[发明专利]模块化多电平变流器子模块投切降频优化方法及系统

说明书

本发明提出一种模块化多电平变流器子模块投切降频优化方法，其包括如下步骤：建立模块化多电平变流器(MMC)系统，根据参考调制电压确定上、下桥臂投入的子模块数；计算各电平持续时间，基于子模块平均投切频率表达式，考虑开关损耗和稳态电压偏差，确定不同时间尺度下满秩的投切状态矩阵构造及其自平衡控制效果之间的关系；在保证实现子模块电容电压自平衡的时间尺度下，根据上、下桥臂投入的子模块数，构造一种能降低子模块投切频率的投切状态矩阵，减少投切向量开关状态、降低器件开关频率，在可能损失一定的电压偏差情况下，降低自平衡控制过程中系统的开关损耗，延长开关器件使用寿命。

技术领域

本发明属于电力系统变流器的电压自平衡控制开关降损技术领域，具体涉及一种模块化多电平变流器子模块投切降频优化方法。

背景技术

现行柔性直流输电系统(HVDC)广泛采用半桥式模块化多电平变流器(HB-MMC)，直流侧电容电压分散于数百个级联子模块。工程中多用基于闭环控制的排序算法实现子模块电容电压均衡，当子模块数较多时，排序、计算时间复杂度高，实时采样监测数据繁杂，系统开关损耗大。

为解决上述问题，MMC子模块电容电压自平衡控制策略主要有两类：第一类基于硬件电路的自均压MMC拓扑结构进行控制，均压效果好，抑制直流故障能力强，但额外引入的器件提高了硬件成本和电路复杂性，存在外接电路的耐压、绝缘等安全问题。第二类基于控制算法，从投切状态矩阵角度提出子模块投切的轮换规则，无需子模块电容电压实时采样和排序，且不改变MMC拓扑结构，但未深入考虑控制效果和开关损耗之间的平衡，较多不同的投切状态矩阵行向量可能导致子模块投切过于频繁，器件开关损耗大。

目前已有的开关降损策略多针对传统排序均压MMC-HVDC进行损耗计算方法的分析和研究，主要从优化排序算法、调制降损技术、特殊硬件结构三个方面进行子模块电容电压平衡控制的投切降频优化，但由于电容电压采样需求不一致、调制策略不匹配、子模块投切影响因素不相同等问题，上述投切降频优化策略无法直接应用于自平衡控制。

发明内容

本发明的目的是针对现有MMC系统中子模块电容电压平衡控制及其开关降损技术的局限性，提供一种模块化多电平变流器子模块投切降频优化方法，在利用投切状态矩阵实现子模块电容电压自平衡的基础上，降低子模块投切频率、减少投切向量开关状态，在可能损失一定的电压偏差情况下，降低自平衡控制过程中系统的开关损耗，延长开关器件使用寿命。

为实现上述目的，本发明提出一种模块化多电平变流器子模块投切降频优化方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：建立MMC系统，采用最近电平逼近调制(NLM)生成参考调制电压波形，根据参考调制电压确定上、下桥臂投入的子模块数；

步骤2：基于步骤1建立的MMC系统及自平衡控制特性，得到子模块平均投切频率表达式；

步骤3：计算各电平持续时间，基于步骤2中的子模块平均投切频率表达式，得到每个电平下的行向量个数，由此构造在不同时间尺度下满秩的投切状态矩阵S_N，确定不同行向量的组成及顺序下的子模块电容电压自平衡控制效果；

步骤4：基于步骤3，在保证实现子模块电容电压自平衡的时间尺度下，根据上、下桥臂投入的子模块数，构造一种能降低子模块投切频率的S′_N，达到各子模块投切次数和自平衡控制效果之间的平衡，尽可能减少投切状态矩阵中的不同开关状态，降低自平衡控制过程中系统的开关损耗。

进一步，步骤1中针对(N+1)电平MMC系统，任一时刻各相上、下桥臂投入子模块总数满足动态平衡，子模块电容电压之和等于直流侧电压，即：

式中，n_pj,n_nj(j＝a,b,c)分别为上、下桥臂所需投入子模块数，U_{Crj_i,ref}为子模块电容电压理论稳态值。