专利名称：一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法
技术领域：
本发明属于输配电领域，尤其涉及一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法。
背景技术：
随着电力系统对大容量、远距离功率传输的要求提升以及电力电子技术的发展，基于电压源换流器VSC (Voltage Source Converter)的柔性直流输电系统VSC-HVDC(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current)被广泛应用于输配电领域。柔性直流输电系统VSC-HVDC的核心是基于电压源换流器VSC的换流站，而相电抗器是换流站的一个关键器件，是换流器与交流系统之间功率传输的纽带，起到控制功率传输、滤波和抑制短路电流的作用。因此，对VSC-HVDC的相电抗器的参数设计具有重大意义。 传统两电平电压源换流器具有开关频率高、输出电压谐波大以及串联IGBT器件需动态均压等问题。由德国学者于2001年提出的模块化多电平换流器MMC (ModularMultilevel Converter)提供了另外一种实现方案。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电MMC-HVDC是新一代多电平电压源换流器直流输电拓扑，它利用多个子模块串联，具有输出波形谐波含量少、开关频率低、损耗小、扩展性强等特点，近年来在柔性直流输电工程领域受到广泛关注且逐步得到应用。由于MMC的特殊结构，其电抗器分布在上下桥臂，因而对MMC的桥臂电抗器的设计方法也相应被提上案头。目前，国内外学者已对模块化多电平换流器MMC展开了深入的研究，如在动态建模、控制策略、故障分析及保护策略等方面已开展了一些研究，但很少有文献专门涉及主回路参数的选取和设计。桥臂电抗器是模块化多电平换流器MMC直流输电系统的关键器件，其参数直接影响着控制器的参数，并制约着控制系统的性能。目前的电抗器参数设计只是针对两电平换流器，尚没有文献对模块化多电平换流器MMC的桥臂电抗器进行设计的方案，所以，随着工程实际的广泛应用，针对模块化多电平换流器MMC桥臂电抗器设计方法作深入研究有着迫切的需求性和必要性。由于太大的电抗器值会增加模块化多电平换流器MMC不必要的成本，太小则难以满足抑制谐波的需求，所以，其电抗器值的选择是一个重要的问题。
发明内容
针对模块化多电平换流器MMC桥臂电抗器设计方法作深入研究，本发明提出了一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法。一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法，具体包括以下步骤步骤I :将模块化多电平换流器MMC上下桥臂电抗器的电抗值和变压器电抗等效为一个总的等效电抗值L ;步骤2 :以交流侧电流波动不超过交流侧额定相电流的设定比例为目标，建立关于等效电抗值L方程，求解得出等效电抗器值L的下限Lmin ；步骤3 :对所用换流变压器电抗LT进行合理取值，并将等效电抗值L还原为上下桥臂电抗值，进而得到MMC上下桥臂电抗器值的下限值山_=2 (Lfflin-L1)。步骤I中，得到总的等效电抗值的具体过程为首先，给出模块化多电平换流器MMC直流输电系统交流侧和直流侧数学模型的参数，Usa, Usb, Usc分别为变压器副边三相的交流电压值，isa、isb、isc分别为变压器副边三相的交流电流值；u为MMC桥臂电抗器值；ipa、ipb、ipc分别为MMC三相上桥臂直流电流，ina、inb、inc分别为MMC三相下桥臂直流电流，upa, upb, Upc分别为模块化多电平换流器MMC三相上桥臂电压，una, unb, Unc分别为模块化多电平换流器MMC三相下桥臂电压；id。为模块化多电平换流器MMC注入直流系统的直流侧电流，Udc为直流母线电压，U0为每个子模块的平均电容电压值；nsm为任意时刻某相上下桥臂总共开通的子模块个数，npa为任意时刻某相上桥臂开 通的子模块个数，nna为任意时刻某相下桥臂开通的子模块个数。所有分析均以整流侧为例，逆变侧的分析与整流侧分析基本相同。在同步旋转坐标系下，上、下桥臂电压与直流电压之间的关系式如式(I) (3)。nsm=npa+nna(I)Udc=HsfflXU0(2)
_5] Udc=upa+una(3)公式(4) (5)为忽略了换流器环流电压Au后，A与A'的电压关系式。
Um= -U +-^-<JJ1(4)
UA~N = ^na — ~uA,N = Udc - Upa= -Upa + = uAN( 5 )式中uN、uA, N分别为模块化多电平换流器MMC直流输电系统换流器A相出口侧上下桥臂的输出电压。所以，A与A'为等位点，在电路中两点可以合并，上下桥臂的电抗器Ltl
可以并联等效为于是，将变压器的电抗器值Lt、L'两者相加，得到等效相电抗器
Lj — Lj. + Z/' = Lj. + — Lq O模块化多电平换流器MMC子模块开关函数模型为
TlJm, r2关断，了模块输出电压为f/e{^o=S,,M=0; 7；关断，r2开通，子模块输出电E为0式(6)为子模块开关函数与上、下桥臂电压的关系式。
u ^fs. U0
pajpa 0iJ1(6)
Um ~ S SjnaU0
I爿式中，Sjpa和Sjna分别为a相上桥臂和下桥臂的第j个子模块的开关函数。
步骤2中，以交流侧电流波动不超过交流侧额定相电流的设定比例为目标，建立关于等效电抗值L方程，求解得出等效电抗器值L的下限Lmin的具体过程为对于三相模块化多电平换流器MMC的拓扑结构，a相的电压方程为
权利要求
1.一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法，具体包括以下步骤 步骤I :将模块化多电平换流器MMC上下桥臂电抗器的电抗值和变压器电抗等效为一个总的等效电抗值L ; 步骤2:以交流侧电流波动不超过交流侧额定相电流的设定比例为目标，建立关于等效电抗值L方程，求解得出等效电抗器值L的下限Lmin ； 步骤3 :设定所用换流变压器电抗Lt的值，并将等效电抗值L的下限Lmin还原为上下桥臂电抗值下限。
2.根据权利要求I所述的一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法，其特征在于，对模块化多电平换流器进行等效过程中，上下桥臂电抗器并联等效为
3.根据权利要求I所述一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法，其特征是建立关于等效电抗值L方程，求解等效电抗器值L的下限Lmin的具体过程为 步骤301 :通过三相模块化多电平换流器MMC的拓扑结构，得到a相的电压计算方程
4.根据权利要求3所述一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法，其特征在 于，变压器等效阻抗为
全文摘要
本发明公开了输配电领域的一种模块化多电平换流器桥臂电抗器值的计算方法。其技术方案是，将模块化多电平换流器MMC上下桥臂电抗器的电抗值和变压器电抗等效为一个总的等效电抗值L；以交流侧电流波动不超过交流侧额定相电流的设定比例为目标，反推L的下限值；并将等效电抗值L还原为上下桥臂电抗值。本发明提供了一种有效的、符合工程实际的模块化多电平换流器MMC桥臂电抗器值的计算方法，从而得到模块化多电平换流器MMC合理的主回路参数，使得模块化多电平换流器MMC运行参数满足抑制桥臂谐波电流的需要。
文档编号H02J3/01GK102868162SQ20121033238
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月10日 优先权日2012年9月10日
发明者赵成勇, 胡静, 翟晓萌, 徐洁, 郭春义, 仉雪娜, 窦浩翔 申请人:华北电力大学