柔性直流輸電系統(tǒng)串聯子模塊靜態(tài)均壓電阻設計方法
【專利說明】柔性直流輸電系統(tǒng)串聯子模塊靜態(tài)均壓電阻設計方法 【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及柔性直流輸電領域，具體設及柔性直流輸電系統(tǒng)串聯子模塊靜態(tài)均壓 電阻設計方法。 【【背景技術】】
[0002] 隨著大功率電力電子技術的發(fā)展，IGBTJGCT等電力電子器件在直流輸電系統(tǒng)中 的應用越來越廣泛，特別是W全控型電力電子器件為主要開關器件的柔性直流輸電系統(tǒng)已 經成為國內外相關企業(yè)和高校研究的主流。所謂柔性直流輸電（VSC-HVDC)，就是基于電壓 源換流器(VSC)、可關斷器件和脈寬調制技術(PWM)的新型直流輸電技術，其拓撲結構可分 為兩電平拓撲結構、Ξ電平拓撲結構和MMC(Modular Multilevel Converter，即模塊化多 電平換流器)拓撲結構等。其中，MMC拓撲結構因具備開關頻率低、損耗小等優(yōu)點，已被廣泛 應用于直流輸電系統(tǒng)。目前，用于構成MMC拓撲結構的子模塊主要有H-MMC(半橋子模塊）、F-MMC(全橋子模塊)和C-MMC(巧位雙子模塊)Ξ種。其中，半橋子模塊因具有結構簡單、功率器 件少、控制算法易于實現、損耗小和系統(tǒng)效率高等優(yōu)勢在采用MMC拓撲結構的換流器中得到 廣泛應用。從宏觀上看MMC的系統(tǒng)拓撲結構與傳統(tǒng)的^相巧喬相似，但是，在MMC的拓撲中，其 每一相都有很多個功率模塊串聯組成，且每一功率模塊皆由核屯、開關器件（IGBT)、模塊電 容、旁路開關、旁路晶閩管、均壓電阻及供電裝置組成。系統(tǒng)如圖1所示。
[0003] 雖然MMC的拓撲結構有較強的實用性和優(yōu)點，然而，由于其每一相都由很多個功率 模塊串聯組成且模塊均壓電阻設計不合理的原因，造成系統(tǒng)中的功率模塊在系統(tǒng)充電完成 后，到系統(tǒng)正常工作前的模塊均壓階段出現電容電壓不均衡，隨著時間的積累，在一定時間 內會造成功率模塊電容電壓過低，使得供電裝置不能夠正常工作，最終造成柔性直流輸電 系統(tǒng)不能夠正常啟動。 【
【發(fā)明內容】
】
[0004] 為了克服上述現有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種柔性直流輸電系 統(tǒng)串聯子模塊靜態(tài)均壓電阻設計方法，使得柔性直流輸電系統(tǒng)在最初的充電完成到系統(tǒng)解 鎖正常工作之前所有的子模塊可W正常工作，避免電壓不均衡造成供電裝置不能正常工 作。
[0005] 為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0006] 包括如下步驟：
[0007] 步驟1:對帶負載后的供電裝置進行測量得到輸入電壓U和輸入電流I;
[0008] 步驟2:對供電裝置的輸入電壓和輸入電流進行數據分析建模，得到關于供電裝置 輸入特性的函數：
[0009] I = f(U) (1)；
[0010] 步驟3:確定串聯子模塊均壓目標值為Uo;確定串聯子模塊的均壓偏差值Δυ;
[0011] 步驟4:得到串聯子模塊的靜態(tài)均壓電阻的計算公式：
[0012]
(2)。
[001引進一步地，步驟3中，均壓目標值Uo包括串聯子模塊的第一均壓目標值IT和第二均 壓目標值U"，均壓偏差值Δ U包括串聯子模塊的最大均壓偏差值Δ化和任意兩個串聯子模 塊的均壓偏差值A化，其中：護是根據IEC62501標準確定的;U"是根據柔性直流輸電系統(tǒng)不 控整流充電階段的運行工況確定的，A化是根據電容電壓波動控制量ε的要求確定的；
[0014] 當U〇 = U'時，Δυ= AUi，此時步驟4中的R=Rmi;當Uo = lf時，Δυ= AU2,此時步驟4 中的R = Rm2 ;靜態(tài)均壓電阻取值范圍為Rml~Rm2。
[001引進一步地，靜態(tài)均壓電阻取Rmi和Rm2的最小值。
[0016]進一步地，第一均壓目標值U'=kUN，k為系數，Un為串聯子模塊正常工作時的額定 電壓。
[0017]進一步地，第二均壓目標值U" =kiUN，ki為不控整流的電壓系數。
[0018] 進一步地，任意兩個串聯子模塊的均壓偏差值Δ化= 2ε?Γ。
[0019] 進一步地，步驟4中，先假設兩個串聯子模塊電壓達到平衡，此時有：
[0020] Ici = Ic2，Idi = Id2 (3)；
[0021] 根據公式(1)和公式(3)得到：
[0022] Idi = f(Uci) Jd2 = f(Uc2) (4)；
[0023] 當串聯子模塊總電壓不變時，若化1增大，則11。2減小;結合步驟3得到：
[0024] 當 Uci = Uo+AU (5)，貝 iJUc2 = U〇-AU (6)；
[0025] 對串聯子模塊之間的電壓電流關系進行分析可得W下公式(7):
[0026]
