一种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子及用户电力领域，具体涉及一种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法。
【背景技术】
[0002](I)相对于传统的柔性直流输电系统(基于IGBT串联技术)，基于模块化多电平换流器(modular multilevel converter, MMC )的柔性直流输电系统因其结构简单，易于工程实施等特点在近年来引起了国内外专家学者的广泛关注。
(2)目前，制约MMC广泛应用的主要因素之一是该换流器相较于传统直流换流阀损耗较大，其损耗大的主要原因在于MMC的IGBT开关频率较高，而且随着电压等级的提高，子模块数的大幅增加，功耗也会越大，影响换流站的效率，因此有必要研究降低开关频率的方法，以降低换流站的功耗。
(3)在针对模块化多电平换利器的降频技术的研究过程中，很多研究人员指出了降低开关频率的方法，管敏渊，徐政等人在子模块额定电容电压附近设了一组上下限，将均压算法的重点放到了超越上下限的子模块上，通过对那些越限且在上一时刻投入或切除的子模块的电容电压，乘以一个保持因子，通过调节保持因子的大小可以有效的控制子模块的投切时间，从而降低开关频率。孙世贤，田杰等人对NLM调制算法进行了改变，其基本原理是将调制波与上一时刻得到投入的模块数相减，当差值的绝对值大于设定值A(0 ^ 0.5)时，当前投入的模块数就会相应的改变:或为高于调制波的整数，或为低于调制波的整数。合理的控制调节值A就可以很好的控制开关频率。第一种方法的保持因子需要根据不同工况做大量实验才能确定，并不好调节，第二种方法类似于SPWM，工程上一般都是很高的电压等级，所以NLM算法已经足够。
(4)本发明根据电容电压波动与投切频率的关系，设计了一种有效的IGBT降频方法一一电容电压阈值降频法，该方法可以通过设置电容电压阈值有效的降低开关频率，将开关频率控制在50-150HZ之间，极大降低了子模块的开关损耗。
【发明内容】
[0003](I)本发明提供了一种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法，该降频方法通过判断同一时刻下两种不同投切策略所得到的电容电压和的差值大小，如果在阈值范围之内则采用低频的投切策略，如果在阈值范围之外则采用高频的投切策略。这样可以有效减少IGBT的开关频率，达到降低损耗的目的。
(2)—种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法，该模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由耦合或者非耦合的电感和若干个完全相同的子模块级联构成。每个子模块包含两个IGBT，两个反向二极管和一个直流电容组成，其特征在于，所述的电容阈值降频法包括以下步骤:
I)设定一个子模块电容电压阈值A u，这个阈值作为是否进行额外子模块投切操作的一个指标。通过调节阈值的大小就可以增大或减小IGBT的开关频率。调制方法采用最近电平逼近调制算法(NLM)。
2)当NLM调制算法给出的投切模块数变化时，首先采用低频的子模块投切策略，该投切方法的基本思想是:根据NLM调制方法得到的当前投切模块数与上一时刻得到的投切模块数做减法，然后根据电流方向以及电容电压的大小投入或切除两个时刻相差的子模块数。保存此时投入子模块的状态为SI，并计算SI状态下投入子模块的电容电压值总和。
3)在SI状态的基础之上，根据子模块投切原则额外投入Nx个子模块并切除Nx个子模块，以保持电平数不变，Nx为大于等于I的整数，一般取值为I。保存此时投入子模块的状态为S2，并计算S2状态下投入子模块的电容电压值总和。
4)将SI和S2状态下的两个电容电压值总和相减并除以Nx。取其绝对值与Au比较，当大于Au时，由于电容电压差值较大，需要进行高频投切操作以减小这种差值，所以选择状态S2作为最终的控制信号；而当此绝对值小于Au时，子模块电容电压值差别不是很大，不需要进行额外的投切操作，所以选择状态SI作为最终的控制信号。
[0004]【附图说明】:
图1柔性直流输电基本结构图2电容电压阈值降频法流程图
图3采用本发明的降频方法后，不同阈值的电容电压波动和IGBT开关频率图4采用本发明的降频方法后，IGBT开关频率和电容电压波动的对比关系
[0005]【具体实施方式】:
(1)以下结合附图和实例详细说明本发明的【具体实施方式】，但本发明不受所述具体实例所限。
