一种大容量光储直柔用MMC变流器的损耗均衡控制方法

本发明属于中压电力系统，尤其涉及一种大容量光储直柔用mmc变流器的损耗均衡控制方法。

背景技术：

1、模块化多电平换流器(modular multilevel converter,mmc)具有输出特性好、开关频率低、易于扩展等优点，已在国内外高压直流输电(high voltage direct current,hvdc)领域取得了广泛应用，同时也在直流配电网、光储直柔、机车牵引、船舶电力系统等中压场景具有广阔的应用前景。

2、mmc采用模块级联结构，换流阀内部子模块及电路元器件数量众多。据统计，子模块故障是mmc发生概率最高的故障类型之一。现有mmc-hvdc工程通常在桥臂中设置冗余模块，并配合相应的容错运行控制策略，以实现少量子模块(不超过冗余模块数)故障时自动旁路并维持系统正常运行，避免局部子模块故障导致换流站闭锁甚至整个hvdc系统停运等严重后果。

3、国内外学者针对mmc的子模块冗余配置及控制策略开展了广泛研究。有文献建立了子模块电容电压动态特性分析模型，并提出含冗余子模块的mmc拓扑结构设计方法。有文献在mmc系统可靠性分析的基础上提出了冗余模块配置比例的计算方法；为进一步提升子模块利用率并减少冗余子模块配置数量要求，有文献对现有冗余模块配置方法进行了优化改进，以提升系统经济性。在容错控制方面，基于最近电平逼近调制策略的mmc控制策略较为简单，已在现有mmc-hvdc工程中广泛应用。针对子模块数量相对较少的中压mmc应用场景，有文献提出了一种基于载波相移脉宽调制(carrier phase shift pwm,cps-pwm)的热备用子模块容错控制方法，通过旋转滑动选择框选择工作子模块和相应的相移角，能够实现容错控制的快速平滑切换，但控制算法较为复杂。有文献引入虚拟子模块的概念，将热备用子模块投入循环映射以降低排序算法的计算量，提高了备用子模块的投入速度，但会导致mmc桥臂环流增大。目前，mmc子模块故障旁路和冗余设计的研究已比较成熟。

4、但是，当桥臂出现故障时，子模块旁路将导致mmc故障桥臂中实际参与充放电的直流储能电容数量减少，等值阻抗与其余桥臂阻抗不再相等，进而引起桥臂环流的不均衡分布。有文献通过分析桥臂不对称下的mmc运行特性，指出子模块故障旁路将在桥臂电流中引入基频分量。但这样的操作，将使故障桥臂及同相健全桥臂的运行损耗显著增大，导致开关器件结温升高、疲劳老化加速，甚至诱发剩余子模块相继故障。此外，中低压应用场景下的mmc通常采用cps-pwm、空间矢量调制(space vector modulation,svm)等调制方式，子模块旁路还将导致故障桥臂的剩余子模块平均电容电压升高，进一步加剧损耗不均衡问题。而各桥臂的损耗不平衡，则会使得mmc所在系统的运行可靠性降低。

5、综上，当桥臂出现子模块旁路时，怎样才能有效抑制该桥臂剩余非旁路子模块的电容电压升高，实现故障桥臂剩余子模块损耗平抑，使各桥臂损耗功率趋于均衡，从而提升系统运行的可靠性，成为目前亟待解决的问题。

技术实现思路

1、针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种大容量光储直柔用mmc变流器的损耗均衡控制方法，能够在桥臂出现子模块旁路时，有效抑制该桥臂剩余非旁路子模块的电容电压升高，实现故障桥臂剩余子模块损耗平抑，使各桥臂损耗功率趋于均衡，提升系统运行的可靠性。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

3、一种大容量光储直柔用mmc变流器的损耗均衡控制方法，所述mmc的换流阀包括a、b、c三相，三相均包括上桥臂p和下桥臂n；每个桥臂均包括多个子模块；所述子模块均为半桥子模块hbsm；