[0027] 其中，Icl和Ic2分別是兩個串聯子模塊的充電電流，Ucl和化2分別是兩個串聯子模塊 的電容電壓，Idi和Id2分別是兩個子模塊的供電裝置輸入電流，并對公式(7)進行變換，得到 公式(2)。
[0028] 與現有技術相比，本發(fā)明具有W下有益的技術效果：
[0029] 本發(fā)明通過對帶負載后的供電裝置進行測試和建模，確定所在MMC系統(tǒng)中串聯子 模塊的額定電壓，并確定子模塊靜態(tài)均壓時的均壓偏差值，利用所得到的數學模型和均壓 偏差值等計算確定出均壓電阻的最優(yōu)設計值。通過供電裝置輸入特性的函數I = f(U)的確 定，確保了在不同均壓偏差值A U下，能夠快速準確的計算出所要設計的均壓電阻的阻值， 靜態(tài)均壓電阻的合理設計，使得柔性直流輸電系統(tǒng)在最初的充電完成到系統(tǒng)解鎖正常工作 之前所有的子模塊可W正常工作，避免了由于電壓不均衡的原因造成供電裝置不能正常工 作，最終造成系統(tǒng)不能正常解鎖運行的結果，采用此靜態(tài)均壓電阻的設計方法，能夠有效提 高系統(tǒng)運行的可靠性，使系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定。
[0030] 進一步地，本發(fā)明中靜態(tài)均壓電阻取Rml和Rm2的最小值，最小值的確定，可W確保 系統(tǒng)在整個運行工況中都能具有良好的靜態(tài)均勻特性。 【【附圖說明】】
[0031 ]圖1是現有MMC的拓撲結構圖；
[0032] 圖2是串聯的兩個子模塊；
[0033] 圖3是單個子模塊的拓撲結構；
[0034] 圖4是本發(fā)明供電裝置輸入特性數據擬合曲線。 【【具體實施方式】】
[0035] 下面結合附圖對本發(fā)明進行說明。
[0036] 本發(fā)明包括如下步驟：
[0037] 步驟1:分析影響靜態(tài)電壓平衡的幾個因素，確定串聯子模塊供電裝置所帶負載之 間的差異是造成電壓不平衡的主要因素；
[0038] 步驟2:對帶負載后的供電裝置進行測量得到它的輸入電壓U和輸入電流I數據；
[0039] 步驟3:對供電裝置的輸入電壓和輸入電流數據進行數據分析和建模，得到關于供 電裝置輸入特性的函數：
[0040] I = f(U) (1)
[0041 ]步驟4:根據標準IEC62501及中國南方電網公司對國內柔性直流輸電系統(tǒng)的設計 要求（國內行業(yè)標準），確定串聯子模塊第一均壓目標值為U '，U ' = kUN，k為系數，Un為串聯子 模塊正常工作時的額定電壓;根據實際情況下柔性直流輸電系統(tǒng)的設計要求，確定串聯子 模塊的最大均壓偏差值A化；
[0042] 步驟5:根據柔性直流輸電系統(tǒng)不控整流充電階段的運行工況，確定串聯子模塊第 二均壓目標值為護，1]"=^帕，山為不控整流的電壓系數，在不控整流充電時，子模塊實際電 壓為系統(tǒng)正常運行子模塊電壓的0.7倍，因此ki通常取0.7;根據電容電壓波動控制量ε的要 求，確定任意兩個串聯子模塊的均壓偏差值A化，Δ化= 2ε?Τ，其中，2是考慮極端情況下串 聯子模塊兩兩之間一個為正的ε，一個為負的ε。
[0043] 步驟6:如圖2所示，先假設兩個串聯子模塊電壓達到平衡，此時有：
[0044] Ici = Ic2,Idi = Id2 (2)
[0045] 根據公式(1)和公式(2)得到：
[0046] Idi = f(Uci) Jd2 = f(Uc2) (3)
[0047] 由于子模塊之間為串聯關系，同時考慮供電裝置及其所帶負載之間的差異性可 知，當串聯子模塊總電壓不變時，若化1增大，則1]。2減小;結合步驟4和步驟5得到：
[004引 當 Uci = U0+AU (4)，現JUc2 = U0-AU (5)；
[0049]對串聯子模塊之間的電壓電流關系進行分析可得W下公式(6):
[(K)加]
[0051 ] 其中，當考慮步驟4條件時，U〇 = U'，Δυ= Δ化，Ici和Ic2是最大均壓偏差值A化所 對應的兩個串聯子模塊的充電電流，Ucl和化2分別是該兩個串聯子模塊的電容電壓，Idl和Id2 分別是該兩個子模塊的供電裝置輸入電流，R是所設計的串聯子模塊的靜態(tài)均壓電阻。 [0化2]當考慮步驟5要求時，υ〇 = υ"，Δυ= Δ化，Ici和Ic2是滿足步驟5條件的任意兩個串 聯子模塊的充電電流，Ucl和Uc2分別是該兩個串聯子模塊的電容電壓，Idl和分別是該兩個 子模塊的供電裝置輸入電流，R是所設計的串聯子模塊的靜態(tài)均壓電阻。
[0053] 對公式(6)進行變換，得到串聯子模塊的靜態(tài)均壓電阻的計算公式(7):
[0054]
(7)。
[0化5] 當化= U'，Δυ= Δ化時，上式可變?yōu)楣?8):
[0056]
(8)。
[0化7] 當化=lf，Δυ= Δ化時，上式可變?yōu)楣?9):
[005引
（9)。
[0059] 貝 IJ:
[0060] R=min(Rmi，Rm2) (10)。
[0061] 本發(fā)明通過對影響串聯子模塊靜態(tài)均壓原因的分析，確定