專利名稱：模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，尤其是涉及柔性直流輸電系統(tǒng)中直流線路電壓和交流電網(wǎng)電壓不匹配時(shí)的模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，屬于直流輸電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
出于可持續(xù)發(fā)展需要，利用以太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電已成為未來(lái)電力系統(tǒng)的發(fā)展方向。這些發(fā)電方式具有遠(yuǎn)離主電網(wǎng)、隨時(shí)間波動(dòng)較大等特點(diǎn)。柔性直流輸電系統(tǒng)基于電壓源換流器(VSC)和脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)將直流電壓逆變?yōu)榉岛拖辔欢伎煽氐慕涣麟妷?，并可以?dú)立快速控制所傳輸?shù)挠泄β屎蜔o(wú)功功率，極大地增強(qiáng)了輸電的靈活性，成為實(shí)現(xiàn)可再生能源發(fā)電與主電網(wǎng)之間的穩(wěn)定聯(lián)結(jié)的最有潛質(zhì)的電力傳輸方式。由于模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter,MMC)具有公共直流端,且有易拓 展、有功無(wú)功可解耦控制、諧波特性優(yōu)秀、開(kāi)關(guān)器件損耗小等特點(diǎn)，十分適用于柔性直流輸電系統(tǒng)。模塊化多電平換流器每相由上下兩個(gè)橋臂構(gòu)成，三相共包含6個(gè)相同的橋臂，在每個(gè)橋臂中含有N個(gè)級(jí)聯(lián)的相同的子模塊。已有的計(jì)算模塊化多電平換流器橋臂中子模數(shù)量的方法通常只考慮模塊化多電平換流器直流側(cè)額定電壓Ud和子模塊額定電壓U。之間的關(guān)系，并不考慮換流器交流側(cè)電壓的大小。例如如果K=Ud/U。，采用現(xiàn)有方法計(jì)算時(shí)模塊化多電平換流器橋臂中的子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量N通常被設(shè)計(jì)為N = K。柔性直流輸電系統(tǒng)的直流電壓通常根據(jù)所傳輸?shù)娜萘亢椭绷麟娎|水平確定。換流器的直流側(cè)額定電壓可能會(huì)與交流電網(wǎng)電壓不匹配。如果將模塊化多電平換流器直接接入交流電網(wǎng)，模塊化多電平換流器將工作在較低調(diào)制比的運(yùn)行工況下。在模塊化多電平換流器運(yùn)行于調(diào)制比較低的情況時(shí)，這N個(gè)子模塊并不會(huì)得到充分利用，使模塊化多電平換流器橋臂中子模塊利用率較低，造成成本的升高。現(xiàn)有方法的解決方法是在電壓等級(jí)較低的交流電網(wǎng)側(cè)接入一個(gè)升壓變壓器，將交流電壓升至能與直流電壓相匹配的等級(jí)。但是這種方案中變壓器帶來(lái)較大的占地需求和成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，在計(jì)算橋臂中子模塊數(shù)量時(shí)，既考慮模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓的因素，也考慮交流電網(wǎng)的線電壓大小的因素，以降低設(shè)備成本。本發(fā)明提出的模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，包括以下步驟( I)設(shè)交流電網(wǎng)的線電壓有效值為Uac,根據(jù)輸電線路傳輸容量，確定模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓為Ud，并根據(jù)模塊化多電平換流器所用的開(kāi)關(guān)器件確定模塊化多電平換流器中各子模塊的額定電壓為U。；
(2)根據(jù)上述直流側(cè)額定電壓Ud和子模塊額定電壓U。，計(jì)算模塊化多電平換流器的上橋臂和下橋臂的子模塊投入數(shù)量之和為K :k = UdAJc ；(3)根據(jù)上述子模塊額定電壓U。、交流電網(wǎng)的線電壓有效值Uac以及上述步驟(2)得到的子模塊投入數(shù)量之和K，計(jì)算得到模塊化多電平換流器中各橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量
