一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法
【专利摘要】本发明公开一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，包括：为模块化多电平变流器的每个子模块设定电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差，其中，电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差相等，均为ΔUref；判断检测到的电压偏差值ΔU是否大于ΔUref，且判断上一时刻子模块开通个数n是否等于0或N，其中，N为子模块最大开通个数，且N为正整数；当检测到的电压偏差值ΔU大于ΔUref或者上一时刻子模块开通个数n为0或N，则继续运行预设的均压策略；当检测到的电压偏差值ΔU小于ΔUref或者上一时刻子模块开通个数n不为0或N，保持前一时刻子模块的开通信号。本发明的模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，可以降低换流器的损耗。
【专利说明】
一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法
技术领域
[0001]本发明涉及柔性直流输电领域，尤其涉及一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法。
【背景技术】
[0002]柔性直流输电技术是一种基于电压源换流器的高压直流输电(Voltage SourceConverter based High Voltage Direct Current Transmiss1n，VSC-HVDC)技术，是一种以电压源换流器、自关断器件和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型输电技术，该输电技术具有可向无源网络供电、不会出现换相失败、换流站间无需通信以及易于构成多端直流系统等优点。柔性直流输电作为新一代直流输电技术，其在结构上与高压直流输电类似，仍是由换流站和直流输电线路(通常为直流电缆)构成。
[0003]与基于相控换相技术的电流源换流器型高压直流输电不同，柔性直流输电中的换流器为电压源换流器(VSC)，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。柔性直流输电与传统采用可控硅(SCR)换流装置的高压直流输电相比，技术上的主要特点为:1)VSC能够自关断，工作于无源换流方式，不需要电网提供换相电压;2)控制方式灵活，可同时独立控制有功功率和无功功率，稳态运行时不需要交流系统提供无功;3)交流系统故障时，能够提供紧急有功支援和动态无功支撑，提高系统的功角、电压稳定性;4)采用VSC有利于构成并联多端直流输电系统;5)采用PffM技术，输出谐波多为高次谐波，所需滤波装置容量大大减小。
[0004]通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，可以独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端换流站的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端换流站还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。
[0005]柔性直流输电是构建智能电网的重要装备，与传统方式相比，柔性直流输电在孤岛供电、城市配电网的增容改造、交流系统互联、大规模风电场并网等方面具有较强的技术优势，是改变大电网发展格局的战略选择。
[0006]例如，在孤岛供电中，常规直流要求在岛上具备发电机组之类的电源点，而柔性直流只需设备启动的电源。
[0007]与交流输电相比，柔性直流输电的优势主要体现在长距离输电、新能源消纳、成本控制等方面。例如，交流输电在长距离电缆输电中，交流电缆越长，电能损耗越高，输送的有效电能越少;柔性直流输电则一直保持输送的有效电能。
[0008]更为重要的是，柔性直流输电可携带来自多个站点的风能、太阳能等清洁能源，通过大容量、长距离的电力传输通道，到达多个城市的负荷中心，这为新能源并网、大城市供电等领域提供了一种有效的解决方案。
[0009]VSC-HVDC常用的电压源换流器有:两电平换流器、二极管箝位型三电平换流器、模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC) JMC由多个结构相同的子模块(Sub-module，SM)级联构成，子模块的结构可以分为半_乔型、全11桥型和箝位双子模块型三种。
[0010]MMC以其自身拓扑结构特别适合于VSC-HVDC系统，关于丽C的调制方式目前有多种。例如，MMC采用载波相移调制方式，该调制方式适合低电平水平下运行，并且在消除换流器低次谐波上具有明显优势，但该方式在子模块数较多时控制过程十分复杂。例如，现有技术中，最近电平逼近(Nearest Level Modulat1n，NLM)调制方式避免了高频PffM调制，且方法简单，比较适用于MMC，缺点是在输出电平数较少的情况下输出波形谐波含量高，而且，如果没有分析取整函数的改变对整个MMC运行的影响以及改进过后子模块电压有效值的变化，也会增加换流器的损耗。
【发明内容】
[0011]本发明多个方面提供一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，以降低换流器的损耗。
[0012]本发明的一方面提供一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，包括:
[0013]为模块化多电平变流器的每个子模块设定电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差，其中，电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差相等，均为AlTf;
[0014]判断检测到的电压偏差值AU是否大于Alfef，且判断上一时刻子模块开通个数η是否等于O或N，其中，N为子模块最大开通个数，且N为正整数；
[0015]当检测到的电压偏差值AU大于AlTfS者上一时刻子模块开通个数η为O或N，则继续运行预设的均压策略；
[0016]当检测到的电压偏差值AU小于AlTfS者上一时刻子模块开通个数η不为O或N，保持前一时刻子模块的开通信号。
[0017]较佳的，所述当检测到的电压偏差值△U大于△ ITfS者上一时刻子模块开通个数η为O或N，则继续运行预设的均压策略具体包括:
[0018]当检测到的电压偏差值AU大于AlTfS者上一时刻子模块开通个数η为O或N，判断桥臂电流是否大于零；
[0019]如果桥臂电流大于零，对所述上一时刻子模块充电；如果桥臂电流小于或等于零，对所述上一时刻子模块放电；
[0020]在所述上一时刻子模块充电或放电完成后，对上下桥臂电容电压分别进行从低到尚的排序；
[0021]对前j个电容电压给予脉冲信号，对后m个电容电压给予脉冲信号，其中，j+m= N。
[0022]较佳的，所述j和m相同或不同。
[0023]较佳的，在为模块化多电平变流器的每个子模块设定电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差之前，所述方法还包括:按照预设均压策略运行一个采样周期。
[0024]通过上面描述的方案可知，本发明的方案可以降低开关器件动作频率，减小换流器损耗的目的。
【附图说明】
[0025]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本发明实施例的一种模块化多电平变流器的结构示意图；
[0027]图2为本发明实施例的一种模块化多电平变流器的子模块结构示意图；
[0028]图3为本发明实施例的一种模块化多电平变流器的子模块结构示意图；
[0029]图4为本发明另一实施例的一种模块化多电平变流器的子模块结构示意图。
【具体实施方式】
[0030]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作出创造性劳动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。
[0031]如图1所示，为本发明实施例的一种模块化多电平变流器的结构示意图，所述模块化多电平变流器为三相五电平，也可以为其他任意相任意电平，本发明不做限制，但为描述方便，本发明实施例的模块化多电平变流器以三相五电平为例进行说明。
[0032]如图1所述，所述模块化多电平变流器每相由两个桥臂组成，每个桥臂包括几个级联的子模块和一个桥臂电感，每相的输出Larm由两个桥臂电感之间引出，Ud。为直流母线电压。
[0033]子模块是MMC拓扑的基本组成部分，有全桥并联电容和半桥并联电容两种结构，本实施例以半桥并联电容结构为例进行说明，如图2所示，为本发明实施例的一种模块化多电平变流器的子模块结构示意图，每个子模块由一个半桥和一个电容构成，每个子模块在工作时有插入和切出两种工作状态。任意一个子模块的上管开通而下管关断为插入，意味着电容串接在电路里;子模块的上管关断而下管开通为切出，表明子模块电容被旁路掉。因此，每个子模块的端口电压有O和V。两种状态。将各个子模块输出级联起来，则在最后的输出侧构成了多个台阶的阶梯波，模块数越多，电平数就越多，输出越接近正弦波。组成阶梯波的每个台阶对应于每个字面的电容上的电平，一般为母线电压的η分之一，其中，η为桥臂的模块数。
[0034]如图3所述，为本发明另一实施例的一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法流程示意图，主要如下所述。
[0035]步骤301，为模块化多电平变流器的每个子模块设定电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差，其中，电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差相等，均为AlTf。
[0036]步骤302，判断检测到的电压偏差值AU是否大于Alfef，且判断上一时刻子模块开通个数η是否等于O或N，其中，N为子模块最大开通个数，且N为正整数。
[0037]步骤303，当检测到的电压偏差值ΔU大于Δ If ^或者上一时刻子模块开通个数η为O或N，则继续运行预设的均压策略。
[0038]步骤304，当检测到的电压偏差值ΔU小于Δ If ^或者上一时刻子模块开通个数η不为O或N，保持前一时刻子模块的开通信号。
[0039]其中，预设的均压策略可以为模块化多电平变流器的传统均压策略。
[0040]选择判断时，当子模块开通个数η等于O或N时应该特殊考虑的原因是为了避免出现如下所示的两种控制失败情况的发生。
[0041 ] 例如，当前时刻Δ U小于Δ ITf且上一时刻子模块开通个数η为O时，由于子模块开通选择信号保持上一时刻信号，子模块开通个数依旧为0，既不充电也不放电，AU的大小将不会发生改变，因此会导致子模块开通个数η—直保持为0，子模块电压值会陷入恒定不变的控制失败状态。
[0042]再例如，当前时刻Δ U小于Δ ITf且上一时刻子模块开通个数η为N，由于子模块串联以及电容参数相同以及子模块开通选择信号保持为上一时刻信号的特点，子模块开通个数依旧为N，所有子模块电容同时充电同时放电，AU的大小将不会发生改变，因此会导致子模块开通个数η—直保持为N，子模块电压值会陷入恒定不变的控制失败状态。
