模块化多电平换流器子模块均压电阻参数设计方法与流程

本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块均压电阻参数设计方法。

背景技术：

子模块是基于模块化多电平换流器的柔性直流输电工程的核心器件，其研发与设计水平直接影响柔性直流输电工程的可靠性。子模块主要器件包括igbt、储能电容、二次控制电路、晶闸管、旁路开关、取能电源、均压电阻等。均压电阻并联在储能电源两端，一方面可在换流器启动过程中对各子模块电容进行均压，另一方面在换流器停运后充当电容的放电电阻。均压电阻参数直接影响电容均压效果和放电时间，但目前并没有文献介绍均压电阻的选取原则，因此有必要对均压电阻参数设计提出理论依据和优化策略。

均压电阻的参数设计方法要从其具有的均压和放电两个功能考虑，满足柔性直流输电工程对均压和放电的具体定值要求。现有研究认为均压电阻主要在换流器启动阶段起到均压作用，且由于均压电阻的阻值误差较小，各子模块电压在启动阶段基本一致。例如文献《适用于风电并网的模块化多电平柔性直流启动控制技术》、《模块化多电平式柔性直流输电换流器的预充电控制策略》、《多端柔性直流输电系统的启动控制策略》等在分析换流器启动过程中均认为各子模块电压相等。现有研究认为均压电阻阻值大小对电容均压效果并无较大影响，但根据已投运的南汇、厦门等柔性直流输电工程实际运行数据知：在换流器启动阶段各子模块电容均压效果较差，部分子模块甚至因电压跌落导致反复启停，与现有理论分析结果不符；且根据试验知，均压电阻大小直接影响电容均压效果。目前柔性直流输电工程由于换流器启动时各子模块均压效果较差，设置了“静态直流充电耐受时间”定值用于限制换流器启动时充电时间。在“静态直流充电耐受时间”定值到达前，反复启停的子模块数量不应超过一半。因此需要分析反复启停的子模块数量达到一半所需充电时间与均压电阻的关系，使均压电阻满足“静态直流充电耐受时间”的要求。另一方面，换流器停运后电容通过均压电阻放电，在残留电压低于安全阀值之前换流器阀厅禁止运维人员进入，因此放电时间应满足低于“停运后阀厅门禁系统闭锁时间”定值的要求。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种模块化多电平换流器子模块均压电阻参数设计方法，综合考虑子模块均压和放电两方面的参数要求，为子模块均压电阻参数设计提供理论依据和技术支持。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模块化多电平换流器子模块均压电阻参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：获取子模块的额定工作电压、储能电容容值、取能电源效率、二次控制电路功率的具体数值；

步骤2：根据以上数值，建立子模块启动/关断过程的等效电路；

步骤3：确定换流器启动过程中子模块的初始电压；

步骤4：根据所述等效电路推导启动过程中子模块电容电压变化的数学公式；

步骤5：设置不同均压电阻阻值，计算得到启动过程中子模块反复启停数量达到一半时所需的充电时间；

步骤6：绘制均压电阻阻值与所述充电时间的关系图；

步骤7：根据换流器充电时间保护定值确定均压电阻阻值上限公式1；

步骤8：确定换流器停运过程中子模块的初始电压；

步骤9：根据所述等效电路推导停运过程中子模块电容放电时间的数学公式；

步骤10：设置不同均压电阻阻值，计算得到停运过程中子模块电容的放电时间；

步骤11：绘制均压电阻阻值与所述放电时间的关系图；

步骤12：根据换流器停运后门禁系统闭锁时间保护定值确定均压电阻阻值上限公式2；

步骤13：根据均压电阻阻值上限公式1和均压电阻阻值上限公式2，确定均压电阻上限值；

步骤14：根据均压电阻上限值、子模块的额定工作电压来计算均压电阻功率；

步骤15：根据均压阻值上限值和3倍功率冗余要求选取电阻成品或定制电阻，最终定型均压电阻参数。

进一步的，具体计算过程如下：

获取子模块启动过程时的额定工作电压、储能电容容值、取能电源效率、二次控制电路功率的具体数值后建立换流器第k个子模块启动/关断过程的等效电路，其中取能电源等效电阻为rk、均压电阻阻值为r0、折算后并联在电容两端的电阻阻值为：

