一种混合双子模块MMC均压控制方法及装置与流程

本发明属于电力系统柔性直流输电技术领域，具体涉及一种混合双子模块MMC均压控制方法及装置。

背景技术：

直流短路故障是MMC-HVDC系统最为常见的一种故障，基于半桥式子模块的MMC换流器，如图1-a所示，在直流双极短路故障时无法通过闭锁子模块IGBT来切断交流系统向直流短路点的馈能回路，必须快速跳开交流断路器或直流隔离开关以清除故障电流，这不仅增加了系统成本，提高了对设备的技术要求，同时也降低了系统投运率，减慢了故障恢复速度。

目前工程上大多采用制造难度大、成本高的直流电缆敷设线路以降低直流故障发生率，但并不能从根本解决半桥式MMC换流器对直流故障的处理失效问题。鉴于此，通过换流器自身控制实现故障电流自清除成为一种最经济有效的方法，也使得寻找具有直流故障穿越能力的换流器拓扑成为研究趋势。

目前具有直流故障自清除能力的MMC子模块拓扑有全桥子模块、钳位双子模块等，分别如图1-b、图1-c所示。其中，全桥子模块式MMC使用功率器件多，初期投资成本和系统运行损耗很大；而钳位双子模块式MMC不能输出负电平，不具备不闭锁STATCOM运行故障穿越能力，切不具备提升系统容量的能力。

鉴于上述两种子模块各自的缺点，申请公布号为CN104993716A的中国专利文件提出一种混合双子模块，如图2所示，其兼具上述两者的优势，投资成本相对较低，同时具备闭锁故障穿越能力和STATCOM运行故障穿越能力，负电平输出方式可以提高系统调制度，并进而提升系统容量。但常规MMC系统的均压控制策略不能满足其均压要求，因此亟需提出一种适用于混合双子模块MMC的系统均压控制策略。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种混合双子模块MMC均压控制方法及装置，以同时实现适用于混合双子模块的模块内和模块间的均压控制。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

本发明提供一种混合双子模块MMC均压控制方法，对于任一个桥臂，根据桥臂电流方向、整个桥臂的模块内电压差的总和的正负和投入子模块个数的正负，对每个子模块的综合电压指标进行排序，确定各子模块对应的输出状态；所述综合电压指标与模块内电容电压和、模块内电容电压差有关。

进一步的，当投入子模块个数为正时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权和；当投入子模块个数为负时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权差。

进一步的，一个桥臂包括N个子模块，每个子模块包含2个子单元；

当投入子模块个数为正，调制波需输出M个子单元时，子模块输出状态包括单电容电压、双电容电压和切除：

桥臂电流方向为正时，将综合电压指标最低的N₁个子模块输出单电容电压，电压最高的N₂个子模块切除，其他子模块输出双电容电压；

桥臂电流方向为负时，将综合电压指标最低的N₃个子模块切除，电压最高的N₄个子模块输出单电容电压，其他子模块输出双电容电压；

当投入子模块个数为负时，调制波需输出–M个子单元时，子模块输出状态包括负向电容电压和切除：

桥臂电流方向为正时，将综合电压指标最高的M个子模块输出负向电容电压，其他子模块切除；

桥臂电流方向为负时，将综合电压指标最低的M个子模块输出负向电容电压，其他子模块切除；

其中，N、M、N₁、N₂、N₃和N₄均为自然数。

进一步的，若模块内电容电压差的总和为正，则N₁＝M％2，N₂＝N–N₁–M/2；若M≥N，则N₄＝2N–M，N₃＝0；若M<N，则N₄＝M，N₃＝N–M；

若模块内电容电压差的总和为负，则N₄＝M％2，N₃＝N–N₄–M/2；若M≥N，则N₁＝2N–M，N₂＝0；若M<N，则N₁＝M，N₂＝N–M；其中，％表示取余数操作。

本发明还提供一种混合双子模块MMC均压控制装置，对于任一个桥臂，包括用于根据桥臂电流方向、整个桥臂的模块内电压差的总和的正负和投入子模块个数的正负，对每个子模块的综合电压指标进行排序，确定各子模块对应的输出状态的模块；所述综合电压指标与模块内电容电压和、模块内电容电压差有关。

进一步的，当投入子模块个数为正时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权和；当投入子模块个数为负时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权差。

进一步的，一个桥臂包括N个子模块，每个子模块包含2个子单元：

当投入子模块个数为正，调制波需输出M个子单元时，子模块输出状态包括单电容电压、双电容电压和切除：

桥臂电流方向为正时，将综合电压指标最低的N₁个子模块输出单电容电压，电压最高的N₂个子模块切除，其他子模块输出双电容电压；

桥臂电流方向为负时，将综合电压指标最低的N₃个子模块切除，电压最高的N₄个子模块输出单电容电压，其他子模块输出双电容电压；

当投入子模块个数为负时，调制波需输出–M个子单元时，子模块输出状态包括负向电容电压和切除：

桥臂电流方向为正时，将综合电压指标最高的M个子模块输出负向电容电压，其他子模块切除；

桥臂电流方向为负时，将综合电压指标最低的M个子模块输出负向电容电压，其他子模块切除；

其中，N、M、N₁、N₂、N₃和N₄均为自然数。

进一步的，若模块内电容电压差的总和为正，则N₁＝M％2，N₂＝N–N₁–M/2；若M≥N，则N₄＝2N–M，N₃＝0；若M<N，则N₄＝M，N₃＝N–M；

若模块内电容电压差的总和为负，则N₄＝M％2，N₃＝N–N₄–M/2；若M≥N，则N₁＝2N–M，N₂＝0；若M<N，则N₁＝M，N₂＝N–M；其中，％表示取余数操作。

