本发明涉及一种减少模块化多电平换流器直流电容的方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。
背景技术：
模块化多电平换流器(mmc)易于实现较大的电平数目，并且可以提供一个公共的直流侧，可以较为容易的实现背靠背的连接，使其十分适合于直流输电的应用。mmc技术的出现和发展使得在直流输电领域实现更高电压、更大容量和更高性能电压源换流器成为可能，极大的推动了电压源型直流输电技术的发展。自mmc技术出现之后，电压源型直流输电工程绝大部分都是采用的mmc拓扑结构或在其基础上的变化。
mmc的每一相桥臂是单相结构，各桥臂的电流会通过开关动作耦合到子模块的直流电容中，在子模块直流电容上产生电压波动。子模块电容电压波动会给开关器件带来额外的电压应力，危害开关器件的安全运行。因此必须将子模块电容电压波动峰值限制在安全范围之内。电容电压波动的限制主要是通过子模块电容值的设计来实现的，电容值越大电容电压波动越小。
已有方法一般是根据子模块中所采用的开关器件的额定电压等级，确定子模块电容电压直流分量额定值，然后根据开关器件的运行安全性确定最大电容电压波动允许幅度(已有方法一般为子模块电容电压直流分量的5％～10％)。在参数设计时，根据运行过程中的换流器运行工况和最大电容电压波动允许幅度，采用mmc稳态特性计算方法设计子模块电容值，使运行过程中的电容电压波动不超过最大电容电压波动允许幅度。
由于在mmc中各相桥臂是分开的，不存在三相电流在电容上的抵消作用，子模块上的电容电压波动主要是基频分量和二倍频分量，因此用已有方法设计所需的电容容量通常都很大。在造价方面，子模块中电容所需的成本与开关器件相当；在体积方面，电容所占体积一般占到子模块总体积的80％。因此如果可以通过参数设计方法减少mmc中子模块所需的电容值，那么在降低mmc的制造成本和体积方面的效益是非常明显的。
申请号为2014107463964的中国专利《一种降低模块化多电平换流器电容值的方法》公开了一种降低电容值的方法，通过将子模块电容电压直流分量运行值相对于子模块电容电压直流分量额定值适当降低一定的比例，同时维持桥臂级联子模块数目和子模块电容电压峰值不变，使子模块最大电容电压波动允许幅度增大，进而使子模块可以选择较小的电容值。但是这种方法每个子模块的额定直流电压降低，而子模块数目又不变化，使换流器的整体等效直流电压降低，会对换流器的输出电压能力造成影响。这种方法还必须通过控制手段使子模块直流电压运行于较低值，在暂态过程中也存在控制失效使电容电压峰值越限的风险。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种减少模块化多电平换流器所用电容量的方法，在维持子模块电容电压峰值不变和不影响开关器件的最大电压应力的前提下，通过额外增加少量的子模块级联数目，将子模块电容电压直流分量运行值适当降低一定的比例，使最大电容电压波动允许幅度增大，这样每个子模块所需的电容可以大幅减少，从而在总体上降低模块化多电平换流器所需的电容量，降低模块化多电平换流器的造价和体积。
本发明提出的减少模块化多电平换流器所用电容量的方法，包括以下步骤：
(1)设定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值ucap1和模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值ucmax；
(2)根据模块化多电平换流器直流侧电压ud，以及上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值ucap1，计算模块化多电平换流器换流桥臂的子模块基础级联数目n，
(3)设定模块化多电平换流器换流桥臂的子模块额外级联数目为k，根据上述的子模块基础级联数目n，计算模块化多电平换流器换流桥臂的子模块实际级联数目m，m＝n+k；
(4)根据上述子模块实际级联数目m，以及模块化多电平换流器直流侧电压ud，计算得到子模块电容电压直流分量运行值ucap2，
(5)根据上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量运行值ucap2，以及步骤(1)中的模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值ucmax，计算得到最大电容电压波动允许幅度δucap2，δucap2＝ucmax-ucap2；
(6)根据与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率ω1、模块化多电平换流器交流侧输出电流最大有效值ia以及模块化多电平换流器交流侧输出电流最大功率因数角