Su, 2本發(fā)明提出的模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，可以在交流電網(wǎng)電壓相對(duì)于模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓較低時(shí)，使換流器直接接入較低電壓等級(jí)交流電網(wǎng)，并減小模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量。這樣一方面可以通過(guò)減小子模塊數(shù)量降低換流器的成本，另一方面也可以避免交流變壓器帶來(lái)的占地和成本問(wèn)題。


圖I是模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是利用本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的模塊化多電平換流器的使用狀態(tài)圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提出的模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，包括以下步驟( I)設(shè)交流電網(wǎng)的線電壓有效值為Uac,根據(jù)輸電線路傳輸容量，確定模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓為Ud，并根據(jù)模塊化多電平換流器所用的開(kāi)關(guān)器件確定模塊化多電平換流器中各子模塊的額定電壓為U。；(2)根據(jù)上述直流側(cè)額定電壓Ud和子模塊額定電壓U。，計(jì)算模塊化多電平換流器的上橋臂和下橋臂的子模塊投入數(shù)量之和為K :k = UdAJc ；(3)根據(jù)上述子模塊額定電壓U。、交流電網(wǎng)的線電壓有效值Uac以及上述步驟(2)得到的子模塊投入數(shù)量之和K，計(jì)算得到模塊化多電平換流器中各橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量
Τ 拉Lac K
N, = ~j=--1— ο
V3f/c 2以下結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明內(nèi)容。附圖I是模塊化多電平換流器的結(jié)構(gòu)示意圖。模塊化多電平換流器的是由6個(gè)橋臂組成，每相包括上下兩個(gè)橋臂，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊順序級(jí)聯(lián)構(gòu)成，子模塊額定電壓為U。。對(duì)于橋臂中的某個(gè)子模塊，如果這個(gè)子模塊端口輸出電壓為U。，這個(gè)子模塊為投入狀態(tài)。如果這個(gè)子模塊端口輸出電壓為0，這個(gè)子模塊為退出狀態(tài)。定義上橋臂子模塊投入數(shù)量為Sp，表示上橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)量。定義下橋臂子模塊投入數(shù)量為Sn，表示下橋臂中處于投入狀態(tài)的子模塊數(shù)量。上下橋臂所有子模塊的輸出電壓之和等于換流器直流側(cè)額定電壓，即Ud=(Sp+Sn)U。 (I)所以為了維持直流電壓的恒定，通常將模塊化多電平換流器的上橋臂和下橋臂的子模塊投入數(shù)量之和控制為一個(gè)固定常數(shù)，即(Sp+Sn) =K (2)
其中K由直流側(cè)額定電壓和子模塊額定直流電壓確定，即Κ=ψ⑶以上關(guān)系也決定了橋臂中子模塊數(shù)量N的計(jì)算方式?，F(xiàn)有方法是將N直接設(shè)計(jì)為N = K。本發(fā)明提出橋臂中子模塊數(shù)量N設(shè)計(jì)為小于K時(shí)模塊化多電平換流器仍能夠正常運(yùn)行。從式⑵的角度來(lái)看，為了能夠使上下橋臂開(kāi)關(guān)狀態(tài)之和達(dá)到K，N可以選擇的最小值為Κ/2 (或向上取整)。N可以選擇的最大值為K，當(dāng)N超過(guò)K時(shí)，雖然仍能夠通過(guò)控制子模塊的開(kāi)關(guān)狀態(tài)滿足式(I)，但是多出的子模塊數(shù)量并沒(méi)有實(shí)際意義(不考慮冗余運(yùn)行情況)。下面將分析當(dāng)Κ/2 < N < K時(shí)模塊化多電平換流器的運(yùn)行特性。模塊化多電平換流器的橋臂交流端口電壓可以表示為u =(H)[/(4)