本发明的有益效果：

本发明针对混合双子模块，该模块能够输出四种电压状态，分别为两倍电容电压、电容电压、零电压和负向电容电压。混合双子模块内部存在两个电容，不能如钳位双子模块一样两个电容器的投入切除控制相互独立，在实现模块间均压的同时，需要实现模块内电压均衡。

本发明基于综合电压指标的模块间排序均压控制，实现了模块内部电容电压均衡和模块之间电容电压均衡的效果。具体调节单电容电压输出子模块个数，达到整个桥臂的模块电压差总和趋近于零的目的，配合基于含子模块内部电压差因素的综合电压指标的模块间排序均压控制，实现任一子模块内部两电容电压均衡的效果。

其中，当投入子模块个数为正时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权叠加；当投入子模块个数为负时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权求差。本发明能够有效地实现桥臂内全部子模块电容电压的均衡，在混合双子模块MMC系统的启动、正常运行、故障穿越等多种工况下均能启到良好的均压效果。

附图说明

图1-a是半桥子模块图；

图1-b是全桥子模块图；

图1-c是钳位双子模块图；

图2是混合双子模块及其组成的换流器图；

图3是混合双子模块的构成图；

图4是系统均压控制框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点及技术方案更加清楚，下面结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。

如图2、图3所示，混合双子模块由4个IGBT和2个模块电容构成。混合双子模块可近似认为由两个半桥单元组合而成。下表为混合双子模块的工作状态。

表1混合双子模块工作状态表

由上表可以看出，混合双子模块能够输出4种电压，分别为双电容电压、单电容电压、零电压和负向电容电压。而且，当投入子模块个数为正时，子模块输出电压对应有当单电容电压、双电容电压和零(即切除)三种状态，当投入子模块个数为负时，子模块输出电压对应有负向电容电压和零(即切除)两种状态。则说明该子模块能够代替2个半桥子模块输出双电容电压的同时，具备全桥子模块的负电压特性，能提高直流电压利用率，提升系统容量。

简言之，混合双子模块仅使用了4个IGBT和2个电容器，即实现了全桥子模块与半桥子模块串联的作用，但后者使用了6个IGBT和2个电容器。混合双子模块MMC与现有各类MMC拓扑相比，兼具器件少、容量高与直流故障穿越功能等多项优势。

混合双子模块内部存在两个电容器，但不能如钳位双子模块一样两个电容器的投入切除控制相互独立。由表1可以看出，当子模块输出单电容电压时，只能选择投入电容C₂，而当子模块输出负向电容电压时，只能选择反向投入电容C₁。

当桥臂电流方向不变的时间段内，两个电容电压差将逐步增大。如当桥臂电流方向为正时，则正向投入电容C₂将导致电容电压增大，反向投入电容C₁将导致电容电压减小，其他状态下两个电容变化一致。当桥臂电流方向为负时，则正向投入电容C₂将导致电容电压减小，反相投入电容C₁将导致电容电压增大。该时间段内，两电容电压差将逐步增大。

这就要求混合双子模块MMC换流器系统均压控制策略需要同时考虑子模块间和子模块内部的电容电压均压问题。

图4给出了系统均压控制框图，该系统均压控制策略通过两个控制手段，实现了模块内部电容均压和模块之间电容均压两个控制目的。两个控制手段分别为控制不同电压输出状态的子模块个数和采用模块综合电压指标进行模块间排序均压控制。

模块内部电容均压通过两方面实现，首先通过控制将整个桥臂的模块内电压差的总和趋近于零，其次控制不同模块的内部电压差均衡。

在确定子单元投入个数时，混合双子模块有两种正向电压输出状态，可以灵活调节不同电压输出的子模块的个数。通过控制单电容电压输出的子模块个数可以实现整个桥臂的模块电压差总和趋近于零。具体如下：

当桥臂电流为正时，电容C₂与C₁的电压差(U_c2-U_c1)将逐步增大。此时，若整个桥臂的模块内电压差的总和为正(Σ(U_c2-U_c1)＞0)，则减少该桥臂内单电容电压输出的子模块个数，令模块内电压差绝对值较慢速度增加，若电压差总和为负(Σ(U_c2-U_c1)＜0)，则增加该桥臂内单电容电压输出的子模块个数，令模块内电压差绝对值逐步减小。当桥臂电流为负时，反之。

