一种mmc子模块电容值的选取方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电力电子工程技术领域，具体涉及一种MMC子模块电容值的选取方 法。
【背景技术】
[0002] 模块化多电平换流器（modularmultilevelconverter，MMC)采用子模块级联形 式，避免大量开关器件直接串联，具有良好的电压输出特性，且不存在动态均压等问题，非 常适用于高压直流输电场合。
[0003] 在2010年和2011年的两次国际电力电子会议上，德国慕尼黑联邦国防军大学的 学者R.Marquardt进一步提出广义MMC的概念，以子模块为基本单元，根据内部构造不同 将子模块分为三种基本类型：半桥子模块（halfbridgesub-module，HBSM)、全桥子模块 (fullbridgesub-module，FBSM)和箝位双子模块（clampdoublesub-module，CDSM)。
[0004] MMC主回路参数设计是整个系统设计的重要组成部分，合理的主回路参数可以有 效改善系统的动态和稳态性能，降低系统的初始投资及运行成本，提高系统的经济性能指 标。MMC子模块电容值是主回路参数设计中非常重要的一个参数。关于子模块电容器容值 参数的设计，目前有很多文献进行了研究，基本原理是根据子模块电容器电压波动率的限 值，确定子模块电容器的电容值。但子模块电容器电压波动率的计算公式都采用了简化的 解析计算公式，而且对子模块电容器电压波动率限值的确定依据，并没有明确的论述，有的 取5%，有的取10%。
[0005] 由于子模块电容器的投资成本与换流器功率器件的投资成本基本相当，因此，电 容值大小的选择对电容器投资成本有巨大的影响，故关于子模块电容器的电容值设计问 题，必须做更系统深入的工作。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种MMC子模块电容值的选 取方法，其选取结果经济合理、使用范围广，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。
[0007] -种MMC子模块电容值的选取方法，该方法通过引入等容量放电时间常数的概念 并建立其与MMC子模块电容值的关系式，进而通过仿真确定出所述等容量放电时间常数的 给定区间；然后根据实际工程需求，在该给定区间内选定出等容量放电时间常数的给定值， 进而根据该给定值通过等容量放电时间常数与MMC子模块电容值的关系式计算确定出所 述的MMC子模块电容值。
[0008] 所述等容量放电时间常数的概念为MMC所有子模块电容的额定储能之和以等于 MMC容量的功率放电，则子模块电容所能持续放电的时间长度。
[0009] 所述等容量放电时间常数与MMC子模块电容值的关系式如下：
[0010]
[0011] 其中：H为等容量放电时间常数，C。为MMC子模块电容值，Ud。为MMC的直流母线电 压，SvN为MMC的额定容量，N为MMC每个桥臂的子模块级联个数。
[0012] 优选地，所述等容量放电时间常数的给定区间为35~45ms;该区间内子模块电容 电压的波动率较优。
[0013] 根据等容量放电时间常数的给定值通过以下公式计算确定MMC子模块电容值：
[0014]
[0015] 其中：H。为等容量放电时间常数的给定值，C。为MMC子模块电容值，Ud。为MMC的 直流母线电压，SvN为MMC的额定容量，N为MMC每个桥臂的子模块级联个数。
[0016] 本发明具有以下有益技术效果：
[0017] (1)根据本发明所选取的子模块电容值经济性强，能够一定程度上降低总投资成 本。
[0018] (2)本发明的通用性强，适用于不同容量、不同电压等级的MMC系统。
【附图说明】
[0019] 图1(a)为MMC拓扑结构示意图。
[0020] 图1 (b)为MMC半桥子模块拓扑结构不意图。
[0021] 图2为测试系统的等容量放电时间常数H与电容电压波动率e之间的关系曲线 示意图。
[0022] 图3为MMC的6个桥臂所有子模块电容电压随时间变化的曲线示意图。
[0023] 图4为国内4个实际工程系统的等容量放电时间常数H与电容电压波动率e之 间的关系曲线不意图。
【具体实施方式】
[0024] 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。
[0025] 图1 (a)为模块化多电平换流器拓扑示意图。一个换流器有6个桥臂，每个桥臂有 N个子模块（SM)，每一相的上下两个桥臂合在一起称为一个相单元。交流侧中性点用0'表 示，直流侧中性点用〇表示。电阻私用来等效整个桥臂的损耗，L。为桥臂电抗器。同一桥 臂所有子模块构成的桥臂电压为Uq(r=p、n，分别表示上下桥臂；j=a、b、c，表示abc三 相），流过桥臂的电流为i"。Ud。为直流电压，Id。为直流线路电流。usj为交流系统j相等值 电势，La。为换流器交流出口va、vb、vc到交流系统等值电势之间的等效电感（包含系统等 效电感和变压器漏电感）。MMC交流出口处输出电压和输出电流分别为uvj和ivj。uEpn为点 Epa和点Ena之间的电位差。所考虑的MMC子模块结构如图1 (b)所示，T:和T2代表IGBT，D丄 和〇2代表反并联二极管，C。代表子模块的直流侧电容器；u。为电容器的电压，usm为子模块 两端的电压，isni为流入子模块的电流。
[0026] 根据MMC的解析模型，子模块电容电压随时间变化的解析表达式为\pa(t)，其可 以表达为直流分量与波动分量之和，将其重写如下：
[0027] (1)
[0028] 上式第一项为电容电压的直流分量，第二项为电容电压的波动分量。
[0029] 为了计算电容电压偏离其直流分量1]。=U&/N的波动范围，用e表示波动分量幅 值与U。之比，称为电容电压波动率，即：
[0030] (2)
[0031] 显然|A\pa(t) |是与系统参数和运行工况有关的。可以证明，在MMC满容量发无 功功率时max|A\pa(t) |取到最大值，因此计算e时运行工况应取满容量发无功工况，即 Pv,pu= 〇、Qv,pu= 1工况，这里，PV,PU、1PU为标幺值，其基准值是MMC交流出口处v点的额定 容量SvN。
[0032] 已有文献根据子模块电容C。储能与电压的对应关系，从C。储能的最大变化量反推 出了C。电压的波动率。推导过程采用了桥臂电压和桥臂电流分别为直流分量加基波分量 的简化条件，在此简化条件下可以推出C。储能的最大变化量表达式为：
[0033]
0)
[0034] 其中，\和f分别为由匕和Qv构成的视在功率及其功率因数角。
[0035] 而子模块电容的最大储能WOTimax和最小储能Weamin可以用电容电压的最大值和最 小值表示，在假定电容电压波动分量偏离其平均值的上下幅值相等的条件下有：
[0038] 这样，子模块电容储能最大变化量的另一个表达式为：
[0039] (61
[0040] 根据式（3)和式（6)，可以得到：
[0041 ]
(7)
[0042] 而在MMC满容量发无功的工况下，Sv=SvN，m~1，cos巾=0。因此：
[0043]
(g)：
[0044] 式（2)和式（8)都是电容电压波动率的解析表达式，两者的差别是式（2)不设置 简化条件，需要在系统参数k、L。、R。和C。给定的条件下进行计算；而式⑶是在简化条件 下导出的，只需要知道C。就能计算出￡，§卩e只与C。有关。以下，我们称按式（2)进行的 计算为精确解析模型计算法，按式（8)进行的计算为简化解析模型计算法。
[0045] 选择子模块电容值的基本考虑是抑制电容电压波动，理想状态是电容电压恒定不 变。在电容取有限值的情况下，电容电压必然存在波动，因此我们的目标是选择尽量小的电 容值以满足对电容电压波动率e的限值要求。
[0046] 那么，e的大小对