4、方法包括以下步骤：

5、s1、将传统零序电压作为零序分量注入各桥臂参考电压中；

6、s2、将0作为二倍频环流pr调节器输入量，在mmc各桥臂参考电压中注入二倍频环流抑制补偿量δucir,i；

7、s3、基于二倍频环流抑制补偿量δucir,i注入后的桥臂参考电压波形，对各完整基频周期内的零序电压注入量进行移相；

8、s4、移相完成后，比较桥臂中各子模块的最终调制波与三角载波的大小，并根据比较结果生成该时刻该子模块是否接入电路的触发信号；

9、s5、执行触发信号。

10、优选地，s1中，所述传统零序电压为：

11、

12、式中，m为调制比，udc为直流电压，ω为基频角频率。

13、优选地，s3中，通过相同的方式，对各桥臂的各完整基频周期内的零序电压注入量进行移相；其中，a相上桥臂各完整基频周期内零序电压注入量的移相过程包括：

14、在各完整基频周期内，基于基频与二倍频补偿量δucir,i注入后桥臂参考电压波形，获取该参考电压波形的两个峰值点及并通过两个峰值点计算两峰之间的桥臂参考电压差δua,ref；

15、对传统零序电压波形进行水平相移，当相角值等于时，计算移相后零序电压值u0,a,1与传统零序电压值u0,a,1*之差δu0,a,ref；

16、将δu0,a,ref与δua,ref/2进行比较，若两者之间的误差小于等于预设的相移误差δ，则将此时的水平相移角作为零序电压注入量的相移角并得到对应的移相后的零序电压。

17、优选地，s3中，将δu0,a,ref与δua,ref/2进行比较时，若两者之间的误差大于预设的相移误差δ，则按最小相移单位对传统零序电压波形逐次进行水平相移，逐次增加相角值，直到δu0,a,ref与δua,ref/2之间的误差小于等于δ后，将对应的水平相移角作为零序电压注入量的相移角并得到对应的移相后的零序电压。

18、优选地，s3中，a相上桥臂的移相后的零序电压为：

19、

20、优选地，s4中，所述最终调制波的计算式为：

21、

22、式中，udc为直流电压，ui,ref为交流参考电压，ui,j,bv为均压控制补偿量；u0,i,ref为移相后的零序电压，i为a相、b相或c相，j为上桥臂p或下桥臂n。

23、优选地，s4中，若一个子模块的最终调制波大于等于该子模块的三角波，则对应的触发信号为该子模块接入电路；若一个子模块的最终调制波小于该子模块的三角波，则对应的触发信号为该子模块不接入电路。

24、优选地，s4中，子模块的载波移相角为2π/[(1-ηi,j)n]，式中，ηi,j为对应桥臂中旁路子模块占比，n为桥臂子模块个数。

25、优选地，所述大容量光储直柔用mmc变流器的损耗均衡控制方法的使用对象为，中低压场景下采用cps-pwm调制的mmc。

26、本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

27、1、子模块故障是cps-pwm调制下大容量光储直柔用mmc变流器的常见故障类型，故障子模块旁路后，各桥臂处于不对称运行状态，将导致故障桥臂剩余子模块电容电压平均值升高，同时影响通态损耗和开关损耗。本方法的发明人在详细分析子模块旁路下大容量光储直柔用mmc变流器的损耗分布特性后，提出了一种换流阀损耗均衡控制策略：通过注入零序电压以提升直流电压利用率并降低桥臂电压峰值，解决了现有方法未考虑子模块旁路下基于cps-pwm调制的mmc故障桥臂剩余子模块平均电容电压升高的问题。

28、综上，使用本方法，能够在桥臂出现子模块旁路时，有效抑制该桥臂剩余非旁路子模块的电容电压升高，实现故障桥臂剩余子模块损耗平抑，使各桥臂损耗功率趋于均衡，提升系统运行的可靠性。

29、2、考虑到环流抑制补偿量将改变桥臂参考电压波形，传统零序电压注入后为不均衡马鞍波形，不能实现桥臂参考电压峰值最低，从而最大程度抑制电容电压升高。本方法会基于二倍频补偿量δucir,i注入后的桥臂参考电压波形对各完整基频周期内的零序电压注入量进行移相，使桥臂参考电压峰值最低，从而最大程度抑制电容电压升高，实现故障桥臂剩余子模块损耗平抑，从而使各桥臂损耗功率趋于均衡，从而提升系统运行可靠性。

30、3、本方法对各桥臂的各完整基频周期内的零序电压注入量进行移相时，所采用的方法简单易行，且移相的分析基础为二倍频补偿量δucir,i注入后的桥臂参考电压的波形(不均衡马鞍波形的两个峰值点)，能够同时兼顾便捷性和控制效果。

31、4、本方法在不同运行工况下均可以使用，使用范围广。并且，本发明中给出了最佳的使用场景，即中低压场景下采用cps-pwm调制的mmc，便于本领域技术人员实际使用。除此，也适用于其他使用场景下采用其他调制策略的mmc。