O2c以Sn為例，其可以變化的范圍為K-N到N范圍內(nèi)的整數(shù)，相對(duì)應(yīng)的Sp數(shù)值為N到K-N。這樣模塊化多電平換流器交流側(cè)電壓U。的變化范圍為-(N — y)f/c <U0<(N-y)t/c(5)式(5) —方面表示出了橋臂中子模塊數(shù)量N對(duì)模塊化多電平換流器交流輸出電壓幅值范圍的影響，另一方面也表示出了橋臂中子模塊數(shù)量N對(duì)模塊化多電平換流器交流輸出電壓的電平級(jí)數(shù)的影響。式(5)可以說(shuō)明模塊化多電平換流器的運(yùn)行原理并不一定要求橋臂子模塊數(shù)目N等于K。只是在N = K時(shí)，無(wú)論是輸出電壓幅值范圍還是電平數(shù)目都可以達(dá)到最大值。在某些應(yīng)用場(chǎng)合中，如果能將N選擇為小于K的數(shù)目，顯然可以減少橋臂中子模塊數(shù)量，降低裝置成本和控制難度。如果交流電網(wǎng)的線電壓有效值為Ua。，模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓為Ud，換流器的調(diào)制比定義為交流相電壓峰值和換流器直流側(cè)電壓一半的比值。當(dāng)換流器橋臂中子模塊數(shù)量N = K時(shí)，換流器的調(diào)制比可以表示為
yflU / -s/3M=----lb)
UJ2一般來(lái)說(shuō)，脈沖調(diào)制策略所能達(dá)到的最大調(diào)制比為I (暫不考慮通過(guò)零序電壓注入方法)。應(yīng)盡量使換流器運(yùn)行在調(diào)制比接近于1，也就是直流電壓必須與交流電壓值相匹配。如果直流電壓相對(duì)比較大時(shí)，如式(6)所示換流器將工作于調(diào)制比較低的情況，這種情況下雖然選取了 K個(gè)子模塊，但由于調(diào)制比較低，部分子模塊可能并不會(huì)被利用到，造成裝置成本的升高。因此當(dāng)直流電壓相對(duì)交流電壓比較高的應(yīng)用場(chǎng)合，現(xiàn)有的方案通常是通過(guò)升壓變壓器將交流電壓提高，但是這種方案將帶來(lái)成本和占地的問(wèn)題。本發(fā)明提出的模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，在交流電網(wǎng)電壓相對(duì)于模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓較低的應(yīng)用場(chǎng)合，將橋臂中子模塊數(shù)量N選擇為小于K的數(shù)目，顯然可以減少所采用的子模塊數(shù)量，降低裝置成本和控制難度。采用這種設(shè)計(jì)和控制方法時(shí)，根據(jù)式(5)和式￠)，換流器運(yùn)行的調(diào)制比可以寫(xiě)為
權(quán)利要求
1.一種模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，其特征在于該方法包括以下步驟 (1)設(shè)交流電網(wǎng)的線電壓有效值為Uac,根據(jù)輸電線路傳輸容量，確定模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓為ud，井根據(jù)模塊化多電平換流器所用的開(kāi)關(guān)器件確定模塊化多電平換流器中各子模塊的額定電壓為U。； (2)根據(jù)上述直流側(cè)額定電壓Ud和子模塊額定電壓U。，計(jì)算模塊化多電平換流器的上橋臂和下橋臂的子模塊投入數(shù)量之和為K :K = UdAJc ； (3)根據(jù)上述子模塊額定電壓U。、交流電網(wǎng)的線電壓有效值Ua。以及上述步驟(2)得到的子模塊投入數(shù)量之和K，計(jì)算得到模塊化多電平換流器中各橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量N， 執(zhí) 全文摘要
本發(fā)明涉及一種模塊化多電平換流器橋臂中子模塊數(shù)量的計(jì)算方法，屬于直流輸電技術(shù)領(lǐng)域。首先設(shè)交流電網(wǎng)的線電壓有效值，根據(jù)輸電線路傳輸容量，確定模塊化多電平換流器的直流側(cè)額定電壓，并根據(jù)模塊化多電平換流器所用的開(kāi)關(guān)器件確定模塊化多電平換流器中各子模塊的額定電壓；根據(jù)直流側(cè)額定電壓和子模塊額定電壓，計(jì)算換流器的上橋臂和下橋臂的子模塊投入數(shù)量之和；最后根據(jù)子模塊額定電壓、交流電網(wǎng)的線電壓有效值以及子模塊投入數(shù)量之和，計(jì)算得到模塊化多電平換流器中各橋臂的子模塊級(jí)聯(lián)數(shù)量。本發(fā)明方法通過(guò)減小子模塊數(shù)量降低換流器的成本，也可以避免交流變壓器帶來(lái)的占地和成本問(wèn)題。
文檔編號(hào)H02J3/36GK102820671SQ201210282849
公開(kāi)日2012年12月12日 申請(qǐng)日期2012年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月9日
發(fā)明者宋強(qiáng), 饒宏, 羅雨, 許樹(shù)楷, 劉文華, 黎小林, 李立浧 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司