[0043]因此，本发明实施例的模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，以MMC子模块电容均压为研究对象，在NLM调制策略下通过设定子模块电压最大允许偏差值以及当前桥臂子模块开通数目来决定子模块的开通选择。当偏差值小于设定允许值以及桥臂子模块不完全投入和不完全切出时更新子模块开通信号，否则保持上一状态的开通信号，解释并分析了单纯依靠子模块电压偏差值来确定子模块开通信号存在的问题。
[0044]如图4所述，为本发明另一实施例的一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法流程示意图，主要如下所述。
[0045]步骤401，按照预设均压策略运行一个采样周期。
[0046]步骤402，判断检测到的电压偏差值AU是否大于AlTf，且判断上一时刻子模块开通个数η是否等于O或N，其中，N为子模块最大开通个数，且N为正整数。
[0047]如果检测到的电压偏差值ΔU大于Δ IrfS者上一时刻子模块开通个数η为O或N，执行步骤403;如果检测到的电压偏差值△ U小于△ ITfS者上一时刻子模块开通个数η不为O或N，执行步骤404。
[0048]步骤403，判断桥臂电流是否大于零。
[0049]如果桥臂电流大于零，执行步骤405;如果桥臂电流小于或等于零，执行步骤406。
[0050]步骤404，保持上一时刻子模块开通信号，然后执行步骤410。
[0051]步骤405，对所述上一时刻子模块充电，然后执行步骤407。
[0052]步骤406，对所述上一时刻子模块放电，然后执行步骤407。
[0053]步骤407，对上下桥臂电容电压分别进行从低到高的排序。
[0054]对上下桥臂电容按照从低到高的序列，前j个电容电压执行步骤408，后m个电容电压执行步骤409，其中，j+m = N，j和m可以相同也可以不同。
[0055]步骤408，对前j个电容电压给予脉冲信号，然后执行步骤410。
[0056]步骤409，对后m个电容电压给予脉冲信号，然后执行步骤410。
[0057]步骤410，触发脉冲。
[0058]例如，给予子模块中开关管以触发脉冲，使得电容按照开关管的开通或关断进行充电放电，完成改进后NLM调制策略的换流器正常工作。
[0059]通过上述描述可知，本发明实施例的模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，以MMC子模块电容均压为研究对象，在NLM调制策略下通过设定子模块电压最大允许偏差值以及当前桥臂子模块开通数目来决定子模块的开通选择。当偏差值小于设定允许值以及桥臂子模块不完全插入和不完全切出时更新子模块开通信号，否则保持上一状态的开通信号，通过本发明实施例的均压策略，可以降低开关器件动作频率，减小换流器损耗，延长了开关器件的寿命。
[0060]以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0061]通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如R0M/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0062]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种模块化多电平变流器子模块电压均衡方法，其特征在于，包括: 为模块化多电平变流器的每个子模块设定电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差，其中，电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差相等，均为Airf; 判断检测到的电压偏差值A U是否大于Δ Ifef，且判断上一时刻子模块开通个数η是否等于O或N，其中，NS子模块最大开通个数，且N为正整数； 当检测到的电压偏差值A U大于AlfrfS者上一时刻子模块开通个数η为O或N，则继续运行预设的均压策略； 当检测到的电压偏差值A U小于△ IfrfS者上一时刻子模块开通个数η不为O或N，保持前一时刻子模块的开通信号。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述当检测到的电压偏差值△U大于Δ 1^或者上一时刻子模块开通个数η为O或N，则继续运行预设的均压策略具体包括: 当检测到的电压偏差值A U大于AlfrfS者上一时刻子模块开通个数η为O或N，判断桥臂电流是否大于零； 如果桥臂电流大于零，对所述上一时刻子模块充电；如果桥臂电流小于或等于零，对所述上一时刻子模块放电； 在所述上一时刻子模块充电或放电完成后，对上下桥臂电容电压分别进行从低到高的排序； 对前j个电容电压给予脉冲信号，对后m个电容电压给予脉冲信号，其中，j+m=N03.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述j和m相同或不同。4.如权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于，在为模块化多电平变流器的每个子模块设定电容电压最大值允许偏差与最小值允许偏差之前，所述方法还包括: 按照预设均压策略运行一个采样周期。
【文档编号】H02M7/483GK105897025SQ201610293399
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月5日
【发明人】谢涛, 高桂革, 曾宪文, 肖浩
【申请人】上海电机学院