式中uck为该子模块的电容电压，rk为折算后并联在电容两端的电阻阻值，n为串联的子模块数量，η为取能电源效率，pk为二次控制电路的功率；

启动过程中由于各子模块串联，流入各子模块的电流ik均等于桥臂电流i，根据基尔霍夫电流定律知：

在t0至t1时间内，子模块电容电压变化量为：

式中c为该子模块电容容值；

由于直流母线电压基本保持不变，各子模块电容电压变化量总和约为零：

以上公式联立可得，

计算得到子模块在t1时刻的电容电压值的计算公式为：

uck(t1)＝uck(t0)+δuck,k＝1,2,...,n

采用叠代求解方式根据计算公式得到各子模块电容电压，在记录各子模块电压变化过程中统计子模块反复启停的数量，当子模块反复启停数量达到一半时记录其充电时间t50％，此时应满足大于“静态直流充电耐受时间”定值的要求；由于均压电阻越大，均压效果越差、充电时间t50％越小，因此可得到均压电阻阻值上限公式1：

tdc＜t50％

式中tdc为“静态直流充电耐受时间”定值，t50％为反复启停的子模块数量所占比例达到50％所需的时间；

在换流器停运过程中，均压电阻可作为电容的放电电阻，放电时间为：

式中u0为子模块的额定工作电压，uoff为子模块安全电压阀值；

放电时间应满足在门禁系统闭锁时间内电容应放电完毕的条件，由于均压电阻越大，放电时间越长，因此可得到均压电阻阻值上限公式2：

式中toff为“停运后阀厅门禁系统闭锁时间”定值；

根据均压电阻阻值上限公式1和公式2，确定均压电阻上限值；同时根据均压电阻上限值、子模块的额定工作电压来计算均压电阻功率；根据均压阻值上限值和3倍功率冗余要求选取电阻成品或定制电阻，最终定型均压电阻参数。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明综合考虑子模块均压和放电两个方面的参数要求，一方面分析反复启停的子模块数量达到一半所需充电时间与均压电阻的关系，通过本发明的设计方法使均压电阻满足“静态直流充电耐受时间”定值的要求，另一方面换流器停运后电容通过均压电阻放电，通过本发明的设计方法使其放电时间满足低于“停运后阀厅门禁系统闭锁时间”定值的要求。通过本发明为子模块均压电阻参数设计提供理论依据和技术支持，弥补了均压电阻参数设计方法缺失的空白。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是子模块启动/关断过程的电路模型。