(2)—种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法，该模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由耦合或者非耦合的电感和若干个完全相同的子模块级联构成。每个子模块包含两个IGBT，两个反向二极管和一个直流电容组成，结构如图1所示，直流电流和上下桥臂电流流向如图所示。
(3)设定一个子模块电容电压阈值Au，这个阈值作为是否进行额外子模块投切操作的一个指标。通过调节阈值的大小就可以增大或减小IGBT的开关频率。调制方法采用最近电平逼近调制算法(NLM)。当NLM调制算法给出的投切模块数变化时，首先采用低频的子模块投切策略，该投切方法的基本思想是:根据NLM调制方法得到的当前投切模块数与上一时刻得到的投切模块数做减法，然后根据电流方向以及电容电压的大小投入或切除两个时刻相差的子模块数。保存此时投入子模块的状态为SI，并计算SI状态下投入子模块的电容电压值总和。在SI状态的基础之上，根据子模块投切原则额外投入Nx个子模块并切除Nx个子模块，以保持电平数不变，Nx为大于等于I的整数，一般取值为I。保存此时投入子模块的状态为S2，并计算S2状态下投入子模块的电容电压值总和。
(4)将SI和S2状态下的两个电容电压值总和相减并除以Nx。取其绝对值与Au比较，当大于Au时，由于电容电压差值较大，需要进行高频投切操作以减小这种差值，所以选择状态S2作为最终的控制信号；而当此绝对值小于Au时，子模块电容电压值差别不是很大，不需要进行额外的投切操作，所以选择状态SI作为最终的控制信号。具体流程图如图2所不O (5)从图3可知，电容电压阈值降频法通过增加电容电压阈值控制，成功的将平均开关频率控制在150Hz以下，如果电容电压阈值Au设置足够大，开关频率最低可达到50Hz。
(6)图4将图3简化成电容电压波动值与开关频率的关系图，从图中可以看出，随着电容电压阈值Au的增大，开关频率呈降低趋势，开关损耗也会相应的减小，但是子模块电容电压值的波动会相应的变大。这会引起环流波形的变化、换流阀输出电流波形的变化等问题，因此要根据工程需要合理的选择电容电压阈值Au的大小。比较合理的选择方法是:调节电容电压阈值Au，同时检测子模块电容电压值的波动范围，当波动范围接近工程允许范围的最大值时，此时的电容电压阈值Au为最合适的值。
【主权项】
1.一种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法，该模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由耦合或者非耦合的电感和若干个完全相同的子模块级联构成；每个子模块包含两个IGBT，两个反向二极管和一个直流电容组成，其特征在于，所述的电容电压阈值降频法包括以下步骤: (1)设定一个子模块电容电压阈值Au，这个阈值作为是否进行额外子模块投切操作的一个指标，通过调节阈值的大小就可以增大或减小IGBT的开关频率，调制方法采用最近电平逼近调制算法(NLM); (2)当NLM调制算法给出的投切模块数变化时，首先采用低频的子模块投切策略，该投切方法的基本思想是:根据NLM调制方法得到的当前投切模块数与上一时刻得到的投切模块数做减法，然后根据电流方向以及电容电压的大小投入或切除两个时刻相差的子模块数；保存此时投入子模块的状态为SI，并计算SI状态下投入子模块的电容电压值总和； (3)在SI状态的基础上，根据子模块投切原则额外投入Nx个子模块并切除Nx个子模块，以保持电平数不变，Nx为大于等于I的整数，一般取值为I ;保存此时投入子模块的状态为S2，并计算S2状态下投入子模块的电容电压值总和； (4)将SI和S2状态下的两个电容电压值总和相减并除以Nx;取其绝对值与Au比较，当大于Au时，由于电容电压差值较大，需要进行高频投切操作以减小这种差值，所以选择状态S2作为最终的控制信号；而当此绝对值小于Au时，子模块电容电压值差别不是很大，不需要进行额外的投切操作，所以选择状态SI作为最终的控制信号。
【专利摘要】本发明公开了一种应用于模块化多电平换流器的电容电压阈值降频法，通过计算当前时刻下采用两种不同的投切策略所得到的电容电压差的大小，与设定的电容电压阈值比较，当差值大于设定的电容电压阈值时，选择开关频率较高的投切策略，当差值小于设定的电容电压阈值时，选择开关频率较低的投切策略。将最终选择的投切策略所得到的控制信号发送给阀体进行控制。采用这种方法，通过阈值的设定可以有效的将IGBT的开关频率控制在50-150Hz以内，极大降低了开关管的损耗。电容电压阈值降频法流程图见说明书附图2。
【IPC分类】H02M7/5387, H02J3/00
【公开号】CN105656023
【申请号】
【发明人】姚致清, 陈朋, 赵倩, 张群, 李志勇, 杨慧霞, 胡晓静, 蒋冠前
【申请人】许昌开普电气研究院
【公开日】2016年6月8日
【申请日】2015年8月3日