[发明专利]柔性直流输电系统模块化多电平换流器均压方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种柔性高压直流输电系统模块化多电平换流器中功率模块的电压均衡控制方法。

背景技术

近年来，基于电压源换流器(Voltage Source Converter，VSC)的高压柔性直流输电系统(VSC-HVDC)以其可四象限运行、滤波器小、可向无源网络供电等诸多优点在输电领域获得了广泛关注。而模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现更是为柔性直流输电的发展注入了新的活力，也使得多端口直流输电系统易于实现。

用于柔性直流输电系统的模块化多电平变流器内部含有大量功率模块。为了保证模块化多电平变流器的稳定运行，必须对所有功率模块的电压进行实时控制，以保证每个功率模块的电压均在其内部元器件，特别是半导体开关器件，如IGBT、IEGT等，以及模块电容的耐压承受范围内。

另外，对应用于柔性直流输电系统中的模块化多电平变流器来说，为了提高换流器在运行过程中的可靠性，换流器内部每个桥臂中的功率模块均有冗余设置：当模块化多电平变流器在运行过程中出现某些功率模块故障，但故障模块的数量不超过设计要求范围，则这些功率模块会自行旁路，而不会影响整个模块化多电平变流器的运行或者使系统停机。例如，中国南方电网公司在广东南澳岛的全球首个±160kV三端柔性直流输电工程中，每个模块化多电平变流器的冗余功率模块数量均为10％，即每个桥臂中出现故障的功率模块数量只要不超过桥臂功率模块总数量的10％，则出现故障的功率模块会自行旁路，而整个换流器继续运行。对于模块化多电平换流器的控制系统来说，其对功率模块的电压均衡控制算法应该保证在故障的功率模块被旁路的前后均能实现良好的效果，而不应该受模块故障的影响。

模块化多电平换流器的控制系统一般包括两部分，即负责整个换流器宏观电气量(如交直流电压、电流，有功、无功功率等)控制的上层控制系统——换流器控制保护系统(CCP)和负责部分功率模块的下层控制系统——功率模块分组控制系统(VGC)。当柔性直流输电系统中的电压等级较高时，模块化多电平变流器每个桥臂中的功率模块数量将会十分巨大。例如，中国南方电网公司在广东南澳岛的全球首个±160kV三端柔性直流输电工程中的青澳换流站和金牛换流站的每个桥臂功率模块数量高达220个。这样庞大数量的功率模块使得换流器控制系统，特别是CCP的运算负担很重，需要高性能的处理器才能完成。

为了解决这一问题，相关的专利也提出了简化的算法。中国专利CN101860203A通过设定电压上、下限，将均压控制的重点放在电容电压越限的子模块上，而对电容电压未越限的子模块引入保持因子使其在一定程度上保持原来投切状态，因此可以在不明显增加功率模块电容电压波动的前提下，显著降低器件的开关频率。但是，这一方法仍然需要CCP对模块化多电平变流器每个桥臂中所有功率模块的电容电压进行排序和均衡控制，因此CCP的运算负担依然很重。同时，这一方法也不适用于模块化多电平变流器运行过程中出现功率模块故障的情况。

中国专利CN103066805A提出了一种将多个功率模块捆绑为一个捆绑模块组之后整体投切的电容电压平衡控制方法，即根据CCP提供的每个桥臂需要开通功率模块的总数量，先选择捆绑模块组的数量，再选择剩余的单个功率模块的数量。这一方法使模块化多电平换流器控制系统需要处理的功率模块数量级别下降一个级别，可以减少控制系统的运算量。但是，在某一捆绑模块组内部出现功率模块故障后，该捆绑模块组的电压将会比其余的捆绑模块组的电压显著降低，导致在对捆绑模块组电压排序及选择具体的捆绑模块组时出现问题。因此，该方法也不适用于捆绑模块组内出现功率模块故障的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提出一种柔性直流输电系统模块化多电平换流器均压方法。本发明既可以减轻控制系统的程序运算负担，也可以实现在功率模块出现故障情况下对模块电压的良好均衡控制。