图3是图2的等效电路图。

图4是启动过程过程中子模块反复启停数量达到一半时所需充电时间与均压电阻的关系。

图5是停运过程中放电时间与均压电阻的关系。

图6是均压电阻参数定型过程。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

请参照图1，本发明提供一种模块化多电平换流器子模块均压电阻参数设计方法，包括以下步骤：

步骤1：实际测量或根据子模块出厂报告获取子模块的额定工作电压、储能电容容值、取能电源效率、二次控制电路功率等参数的具体数值；

步骤2：根据以上参数数值，建立子模块启动/关断过程的等效电路；

步骤3：确定换流器启动过程中子模块的初始电压；

步骤4：根据所述等效电路推导启动过程中子模块电容电压变化的数学公式；

步骤5：设置不同均压电阻阻值，计算得到启动过程中子模块反复启停数量达到一半时所需的充电时间；

步骤6：绘制均压电阻阻值与所述充电时间的关系图；

步骤7：根据换流器充电时间保护定值确定均压电阻阻值上限公式1；

步骤8：确定换流器停运过程中子模块的初始电压；

步骤9：根据所述等效电路推导停运过程中子模块电容放电时间的数学公式；

步骤10：设置不同均压电阻阻值，计算得到停运过程中子模块电容的放电时间；

步骤11：绘制均压电阻阻值与所述放电时间的关系图；

步骤12：根据换流器停运后门禁系统闭锁时间保护定值确定均压电阻阻值上限公式2；

步骤13：根据均压电阻阻值上限公式1和均压电阻阻值上限公式2，确定均压电阻上限值；

步骤14：根据均压电阻上限值、子模块的额定工作电压来计算均压电阻功率；

步骤15：根据均压阻值上限值和3倍功率冗余要求选取电阻成品或定制电阻，最终定型均压电阻参数。

进一步的，具体计算过程如下：

请结合图2和图3，获取子模块启动过程时的额定工作电压、储能电容容值、取能电源效率、二次控制电路功率的具体数值后建立换流器第k个子模块启动/关断过程的等效电路。此等效电路适用于换流器启动或关断过程，不适用于其他状态。其中取能电源等效电阻为rk、均压电阻阻值为r0、折算后并联在电容两端的电阻阻值为：

式中uck为该子模块的电容电压，rk为折算后并联在电容两端的电阻阻值，n为串联的子模块数量，η为取能电源效率，pk为二次控制电路的功率；

启动过程中由于各子模块串联，流入各子模块的电流ik均等于桥臂电流i，根据基尔霍夫电流定律知：

在t0至t1时间内，子模块电容电压变化量为：

式中c为该子模块电容容值；

由于直流母线电压基本保持不变，各子模块电容电压变化量总和约为零：

以上公式联立可得，

计算得到子模块在t1时刻的电容电压值的计算公式为：

uck(t1)＝uck(t0)+δuck,k＝1,2,...,n

采用叠代求解方式根据计算公式得到各子模块电容电压，在记录各子模块电压变化过程中统计子模块反复启停的数量，当处于反复启停状态的子模块数量过多时，一方面使此部分子模块取能电源容易因反复启停产生的过电压或过电流导致故障，另一方面使剩余子模块因电压过高产生过压故障。因此处于反复启停状态的子模块所占比例不应超过50％。目前柔性直流输电工程由于换流器启动时各子模块均压效果较差，设置了“静态直流充电耐受时间”定值用于限制换流器启动时充电时间。

设置不同的均压电阻阻值，并在子模块反复启停数量达到一半时记录其充电时间t50％，充电时间t50％与均压电阻的关系如图4所示，可见均压电阻越大，均压效果越差、充电时间t50％越小，由于充电时间t50％应满足大于“静态直流充电耐受时间”定值的要求，因此可得到均压电阻阻值上限公式1：

tdc＜t50％

式中tdc为“静态直流充电耐受时间”定值，t50％为反复启停的子模块数量所占比例达到50％所需的时间；

在换流器停运过程中，均压电阻可作为电容的放电电阻，放电时间为：

式中u0为子模块的额定工作电压，uoff为子模块安全电压阀值；

设置不同的均压电阻阻值，在子模块电压低于安全电压阀值时记录其放电时间t，此放电时间与均压电阻的关系如图5所示，可见均压电阻越大，放电时间越长。放电时间应满足在门禁系统闭锁时间内电容应放电完毕的条件，由于均压电阻越大，放电时间越长，因此可得到均压电阻阻值上限公式2：

式中toff为“停运后阀厅门禁系统闭锁时间”定值；

获得均压电阻阻值上限公式1和公式2后，需对均压电阻具体参数进行定型，定型过程如图6所示。首先根据均压电阻阻值上限公式1和公式2，确定均压电阻上限值；同时根据均压电阻上限值、子模块的额定工作电压来计算均压电阻功率；根据均压阻值上限值和3倍功率冗余要求选取电阻成品或定制电阻，最终定型均压电阻参数。此外，考虑的各子模块参数设计一致性的要求，均压电阻的误差可选取低于1％；最终定型均压电阻功率、阻值、误差、加工方式等参数。

本发明提出的模块化多电平换流器子模块均压电阻参数设计方法，综合考虑子模块均压和放电两个方面的参数要求，通过本发明的设计方法使均压电阻同时满足“静态直流充电耐受时间”定值、“停运后阀厅门禁系统闭锁时间”定值的要求，通过本发明最终定型均压电阻功率、阻值、误差、加工方式等参数，为子模块均压电阻参数设计提供理论依据和技术支持，弥补了均压电阻参数设计方法缺失的空白。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。