柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法
【专利说明】柔性直流输电系统串联子模块静态均压电阻设计方法 【技术领域】
[0001] 本发明设及柔性直流输电领域，具体设及柔性直流输电系统串联子模块静态均压 电阻设计方法。 【【背景技术】】
[0002] 随着大功率电力电子技术的发展，IGBTJGCT等电力电子器件在直流输电系统中 的应用越来越广泛，特别是W全控型电力电子器件为主要开关器件的柔性直流输电系统已 经成为国内外相关企业和高校研究的主流。所谓柔性直流输电（VSC-HVDC)，就是基于电压 源换流器(VSC)、可关断器件和脉宽调制技术(PWM)的新型直流输电技术，其拓扑结构可分 为两电平拓扑结构、Ξ电平拓扑结构和MMC(Modular Multilevel Converter，即模块化多 电平换流器)拓扑结构等。其中，MMC拓扑结构因具备开关频率低、损耗小等优点，已被广泛 应用于直流输电系统。目前，用于构成MMC拓扑结构的子模块主要有H-MMC(半桥子模块）、F-MMC(全桥子模块)和C-MMC(巧位双子模块)Ξ种。其中，半桥子模块因具有结构简单、功率器 件少、控制算法易于实现、损耗小和系统效率高等优势在采用MMC拓扑结构的换流器中得到 广泛应用。从宏观上看MMC的系统拓扑结构与传统的^相巧乔相似，但是，在MMC的拓扑中，其 每一相都有很多个功率模块串联组成，且每一功率模块皆由核屯、开关器件（IGBT)、模块电 容、旁路开关、旁路晶闽管、均压电阻及供电装置组成。系统如图1所示。
[0003] 虽然MMC的拓扑结构有较强的实用性和优点，然而，由于其每一相都由很多个功率 模块串联组成且模块均压电阻设计不合理的原因，造成系统中的功率模块在系统充电完成 后，到系统正常工作前的模块均压阶段出现电容电压不均衡，随着时间的积累，在一定时间 内会造成功率模块电容电压过低，使得供电装置不能够正常工作，最终造成柔性直流输电 系统不能够正常启动。 【
【发明内容】
】
[0004] 为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种柔性直流输电系 统串联子模块静态均压电阻设计方法，使得柔性直流输电系统在最初的充电完成到系统解 锁正常工作之前所有的子模块可W正常工作，避免电压不均衡造成供电装置不能正常工 作。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 包括如下步骤：
[0007] 步骤1:对带负载后的供电装置进行测量得到输入电压U和输入电流I;
[0008] 步骤2:对供电装置的输入电压和输入电流进行数据分析建模，得到关于供电装置 输入特性的函数：
[0009] I = f(U) (1)；
[0010] 步骤3:确定串联子模块均压目标值为Uo;确定串联子模块的均压偏差值Δυ;
[0011] 步骤4:得到串联子模块的静态均压电阻的计算公式：
[0012]
(2)。
[001引进一步地，步骤3中，均压目标值Uo包括串联子模块的第一均压目标值IT和第二均 压目标值U"，均压偏差值Δ U包括串联子模块的最大均压偏差值Δ化和任意两个串联子模 块的均压偏差值A化，其中：护是根据IEC62501标准确定的;U"是根据柔性直流输电系统不 控整流充电阶段的运行工况确定的，A化是根据电容电压波动控制量ε的要求确定的；
[0014] 当U〇 = U'时，Δυ= AUi，此时步骤4中的R=Rmi;当Uo = lf时，Δυ= AU2,此时步骤4 中的R = Rm2 ;静态均压电阻取值范围为Rml~Rm2。
[001引进一步地，静态均压电阻取Rmi和Rm2的最小值。
[0016]进一步地，第一均压目标值U'=kUN，k为系数，Un为串联子模块正常工作时的额定 电压。
[0017]进一步地，第二均压目标值U" =kiUN，ki为不控整流的电压系数。
[0018] 进一步地，任意两个串联子模块的均压偏差值Δ化= 2ε?Γ。
[0019] 进一步地，步骤4中，先假设两个串联子模块电压达到平衡，此时有：
[0020] Ici = Ic2，Idi = Id2 (3)；
[0021] 根据公式(1)和公式(3)得到：
[0022] Idi = f(Uci) Jd2 = f(Uc2) (4)；
[0023] 当串联子模块总电压不变时，若化1增大，则11。2减小;结合步骤3得到：
[0024] 当 Uci = Uo+AU (5)，贝 iJUc2 = U〇-AU (6)；
[0025] 对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得W下公式(7):
