一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，包括如下步骤：依据桥臂电抗在系统两侧pcc点额定视在功率中的占比计算桥臂电抗值；计算单个桥臂的桥臂总电压；对单个桥臂的模块功率器件选型，并计算单个桥臂的子模块工作电压和子模块个数；校核桥臂电抗值是否满足满载情况下的调制度上限要求；依据桥臂参数和桥臂电抗值，对系统暂态故障进行仿真校核，判断桥臂电流应力是否小于选定的功率器件的电流应力上限值；如是则得到桥臂参数，如否则调整桥臂参数，并重新进行计算及校核。实现了模块化多电平矩阵换流器的桥臂子模块个数、工作电压、器件选型和桥臂电抗值等关键参数的设计，可以满足系统功率运行范围的要求且兼顾安全性。且兼顾安全性。且兼顾安全性。

【技术实现步骤摘要】
一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法


[0001]本专利技术涉及电力设备制造
，特别涉及一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法。

技术介绍

[0002]由于出线走廊资源紧张及投资巨大，提高输电线路的传输能力一直是电力工程的重要研究领域。限制交流输电系统输送功率的主要因素有热极限、稳定功率极限等，自从专利技术了变压器以后，提高电压等级成为提高输送能力的重要手段。然而在现代电力系统中，交流输电的另一个重要参数——频率的优化问题也已受到关注。当燃煤气轮发电机组作为电源的主力时，这类机组要求较高的转速(频率)以保证其经济性，因而50/60Hz成为电网的标准频率。而近年来发展迅速的风力发电和水力发电等可再生能源的原动机转速很低，适合发出低频电力，而且低频输电具有降低电抗、提高输送能力等优势，因此，与可再生能源相关的发电和输电的频率选择问题应该重新被审视。
[0003]尤其对于中远海上风电送出，现有的送出方式主要有交流送出和柔性直流送出，交流送出方式受到电缆电容电流问题的影响而不适合远距离输送，柔性直流送出海上换流站本身的建设成本较高，而低频输电系统既可实现海上风电的远距离送出，且无需海上换流站。模块化多电平矩阵变换器(modular multilevel matrix converters(M3C))是一种新型的AC/AC变换装置，装置两侧可分别用于连接两个三相交流系统，实现两侧不同电压幅值、不同频率的转换，是一种具有研究和应用潜力的低频输电方案。
[0004]模块化矩阵换流器的基本结构如图1所示，它由9个桥臂支路、软启电阻及其旁路开关、隔离变压器、接地系统等几个主要部分组成，其中每个桥臂支路包含若干个级联的全桥子模块和支路电感。
[0005]目前，对于模块化矩阵换流器还处于研究和探索阶段，尚无实际工程应用，而且现有的研究主要聚焦于稳态控制策略研究，而对于工程应用中涉及的关键参数设计等研究的较少，尤其对于桥臂电抗值的设计基本处于空白状态。模块化矩阵换流器的桥臂同时参与两侧系统的功率交换，桥臂电压和桥臂电抗同时与两侧系统的功率运行范围密切相关，与柔直换流器存在较大的区别，柔直换流器的设计方法和设计经验无法直接套用。为了实现模块化矩阵换流器的工程化应用，必须解决关键参数设计的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术实施例的目的是提供一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，实现了模块化多电平矩阵换流器的桥臂子模块个数、子模块工作电压、子模块器件选型和桥臂电抗值等关键参数的设计，设计结果可以满足系统功率运行范围的要求且兼顾安全性，设计过程严谨，设计结果安全可靠，适用于工程使用。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，包括如下步骤：
[0008]依据桥臂电抗在系统两侧pcc点额定视在功率中的占比计算桥臂电抗值；
[0009]计算单个桥臂的桥臂总电压；
[0010]对所述单个桥臂的模块功率器件选型，并计算所述单个桥臂的子模块工作电压和子模块个数；
[0011]校核所述桥臂电抗值是否满足满载情况下的调制度上限要求；
[0012]依据所述桥臂参数和所述桥臂电抗值，对系统暂态故障进行仿真校核，判断桥臂电流应力是否小于选定的所述功率器件的电流应力上限值；
[0013]如是则得到所述桥臂参数，如否则调整所述桥臂参数，并重新进行计算及校核。
[0014]进一步地，所述桥臂电抗值L
arm
为：
[0015]L
arm
＝(u
v1
)^2/S1*k/(2*f1*pi)*3；
[0016]其中，u
v1
、u
v2
分别是系统两侧的阀侧线电压有效值，f1、f2分别是两侧系统的交流频率，S1、S2分别为系统两侧pcc点额定视在功率，k为所述桥臂电抗在所述视在功率中的占比。
[0017]进一步地，所述单个桥臂的桥臂总电压U
arm
为：
[0018]U