使用模块电压差为指标进行模块间排序均压控制，能实现不同模块间内部电压差的均衡，配合整个桥臂的模块内电压差一致，即能达到每个子模块内部电容电压均衡的效果。

模块之间的电容均压，可以使用模块子模块电压为指标进行模块间排序均压控制，从而实现不同模块间电压均衡的效果。

为解决上文模块间排序均压控制采用不同指标的矛盾，本发明基于模块综合电压指标，该综合电压指标与投入子模块个数的正负、以及模块内电容电压和与模块内电容电压差有关。使用该指标进行常规的排序均压控制，配合整个桥臂的模块内电压差一致，能同时保证模块内部两电容电压均衡和不同模块间电容电压均衡。

当投入子模块个数为正时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权和。这是由于桥臂电流为正，投入的模块内电容电压和与模块内电容电压差同时增加，反之同时减小。

当投入子模块个数为负时，综合电压指标为模块内电容电压和与模块内电容电压差的加权差。这是由于桥臂电流为正，投入的模块内电容电压和减小，而电压差增加，反之模块内电容电压和增大，电压差减小。

最后根据桥臂电流方向和投入子模块个数的正负状态，结合上述得到的不同电压输出状态的子模块数，对排序后综合电压指标最高、中间、最低的子模块分别匹配不同的电压输出状态。具体的：

当投入子模块数为正，桥臂电流方向为正时，按综合电压指标进行排序，电压最低的子模块输出单电容电压，电压最高的子模块切除，其他子模块输出双电容电压。

当投入子模块数为正，桥臂电流方向为负时，按综合电压指标进行排序，电压最高的子模块输出单电容电压，电压最低的子模块切除，其他子模块输出双电容电压。

当投入子模块数为负，桥臂电流方向为正时，按综合电压指标进行排序，电压最高的子模块负投入，其他子模块切除。

当投入子模块数为负，桥臂电流方向为负时，按综合电压指标进行排序，电压最低的子模块负投入，其他子模块切除。

上述各状态子模块个数由以下方案决定：

假定单桥臂含N个子模块，每个子模块包括共2个子单元。可按照下述方案来确定具体切除和输出个数，但是该方案并不是唯一的，可根据实际进行改变和调节。

当投入子模块个数为正，调制波需输出M个子单元，桥臂电流方向为正时，综合电压指标最低的N₁个子模块输出单电容电压，电压最高的N₂个子模块切除，其他子模块输出双电容电压；桥臂电流方向为负时，将综合电压指标最低的N₃个子模块切除，电压最高的N₄个子模块输出单电容电压，其他子模块输出双电容电压。

若桥臂内单电容电压输出子模块个数尽量少时，单电容电压输出子模块个数为M％2(M除以2的余数)，双电容电压输出子模块个数为M/2，其他子模块切除；若桥臂内单电容电压输出子模块个数尽量多时，若M≥N，则单电容电压输出子模块个数为2N–M，双电容电压输出子模块个数为M–N；若M<N，则单电容电压输出子模块个数为M，双电容电压输出子模块个数为0，其他子模块切除。即：

若模块内电容电压差的总和为正，当桥臂电流方向为正时，则N₁＝M％2，N₂＝N–N₁–M/2；当桥臂电流方向为负时，若M≥N，则N₄＝2N–M，N₃＝0；若M<N，则N₄＝M，N₃＝N–M；

若模块内电容电压差的总和为负，当桥臂电流方向为正时，则N₄＝M％2，N₃＝N–N₄–M/2；当桥臂电流方向为负时，若M≥N，则N₁＝2N–M，N₂＝0；若M<N，则N₁＝M，N₂＝N–M；其中，％表示取余数操作。

当投入子模块个数为负，调制波需输出–M个子单元时，负投入的子模块(输出负电压)的子模块个数为M，切除的子模块个数为N–M。

以单桥臂10个混合双子模块为例，当调制波需要输出8个子单元时，若单桥臂模块内电压差的总和与桥臂电流符号为相同时，尽量减少单电容电压输出的子模块，此时可设置4个双电容电压输出子模块，不设置单电容电压输出子模块。当调制波需要输出15个子单元时，若单桥臂模块内电压差的总和与桥臂电流符号相反时，尽量增加单电容电压输出的子模块，此时可设置5个双电容电压输出子模块，设置5个单电容电压输出子模块。

以单桥臂10个混合双子模块为例，无论电流方向如何，若调制波需要输出-3个子单元时，则负投入3个子模块，切除7个子模块。

另外，本发明还提供一种混合双子模块MMC均压控制装置，对于任一个桥臂，包括用于根据桥臂电流方向、整个桥臂的模块内电压差的总和的正负和投入子模块个数的正负，对每个子模块的综合电压指标进行排序，确定各子模块对应的输出状态的模块；所述综合电压指标与模块内电容电压和与模块内电容电压差有关。

该装置实际上是基于本发明方法流程的一种计算机解决方案，即一种软件构架，上述模块即为与方法流程相对应的各处理进程或程序。由于对上述方法的介绍已经足够清楚完整，故对该装置不再进行详细描述。