本发明提出的减少模块化多电平换流器所用电容量的方法，其特点和优点是，本方法是通过增加少量的额外级联子模块数目，将子模块电容电压直流分量运行值适当降低一定的比例。在维持子模块电容电压峰值不变的前提下，使子模块最大电容电压波动允许幅度增大。由于子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容就越小，因此可以使子模块所需的直流电容大幅度减少。虽然增加了少量的额外级联子模块数目，但是由于模块化多电平换流器中电容的造价和体积都在总体上占很大比例，因此本发明方法可以降低模块化多电平换流器的总体造价和体积。尤其是可以大幅降低装置的体积，实现紧凑化的模块化多电平换流器。本发明方法在降低模块化多电平换流器的造价和体积的同时，并不会影响换流器输出电压的能力，也可以使子模块电压自然运行于较低值，不存在暂态过程中电容电压峰值越限的风险。
附图说明
图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。
图2是图1所示的模块化多电平换流器中换流桥臂的结构示意图。
图3是本发明方法中电容电压波动波形与已有方法电容电压波动波形的比较示意图。
图4是采用本发明方法可以得到的子模块电容值降低比例曲线。
具体实施方式
本发明提出的减少模块化多电平换流器所用电容量的方法，其中涉及的模块化多电平换流器的结构示意图如图1和图2所示，该方法包括以下步骤：
(1)设定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值ucap1和模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值ucmax；
(2)根据模块化多电平换流器直流侧电压ud，以及上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值ucap1，计算模块化多电平换流器换流桥臂的子模块基础级联数目n，
(3)设定模块化多电平换流器换流桥臂的子模块额外级联数目为k，根据上述的子模块基础级联数目n，计算模块化多电平换流器换流桥臂的子模块实际级联数目m，m＝n+k；
(4)根据上述子模块实际级联数目m，以及模块化多电平换流器直流侧电压ud，计算得到子模块电容电压直流分量运行值ucap2，
(5)根据上述模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量运行值ucap2，以及步骤(1)中的模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值ucmax，计算得到最大电容电压波动允许幅度δucap2，δucap2＝ucmax-ucap2；
(6)根据与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率ω1、模块化多电平换流器交流侧输出电流最大有效值ia以及模块化多电平换流器交流侧输出电流最大功率因数角
图1是本发明方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。在已有的参数设计和运行方式中，是根据所选用开关器件的电压等级确定模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值ucap1。考虑到开关器件所承受的电压安全裕量，ucap1一般取值为模块化多电平换流器所采用开关器件的额定电压的50％～60％
根据模块化多电平换流器直流侧电压ud，以及模块化多电平换流器子模块电容电压直流分量额定值ucap1，可以计算出模块化多电平换流器中每个桥臂所需级联的子模块基础级联数目n，
在实际运行中，由于桥臂电流通过开关动作引入到子模块电容中，子模块电容电压在直流分量上还存叠加有波动分量。考虑到电容电压波动会给开关器件带来额外的电压应力，影响开关器件的安全性，一般还需要根据所选用开关器件的电压安全裕度，确定运行过程模块化多电平换流器子模块电容电压峰值最大允许值ucmax。在模块化多电平换流器运行过程中，子模块电容的电压波动均不能超过电容电压峰值最大允许值ucmax。子模块电容电压峰值最大允许值ucmax一般为子模块电容电压直流分量额定值ucap1的1.05～1.1倍。这样在已有方法中，最大电容电压波动允许幅度为：
δucap1＝ucmax-ucap1(2)
对于模块化多电平换流器，在系统工况和系统参数确定的情况下，电容电压波动幅度是与子模块电容值成反比的。最大电容电压波动允许幅度越小，所需的子模块电容值就越大；最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容值就越小。因此为了减少所需的子模块电容量，本发明提出一种提高最大电容电压波动允许幅度的参数设计方法。本发明方法如图2所示意。主要思路就是在桥臂中n个基础级联子模块基础上，再增加少量的m个额外级联子模块，使桥臂子模块实际级联数目达到k个，k满足如下关系：
