一种降低模块化多电平换流器电容值的方法技术

本发明专利技术涉及一种可以降低模块化多电平换流器电容值的方法，属于电压源换流器技术领域和直流输电技术领域。本发明专利技术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。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，因此可以使子模块可以选择较小的电容值。由于模块化多电平换流器中电容的成本和体积都在总体上占很大比例，因此本发明专利技术方法在降低模块化多电平换流器的成本和体积方面的效益都是非常显著的。

【技术实现步骤摘要】
一种降低模块化多电平换流器电容值的方法
本专利技术涉及一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，属于电压源换流器
和直流输电

技术介绍
模块化多电平换流器(以下简称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的基本单元是子模块，由半桥、全桥或其它箝位式电路构成，主要包括电力电子开关器件和直流电容。多个子模块被级联在一起构成一个换流桥臂，6组级联换流桥臂组合在一起构成三相换流器。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和运行控制方法上的优化减少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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，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，这样子模块可以选择较小的电容值，降低模块化多电平换流器的成本和体积。本专利技术提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，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桥臂级联的子模块数目N，(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，(4)根据上述子模块投入数量和K，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并根据上述步骤(5)的最大电容电压波动允许幅度Δucap2计算子模块电容值Cd，本专利技术提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，其特点和优点是，本方法是在维持桥臂级联子模块数目不变和子模块电容电压峰值不变的前提下，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，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，因此可以使子模块可以选择较小的电容值。由于模块化多电平换流器中电容的成本和体积都在总体上占很大比例，因此本方面方法在降低模块化多电平换流器的成本和体积方面的效益都是非常显著的。附图说明图1是本专利技术方法涉及的模块化多电平换流器的结构示意图。图2是本专利技术方法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3是采用本专利技术方法可以得到的子模块电容值降低比例曲线。具体实施方式本专利技术提出的降低模块化多电平换流器电容值的方法，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，子模块电容电压直流分量额定值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％，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；(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桥臂级联的子模块数目N，(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，(4)根据上述子模块投入数量和K，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并根据上述步骤(5)的最大电容电压波动允许幅度Δucap2计算子模块电容值Cd，图1是本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，其特征在于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桥臂级联的子模块数目N，N=UdUcap1;]]>(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，使k为大于0并且小于1的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，(4)根据上述子模块投入数量和K，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并根据上述步骤(5)的最大电容电压波动允许幅度Δucap2计算子模块电容值Cd，Cd=52Ia16ω1Δucap2.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种降低模块化多电平换流器电容值的方法，其特征在于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桥臂级联的子模块数目N，(3)设定子模块电容电压直流分量下降系数k，k取0.05～0.15的数值，根据上述桥臂级联的子模块数目N，计算模块化多电平换流器运行过程中上桥臂和下桥臂的子模块投入数量和为K，(4)根据上述子模块投入数量和...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋强，杨文博，朱喆，许树楷，黎小林，刘文华，
申请(专利权)人：清华大学，南方电网科学研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京;11