一种减小MMC电容容值的方法、系统及设备技术方案

本发明专利技术公开了一种减小MMC电容容值的方法、系统及设备，具体为：在电容设计上，先计算系数k，然后根据k的值计算电容容值；在控制上，根据一次参考波的幅值m1与设定的安全运行条件下一次参考波的幅值上限m

【技术实现步骤摘要】
一种减小MMC电容容值的方法、系统及设备


[0001]本专利技术涉及一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，属于多电平变换器控制调节


技术介绍

[0002]MMC（modular multilevel converter，模块化多电平换流器）在结构上分上、下桥臂，交流侧由上、下桥臂中点引出，直流侧有公共的直流母线。MMC的桥臂由多个模块串联组成，每个模块内部包含电容和若干个功率半导体器件。相比于两电平、三电平变换器，MMC输出电平数目更灵活，效率更高，交流输出谐波更小，因此非常适合于中高压大容量的电力电子变换场合，在柔性直流输电HVDC、交直流配电网、统一潮流控制器等领域中具有很大的应用前景。
[0003]在MMC正常运行过程中，模块内电容不断地充电和放电，因此电容的电压总是围绕平均值上下波动。而且，电容电压施加给模块内部功率半导体器件同样大小的电压应力。当电容电压波动增大时，功率半导体器件承受的最大应力也随之增大，进而危害器件的使用寿命和安全可靠运行。在传统运行条件下，电容电压平均值选择为U
dc
/N，其中U
dc
是MMC直流电压，N是桥臂模块数目。在此条件下，电容的容值越小，电容电压的波动越大。为了避免功率半导体器件的应力增大，电容电压的波动通常被限定在一定的范围内，用电容电压波动率h表征。h一般选定为0.05或者0.1，表示电容电压波动限定在5%或者10%的平均电压。
[0004]MMC中含有数目众多的模块，特别是在柔性直流输电中，模块数量往往高达上千个，因此电容的数目庞大。电容容值的选取会显著影响整个变流器的体积和成本。在现有的文献和专利中，大多数减小电容容值的方法是在选定电容电压平均值为U
dc
/N的基础上利用不同方式降低电容电压波动，并且有文献给出了这类条件下的电容容值计算方法，可以根据MMC参数和运行功率设计电容容值。但是采用该类方法减小容值的效果是有限的。另一类方法是通过降低平均电容电压，使子模块电容电压在不超过设定的电容电压最大值的条件下可以允许更大的波动，由此减小电容的容值。
[0005]申请号为CN201410746396.4专利技术专利公开了一种降低电容容值的方法，通过降低平均电容电压来减小电容的容值。但是，该专利公开的方法会导致过调制问题，影响MMC运行的安全性和可靠性，限制了MMC电压输出能力，在很多应用场合都不适用，而且包含的控制较为复杂。
[0006]因此，为了减小MMC的体积和成本，还需要专利技术新的有效、安全可靠的方法，进一步减小电容容值。

