MMC的子模块电容电压平衡控制课件.pptx

1、ZJUZJUMMC的子模块电容电压平衡控的子模块电容电压平衡控制制2018年年7月月2电容电压平衡控制原理电容电压平衡控制原理3“完全排序法完全排序法”电容电压平衡策略电容电压平衡策略4“按状态排序法按状态排序法”电容电压平衡策略电容电压平衡策略5 “保持因子法保持因子法”电容电压平衡策略电容电压平衡策略6子模块电容值对电容电压平衡的影子模块电容值对电容电压平衡的影响响7三种电容电压平衡策略的性能比较三种电容电压平衡策略的性能比较内容提要内容提要ZJUZJU1问题的提出问题的提出ZJUZJU第第1章章问题的提出问题的提出ZJUZJU问题的提出（问题的提出（1）根据前面讲过的根据前面讲过的MMC

2、稳态特性，子模块电容电压是一个波动量，稳态特性，子模块电容电压是一个波动量，其除了直流分量外，还包含其除了直流分量外，还包含相相当数当数量量的基的基波波、2次次谐谐波波和和3次谐波分次谐波分 量。当采用最近电平逼近调制策略时，任何控制时刻计算桥臂需投量。当采用最近电平逼近调制策略时，任何控制时刻计算桥臂需投 入的子模块数目时，都需要给出子模块电容电压的数值。入的子模块数目时，都需要给出子模块电容电压的数值。0.000.010.030.0418.019.520.020.521.021.522.022.523.0解析计算曲线 仿真曲线0.02时间(s)子模块平均电容电压(kV)123456789

3、10 11 12 13 14 15019.020018.5400600800100012001400解析计算值 仿真值子模块平均电容电压 (V)谐波次数问题的提出（问题的提出（2）ZJUZJU这里就存在这里就存在2个问题。个问题。（1）子模块电容电压是随时间变化的，不同控制时刻子）子模块电容电压是随时间变化的，不同控制时刻子 模块的电容电压是不同的，应该取子模块电容电压的模块的电容电压是不同的，应该取子模块电容电压的 瞬时值呢还是取其他什么值？瞬时值呢还是取其他什么值？（2）由于各子模块电容在充放电时间、损耗和电容值等）由于各子模块电容在充放电时间、损耗和电容值等 方面必然存在差异，因而实际上

4、各子模块的电容电压方面必然存在差异，因而实际上各子模块的电容电压 存在一定的离散性，那么子模块电容电压值该如何取存在一定的离散性，那么子模块电容电压值该如何取 才合适呢？才合适呢？ZJUZJU实际工程中的一般做法（实际工程中的一般做法（1）ZJUZJU实际工程中的一般做法（实际工程中的一般做法（2）ZJUZJU第第2章章电容电压平衡控制原电容电压平衡控制原理理ZJUZJU电容电压平衡控制原理（电容电压平衡控制原理（1）电容电压平衡控制原理（电容电压平衡控制原理（2）ZJUZJU电容电压电容电压平平衡控制从衡控制从原原理上讲采理上讲采用用的是反馈的是反馈控控制制，实，实际际 操作上一操作上一般般

5、基于电容基于电容电电压值的某压值的某种种排序方法排序方法来来实实现现。电容电容 电压平衡控制在电压平衡控制在MMC的整个控制体系的整个控制体系中中属于阀属于阀控控层层级级。 关于子模关于子模块块电容电压电容电压平平衡控制已衡控制已有有很多研很多研究究，提提出了多种出了多种 平衡控制策略。这里我们介绍比较典型的平衡控制策略。这里我们介绍比较典型的3种种控制策略。控制策略。 分别是：分别是：（1）“完全排序法完全排序法”电容电压平衡策略；电容电压平衡策略；（2）“按状态排序法按状态排序法”电容电压平衡策略；电容电压平衡策略；（3）“保持因子法保持因子法”电容电压平衡策略。电容电压平衡策略。ZJUZ

6、JU衡量电容电压平衡控制策略性衡量电容电压平衡控制策略性能能的的3个指标个指标1.001.011.031.0418.018.519.019.520.020.521.021.522.0子模块电容电压(kV)1.02时间(s)（1）电容电压波动率）电容电压波动率 ，定，定 义为各子模块中电容电压偏义为各子模块中电容电压偏 离其额定值的最大偏差与电离其额定值的最大偏差与电 容电压额定值之比。容电压额定值之比。（2）电容电压不平衡度）电容电压不平衡度 ，定义为所有时刻各子模块电定义为所有时刻各子模块电容电压之间的最大偏差与子容电压之间的最大偏差与子 模块电容电压额定值之比。模块电容电压额定值之比。（3

7、）MMC中中IGBT管的平均开关频率（管的平均开关频率（Hz）2 Nfsw,ave k 1 2Nnon,k为第为第k个个IGBT管在一个工频周期内开通管在一个工频周期内开通 的次数的次数,2N指单桥臂中的指单桥臂中的IGBT个数。个数。on,k50nZJUZJU第第3章章“完全排序法完全排序法”电容电压平衡策电容电压平衡策略略ZJUZJU“完全完全排排序法序法”的具的具体体实现实现方方法法（1）ZJUZJU“完全完全排排序法序法”的具的具体体实现实现方方法法（2）“完全完全排排序法序法”的具的具体体实现实现方方法法（3）在所有N个SM中， 投入Non个电压最 高的SMiarm0是在所有N个SM

