.8s直流侧故障消除，系统恢复正常。发生故障时，闭锁IGBT后，不对称双子模块电容电压达到了均衡，维持了MMC的安全可靠运行。