arm
＝u
v1
/1.732*1.414/M+u
v2
/1.732*1.414/M；
[0019]其中，u
v1
、u
v2
分别是系统两侧的阀侧线电压有效值，M是预设的空载调制度。
[0020]进一步地，所述对所述单个桥臂的模块功率器件选型并计算子模块工作电压和子模块个数，包括：
[0021]根据所述视在功率和阀侧线电压，计算所述系统两侧的阀侧电流有效值；
[0022]计算所述桥臂电流的有效值和峰值；
[0023]依据所述桥臂电流的有效值和峰值，选择合适的子模块功率器件；
[0024]在选定所述子模块功率器件后，确定所述子模块的工作电压；
[0025]计算所述桥的子模块个数。
[0026]进一步地，所述系统两侧的阀侧电流有效值分别为i
v1
和i
v2
，
[0027]i
v1
＝S1/u
v1
/1.732，i
v2
＝S2/u
v2
/1.732；
[0028]所述桥臂电流有效值为i
arm
，
[0029]i
arm
＝sqrt((i
v1
/3)^2+(i
v2
/3)^2)；
[0030]所述桥臂电流峰值为i
arm_peak
，
[0031]i
arm_peak
＝i
arm
*2；
[0032]其中，其中，u
v1
、u
v2
分别是系统两侧的阀侧线电压有效值，S1、S2分别为系统两侧pcc点额定视在功率。
[0033]进一步地，所述校核所述桥臂电抗值是否满足满载情况下的调制度上限要求，包括：计算与所述桥臂电抗值相对应的调制度值；
[0034]判断所述调制度值是否小于调制度上限值；
[0035]如是，则判定所述桥臂电抗值的裕量较大；
[0036]如否，则重新调整所述桥臂电抗值。
[0037]进一步地，与所述桥臂电抗值相对应的所述调制度值为M,
[0038][0039]其中，ω1、ω2为所述系统两侧的角频率，L
Ts1
、L
Ts2
为所述系统两侧的变压器等效漏抗，P1、Q1，P2、Q2分别为所述系统两侧的有功功率和无功功率,U
arm
为所述桥臂总电压，L
arm
为所述桥臂电抗值。
[0040]进一步地，所述调整所述桥臂参数并重新进行计算及校核，包括：
[0041]在所述桥臂电抗值的裕量较大时，逐步增大所述桥臂电抗值，进行调制度校核及系统暂态故障仿真校核；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：依据桥臂电抗在系统两侧pcc点额定视在功率中的占比计算桥臂电抗值；计算单个桥臂的桥臂总电压；对所述单个桥臂的模块功率器件选型，并计算所述单个桥臂的子模块工作电压和子模块个数；校核所述桥臂电抗值是否满足满载情况下的调制度上限要求；依据所述桥臂参数和所述桥臂电抗值，对系统暂态故障进行仿真校核，判断桥臂电流应力是否小于选定的所述功率器件的电流应力上限值；如是则得到所述桥臂参数，如否则调整所述桥臂参数，并重新进行计算及校核。2.根据权利要求1所述的模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，其特征在于，所述桥臂电抗值L
arm
为：L
arm
＝(u
v1
)^2/S1*k/(2*f1*pi)*3；其中，u
v1
、u
v2
分别是系统两侧的阀侧线电压有效值，f1、f2分别是两侧系统的交流频率，S1、S2分别为系统两侧pcc点额定视在功率，k为所述桥臂电抗在所述视在功率中的占比。3.根据权利要求1所述的模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，其特征在于，所述单个桥臂的桥臂总电压U
arm
为：U
arm
＝u
v1
/1.732*1.414/M+u
v2
/1.732*1.414/M；其中，u
v1
、u
v2
分别是系统两侧的阀侧线电压有效值，M是预设的空载调制度。4.根据权利要求1所述的模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，其特征在于，所述对所述单个桥臂的模块功率器件选型并计算子模块工作电压和子模块个数，包括：根据所述视在功率和阀侧线电压，计算所述系统两侧的阀侧电流有效值；计算所述桥臂电流的有效值和峰值；依据所述桥臂电流的有效值和峰值，选择合适的子模块功率器件；在选定所述子模块功率器件后，确定所述子模块的工作电压；计算所述桥的子模块个数。5.根据权利要求4所述的模块化多电平矩阵换流器桥臂参数设计方法，其特征在于，所述系统两侧的阀侧电流有效值分别为i
v1
和i
v2
，i
v1
＝S1/...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘欣和，牛翀，平明丽，李道洋，马焕，朱龙臻，吴金龙，王先为，杨美娟，刘启建，行登江，薛瑞，何复兴，赵菲，张姣，
申请(专利权)人：许继电气股份有限公司西安许继电力电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：