[0026]
[0027] 其中，Icl和Ic2分别是两个串联子模块的充电电流，Ucl和化2分别是两个串联子模块 的电容电压，Idi和Id2分别是两个子模块的供电装置输入电流，并对公式(7)进行变换，得到 公式(2)。
[0028] 与现有技术相比，本发明具有W下有益的技术效果：
[0029] 本发明通过对带负载后的供电装置进行测试和建模，确定所在MMC系统中串联子 模块的额定电压，并确定子模块静态均压时的均压偏差值，利用所得到的数学模型和均压 偏差值等计算确定出均压电阻的最优设计值。通过供电装置输入特性的函数I = f(U)的确 定，确保了在不同均压偏差值A U下，能够快速准确的计算出所要设计的均压电阻的阻值， 静态均压电阻的合理设计，使得柔性直流输电系统在最初的充电完成到系统解锁正常工作 之前所有的子模块可W正常工作，避免了由于电压不均衡的原因造成供电装置不能正常工 作，最终造成系统不能正常解锁运行的结果，采用此静态均压电阻的设计方法，能够有效提 高系统运行的可靠性，使系统的运行更加稳定。
[0030] 进一步地，本发明中静态均压电阻取Rml和Rm2的最小值，最小值的确定，可W确保 系统在整个运行工况中都能具有良好的静态均匀特性。 【【附图说明】】
[0031 ]图1是现有MMC的拓扑结构图；
[0032] 图2是串联的两个子模块；
[0033] 图3是单个子模块的拓扑结构；
[0034] 图4是本发明供电装置输入特性数据拟合曲线。 【【具体实施方式】】
[0035] 下面结合附图对本发明进行说明。
[0036] 本发明包括如下步骤：
[0037] 步骤1:分析影响静态电压平衡的几个因素，确定串联子模块供电装置所带负载之 间的差异是造成电压不平衡的主要因素；
[0038] 步骤2:对带负载后的供电装置进行测量得到它的输入电压U和输入电流I数据；
[0039] 步骤3:对供电装置的输入电压和输入电流数据进行数据分析和建模，得到关于供 电装置输入特性的函数：
[0040] I = f(U) (1)
[0041 ]步骤4:根据标准IEC62501及中国南方电网公司对国内柔性直流输电系统的设计 要求（国内行业标准），确定串联子模块第一均压目标值为U '，U ' = kUN，k为系数，Un为串联子 模块正常工作时的额定电压;根据实际情况下柔性直流输电系统的设计要求，确定串联子 模块的最大均压偏差值A化；
[0042] 步骤5:根据柔性直流输电系统不控整流充电阶段的运行工况，确定串联子模块第 二均压目标值为护，1]"=^帕，山为不控整流的电压系数，在不控整流充电时，子模块实际电 压为系统正常运行子模块电压的0.7倍，因此ki通常取0.7;根据电容电压波动控制量ε的要 求，确定任意两个串联子模块的均压偏差值A化，Δ化= 2ε?Τ，其中，2是考虑极端情况下串 联子模块两两之间一个为正的ε，一个为负的ε。
[0043] 步骤6:如图2所示，先假设两个串联子模块电压达到平衡，此时有：
[0044] Ici = Ic2,Idi = Id2 (2)
[0045] 根据公式(1)和公式(2)得到：
[0046] Idi = f(Uci) Jd2 = f(Uc2) (3)
[0047] 由于子模块之间为串联关系，同时考虑供电装置及其所带负载之间的差异性可 知，当串联子模块总电压不变时，若化1增大，则1]。2减小;结合步骤4和步骤5得到：
[004引 当 Uci = U0+AU (4)，现JUc2 = U0-AU (5)；
[0049]对串联子模块之间的电压电流关系进行分析可得W下公式(6):
[(K)加]
[0051 ] 其中，当考虑步骤4条件时，U〇 = U'，Δυ= Δ化，Ici和Ic2是最大均压偏差值A化所 对应的两个串联子模块的充电电流，Ucl和化2分别是该两个串联子模块的电容电压，Idl和Id2 分别是该两个子模块的供电装置输入电流，R是所设计的串联子模块的静态均压电阻。 [0化2]当考虑步骤5要求时，υ〇 = υ"，Δυ= Δ化，Ici和Ic2是满足步骤5条件的任意两个串 联子模块的充电电流，Ucl和Uc2分别是该两个串联子模块的电容电压，Idl和分别是该两个 子模块的供电装置输入电流，R是所设计的串联子模块的静态均压电阻。
[0053] 对公式(6)进行变换，得到串联子模块的静态均压电阻的计算公式(7):
[0054]
(7)。
[0化5] 当化= U'，Δυ= Δ化时，上式可变为公式(8):
[0056]
(8)。
[0化7] 当化=lf，Δυ= Δ化时，上式可变为公式(9):
[005引
（9)。
[0059] 贝 IJ:
[0060] R=min(Rmi，Rm2) (10)。
[0061] 本发明通过对影响串联子模块静态均压原因的分析，确定