k＝n+m(3)
在开关器件承受的最大电压应力不变(也就是维持子模块电容电压峰值最大允许值ucmax不变)的前提下，使子模块最大电容电压波动允许幅度提高。具体就是使子模块电容电压直流分量在实际运行中的值相对于额定值ucap1适当降低。
由于换流桥臂实际上有k个子模块级联，本发明方法的运行方式下将子模块电容电压直流分量运行值与模块化多电平换流器直流侧电压ud的关系如下：
本发明的方法如图3中的虚线所示，在本发明方法的运行方式下子模块电容电压直流分量运行值将变为：
其中m＝m/n。m的理论取值范围在0～1之间，实际运行过程中一般可以在0.02～0.2之间。
定义其中k为电容电压直流分量下降系数，即
ucap2＝(1-k)ucap1(6)
其中
本发明的运行方式下仍维持子模块电容电压峰值最大允许值ucmax不变，这样采用本发明方法时子模块最大电容电压波动允许幅度为：
δucap2＝ucmax-ucap2(7)
在得到子模块最大电容电压波动允许幅度后，可以根据模块化多电平换流器的运行工况和其它参数计算得到子模块电容值cd。
如文献“《模块化多电平换流器稳态运行特性的解析分析》，电网技术.36(11),pp.198-204,2012”所记述，不考虑二倍频环流的影响，子模块电容电压波动的表达式可以表示为：
其中ω1为与模块化多电平换流器相连的电网三相线电压同步角频率；ia为模块化多电平换流器交流侧输出电流有效值；
式(8)可以进一步改写为：
式(9)中右侧第一项为基频波动分量，式(9)中右侧第二项为二倍频波动分量。
式(9)中的基频波动分量的幅度可以计算如下：
由于调制比m对于波动峰值的影响并不大，为了简化计算得到工程实用的计算方法，将调制比m设定为1，式(10)可以进一步近似改写为：
同样将调制比m设定为1，式(9)中的二倍频波动分量的幅度可以计算如下：
考虑电容电压波动幅度最大的情况发生在基频波动峰值与二倍频波动峰值叠加在一起的时刻，因此将式(11)和式(12)相加计算电容电压波动幅度为：
式(13)就可以作为计算子模块所需电容值的工程实用依据。用式(7)中的本发明方法的子模块最大电容电压波动允许幅度δucap2代替式(13)中的δupeak，并反推所需的子模块电容值如下：
式(14)给出了计算出子模块电容值的方法，在实际工程装置中所采用的电容值应不小于式(14)所计算出的电容值。可以看出子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容值越小。由于本发明方法将子模块最大电容电压波动允许幅度提高，因此所需的子模块电容值就得到了降低。
下面分析与已有方法相比时，采用本发明方法时子模块电容值的降低比例。采用已有方法时，最大电容电压波动允许比例值为：
可以得到如下关系：
δucap2＝(ε1+k)ucap1(16)
由于所需的子模块电容值与最大电容电压波动允许幅度呈反比关系，如果在已有方法下所需的子模块电容值为cd1，采用本发明方法时所需的子模块电容值为cd，两者的关系可以如下计算：
将式(15)和式(16)代入到式(17)中，可以得到：
相对于已有方法，采用本发明方法可以使所需的每个子模块电容值降低比例为：
由于桥臂增加了m个额外子模块，因此在对于模块化多电平换流器的成本和体积方面的影响应该按实际级联的子模块数目考虑。
假设每个子模块中直流电容所占子模块成本比例系数为α，其它部分所占成本的比例系数为1-α。假设每个子模块中直流电容所占子模块体积比例系数为β，其它部分所占体积的比例系数为β，比例系数满足1-β。采用本发明方法时与采用常规方法相比时，换流器所有子模块的成本关系为：
ηcost＝α×(1-ηcap)×(1+m)+(1-α)×(1+m)(20)
换流器所占体积的成本关系为：
ηvol＝β×(1-ηcap)×(1+m)+(1-β)×(1+m)(21)
图4给出在ε1＝10％，α＝0.4，β＝0.8情况下，与常规方法相比，采用本发明方法时换流器所有子模块成本和体积可降低到的程度随系数m变化的曲线。可以看到，只需增加10％的额外级联子模块，就可以使模块化多电平换流器的成本降低至常规方法的88％左右，在体积方面则可以大幅降低至常规方法的67％左右。
通过本发明的方法，可以通过增加少量的额外级联子模块数目，将子模块电容电压直流分量运行值适当降低一定的比例。在维持子模块电容电压峰值不变的前提下，使子模块最大电容电压波动允许幅度增大。由于子模块最大电容电压波动允许幅度越大，所需的子模块电容就越小，因此可以使子模块所需的直流电容大幅度减少。虽然增加了少量的额外级联子模块数目，但是由于模块化多电平换流器中电容的造价和体积都在总体上占很大比例，因此本发明方法可以降低模块化多电平换流器的总体造价和体积。尤其是可以大幅降低装置的体积，实现紧凑化的模块化多电平换流器。