8、中， 投入Non个电压最 低的SM否ZJUZJU接收来自换流 器控制层的桥 臂子模块投入 数目指令NonZJUZJU“完全排序法完全排序法”的性能展示（的性能展示（1）采用单端采用单端400kV、400 MW测试系统和同样的工作点（有测试系统和同样的工作点（有 功功率功功率350 MW和无功功率和无功功率100 Mvar），桥臂子模块数目），桥臂子模块数目 N为为20，控制周期，控制周期Tctrl=100 s。ZJUZJU“完全排序法完全排序法”的性能展示（的性能展示（2）1.001.011.031.04011.02时间(s)触发脉冲从图中可以看出，从图中可以看出， T1管的触发脉冲比管的触发

9、脉冲比 较密集，说较密集，说明明T1管管 的开关频率是比较的开关频率是比较 高的。高的。T1管上的触发脉冲管上的触发脉冲fsw,ave1843 Hz“完全排序法完全排序法”的性能展示（的性能展示（3）从图中可以看出，从图中可以看出，a相上桥臂相上桥臂20个子模块的电容电压基本上个子模块的电容电压基本上是一致的，其离散度很小；且是一致的，其离散度很小；且 各子模块电容电压出现较大偏各子模块电容电压出现较大偏 差的时刻都不在电容电压峰值差的时刻都不在电容电压峰值 附近，即电容电压之间的偏差附近，即电容电压之间的偏差 几乎不对电容电压波动率构成几乎不对电容电压波动率构成 影响；这是一个令人欣慰的结影

10、响；这是一个令人欣慰的结 果，意味着对电容电压之间的果，意味着对电容电压之间的 偏差要求可以不那么严格。偏差要求可以不那么严格。a相上桥臂相上桥臂20个子模块的电容电压个子模块的电容电压1.001.011.031.0421.521.020.520.019.519.018.518.022.0子模块电容电压(kV)1.02时间(s)ZJUZJU=6.8%=0.80%ZJUZJU第第4章章“按状态排序法按状态排序法”电容电压平衡策电容电压平衡策略略ZJUZJU“按状态排序法按状态排序法”的总体思的总体思路路为了减小为了减小IGBT的开关次数，降低开关损耗，可的开关次数，降低开关损耗，可 以只对需要投

11、入或切除的增量子模块进行电容电压以只对需要投入或切除的增量子模块进行电容电压 大小的排序。大小的排序。这种方法的原则是，尽量避免不必要的开关动这种方法的原则是，尽量避免不必要的开关动 作。当需要投入的子模块数目增加时，保持已投入作。当需要投入的子模块数目增加时，保持已投入 的子模块不再进行切除操作；当需要投入的子模块的子模块不再进行切除操作；当需要投入的子模块 数目减小时，保持已切除的子模块不再投入。数目减小时，保持已切除的子模块不再投入。“按状态排序法按状态排序法”的具体实现方法的具体实现方法计算投入子模块数目的增量Non=Non-Non,old保持现有 触发脉冲armi0Non0Non=0

12、Non0是在已切除的(N- Non,old)个SM中投入|Non| 个电压最低的SM否ZJUZJU开始是否0是在所有NN个SSMM中，投入 NNoonn个按ucc,rraannkk排序电 压最低的SSMM否接收来自换流 器控制层的桥 臂子模块投入 数目指令Non子模块状态Uc min ?切除投入是否uc,rank krank ucuc,rank uc子模块状态Uc max ?否切除uc,rank ucuc,rank krank uc是投入ZJUZJU“保持因子法保持因子法”的性能展示（的性能展示（1）1.001.011.031.0401触发脉冲1.02时间(s)1.001.011.031.04

13、01触发脉冲1.02时间(s)krank1.04rankk1.01fsw,ave 371 Hzfsw,ave125 HzZJUZJU“保持因子法保持因子法”的性能展示（的性能展示（2）krank1.01krank1.04=9.3%=4.77%=1.88%=7.1%1.001.011.031.0418.018.519.019.520.020.521.021.522.0子模块电容电压(kV)1.02时间(s)1.001.011.031.0418.018.519.019.520.020.521.021.522.0子模块电容电压(kV)1.02时间(s)ZJUZJU第第6章章子模块电容值对电容电压平衡

14、的影子模块电容值对电容电压平衡的影响响ZJUZJU子模块电容值不同时三种电容电压子模块电容值不同时三种电容电压平平衡策略的性能衡策略的性能ZJUZJU第第7章章三种电容电压平衡策略的性能比三种电容电压平衡策略的性能比较较ZJUZJU三种电容电压平衡策略的性能比三种电容电压平衡策略的性能比较较推荐的电容电压平衡策推荐的电容电压平衡策略略幅度降低开关频率，达到减少开关损耗的目的；在相同幅度降低开关频率，达到减少开关损耗的目的；在相同 等级的开关频率下，状态排序法的电容电压波动率相对等级的开关频率下，状态排序法的电容电压波动率相对 较低，而保持因子法的电容电压不平衡度相对较小。较低，而保持因子法的电容电压不平衡度相对较小。由于电容电压波动率直接影响子模块电容器和子模块由于电容电压波动率直接影响子模块电容器和子模块功率器件承受的电压水平，对投资成本具有直接的影响功率器件承受的电压水平，对投资成本具有直接的影响；而电容电压不平衡度造成的影响较小。因此，在相；而电容电压不平衡度造成的影响较小。因此，在相同同 等级的开关频率下，优先考虑具有较低电容电压波等级的开关频率下，优先考虑具有较低电容电压波动率动率 的控制策略。的控制策略。因此推荐采用状态排序法。因此推荐采用状态排序法。ZJUZJU相比完全排序法，状态排序法和保持因子法都能够大相比完全排序法，状态排序法和保持因子法都能够大ZJUZJU