技术实现思路

[0007]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种减小MMC电容容值的方法，通过计算系数k，在设计上给出基于k的电容容值的计算方法，可以减小容值；在控制上，通过调节系数k降低电容电压平均值，使得采用设计的电容容值时的电容电压的最大值不超过限定最大值，
满足运行条件，实现MMC体积和成本的降低；而且可根据运行条件判断是否注入三次谐波电压，从而避免过调制的发生，保证MMC运行的安全性和可靠性。
[0008]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术首先提出一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，包括以下步骤：S1、根据模块化多电平变换器MMC参数和运行要求，设计系数k，根据系数k计算得到MMC所适用的电容容值；S2、根据MMC一次参考波的幅值m1与设定的安全运行条件下一次参考波幅值上限m
s
之间的关系，判断是否注入三次谐波电压；S3、根据归一化的一次、二次、三次正弦参考波分量，得到桥臂电压参考波；S4、将桥臂电压参考波乘以系数k得到修正的桥臂电压参考波，然后再对其进行调制。
[0009]进一步的，本专利技术所提出的方法中，系数k的计算方法具体如下：当时，k=k
max
；当时，k=k
max
；当时，。
[0010]其中k
max
是系数k的最大值，根据MMC参数和运行要求选定；m1是一次参考波的幅值，m
s
是设定的安全运行条件下一次参考波的幅值上限。
[0011]进一步的，本专利技术所提出的方法中，电容容值计算公式是。其中h是MMC工作在传统运行条件下的电容电压波动率，在工程上h一般取值为0.05或者0.1。C0是在传统运行条件下计算出的电容容值，可以根据现有MMC电容计算方法得到。这里传统运行条件指的是电容电压平均值保持为U
dc
/N的情况，其中U
dc
是MMC直流电压，N是桥臂模块数目。
[0012]进一步的，本专利技术所提出的方法中，是否注入三次谐波电压的判断方法为：当时，不注入三次谐波电压；当时，注入三次谐波电压。
[0013]进一步的，本专利技术所提出的方法中，三次谐波电压的表达式是：。
[0014]其中ω0是MMC的工作角频率，t是时间。是相位角度，由提出的拟合方法得到，具体为：拟合曲线表示为一次函数=d*P。其中P是有功功率，d是拟合系数。在离线条件下，设置P为一系列不同的值，由仿真或者数值计算等方法求出使得桥臂电压参考波幅值最
小时的的值，根据P和的值，得到拟合系数d。
[0015]进一步的，本专利技术所提出的方法中，一次正弦参考波分量由交流电流或者电压控制器得到，用于控制交流功率，二次正弦参考波分量由环流控制器得到，用于控制MMC内部环流。
[0016]其次，本专利技术还提出一种减小模块化多电平变换器电容容值的系统，包括：电容设置模块，根据模块化多电平变换器MMC参数和运行要求，设计系数k，根据系数k计算得到MMC所适用的电容容值；电压注入模块，用于根据模块化多电平变换器MMC一次参考波的幅值m1与设定的安全运行条件下一次参考波幅值上限m
s
之间的关系，判断是否注入三次谐波电压；参考波计算模块，用于根据归一化的一次、二次、三次正弦参考波分量，得到桥臂电压参考波；电压调制模块，用于将桥臂电压参考波乘以系数k得到修正的桥臂电压参考波，然后再对其进行调制，计算MMC电容容值。
[0017]最后，本专利技术提出一种电子设备，其包括存储器、处理器和存储在存储器中可供处理器运行的程序指令所述处理器执行所述程序指令以实现本专利技术所提出的方法的各个步骤。
[0018]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本专利技术提出的方法可显著减小MMC电容容值，而且提出的控制简单，可降低电容电压平均值，使得在计算的电容容值下的电容电压最大值不超过限定最大值，不会增大功率半导体器件应力，满足运行条件，从而显著降低了电容体积和成本。同时，根据MMC参数有条件地选择注入三次谐波电压，既可以避免过调制的发生，保证系统的安全可靠运行，也尽可能地减小了三次谐波电压控制器带来的控制复杂度。
附图说明
[0019]图1是三相MMC及其子模块的拓扑结构图。
[0020]图2是本专利技术的电容容值减小的大小和系数k之间的关系曲线。
[00本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据模块化多电平变换器MMC参数和运行要求，设计系数k，根据系数k计算得到MMC所适用的电容容值；S2、根据MMC一次参考波的幅值m1与设定的安全运行条件下一次参考波幅值上限m
s
之间的关系，判断是否注入三次谐波电压；S3、根据归一化的一次、二次、三次正弦参考波分量，得到桥臂电压参考波；S4、将桥臂电压参考波乘以系数k得到修正的桥臂电压参考波，然后再对其进行调制。2.根据权利要求1所述的一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，其特征在于：步骤S1中系数k的计算方法包括以下步骤：当时，k=k
max
；当时，k=k
max
；当时，；其中k
max
是系数k的最大值，根据MMC参数和运行要求选定。3.根据权利要求1所述的一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，其特征在于，k
max
取值是1到2之间的实数，k的值在1.0和k
max
之间，m
s
为小于1的正实数。4.根据权利要求1所述的一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，其特征在于，步骤S1中电容容值计算公式是，其中，h是MMC工作在传统运行条件下的电容电压波动率；C0是在传统运行条件下计算出的电容容值，传统运行条件是指电容电压平均值为U
dc
/N的情况，其中U
dc
是MMC直流电压，N是桥臂模块数目。5.根据权利要求1所述的一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，其特征在于，步骤S2中是否注入三次谐波电压的判断方法具体如下：当时，不注入三次谐波电压；当时，注入三次谐波电压。6.根据权利要求1所述的一种减小模块化多电平变换器电容容值的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓富金，喻强，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：