模块化多电平多电平换流器电容预充电策略

模块化多电平多电平换流器电容预充电策略

0模块化多电平vc子模块电容均压优化技术随着国际能源市场的解除控制和分散化能源的趋势，对先进能源设备的需求日益紧迫，比如在输电部和电网行业广泛使用的能源效率。VSC可具有多种形式的拓扑结构,目前在实际中常用的是两电平与三电平VSC技术。两电平VSC存在的主要问题为绝缘栅双极晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)串联所带来的静态、动态均压和电磁干扰(electromagneticinterference,EMI),以及由于过高开关频率带来的过高开关损耗。对于多电平电压源换流器,常见的拓扑包括二极管箝位型、电容箝位型和级联H桥型。从换流器的工业生产与服务需求角度来看,主电路上严格的模块化构造至关重要,这就要求VSC主电路仅仅是由一些具有相同结构的子模块来构成,并且无需额外的正、负直流母线间的部件,比如传统意义上的VSC直流侧电容器组仅仅通过变化所使用的子模块数量就可使VSC满足不同的电压及功率要求,并且在广泛的应用领域里,VSC可使用相同的硬件及机械构造。上述二极管箝位型与电容箝位型多电平VSC在实际中电平数做不上去的最主要原因就是他们难以模块化生产。新型模块化多电平VSC很好地满足了这一要求,它将电容与开关器件视为一个整体来构建子模块,通过子模块串联提升换流器的电压及功率等级,易于扩展到任意电平输出,具有较低的谐波畸变,且可采用较低的开关频率,从而降低了损耗,提高了效率。尽管新型模块化多电平VSC具有如上种种优点,但是它也有几个需亟待解决的关键问题在文献[19-20]中未被阐述,即:子模块电容参数的设计、针对具有低开关频率的多电平基频开关调制时的子模块电容的均压及子模块电容的预充电,这些问题妥善解决与否直接决定换流器输出性能的优劣。本文针对上述问题,首先从阐释模块化多电平VSC主电路拓扑的本质工作机理入手,基于拓扑本质机理阐释中推导出的半桥臂电压、电流关系表达式,得出了半桥臂功率脉动曲线,功率脉动曲线在每两个零点之间的面积即表示半桥臂上子模块的能量摄入与能量支出,从“能量脉动”角度,遵循能量摄入与能量支出必须持平的原则,分别推导和建立了半桥臂能量脉动函数与子模块能量脉动函数,进而通过子模块电容存储能量与其额定电压之间的关系,并结合子模块电压纹波系数,可计算得出子模块电容参数的函数表达式。从模块化多电平VSC子模块电容均压问题产生的物理本质入手,结合换流器拓扑特点,从半桥臂功率及能量的角度,提出了一种主动的子模块电容均压控制策略,并结合一基于多电平基频开关调制的模块化五电平VSC,以及相应开关器件的触发时序,对所提策略进行了具体阐释。同样从模块化多电平VSC拓扑自身特点入手,考虑到各子模块电容电压数值不太高,且换流器存在正、负直流母线,提出了一种外加辅助直流电源并结合子模块开关器件动作的子模块电容预充电方式。通过仿真较好地验证了以上提出的设计方法、策略和措施。1新型多模子模块电子模块的设计1.1矛盾静接收点电压图1为新型模块化多电平VSC子模块及主电路拓扑单相示意图。图1中P点表示VSC正直流母线,N点表示VSC负直流母线,o点表示VSC假想的直流侧中性点。VSC直流电压为Udc,故P点相对于o点的电压N点相对于o点的电压ui1、u2i2(i=a,b,c)分别表示每相上、下半桥臂电压,则可以得到式中uio(i=a,b,c)为VSC各相交流输出端相对于直流侧假想中性点o的电压。只要对VSC各相半桥臂电压ui1、ui2(i=a,b,c)依照式(1)限定的那样去施加,则在VSC的输出端便能得到所期望的直流电压Udc与交流电压uao、ubo、uco。由式(1)不难得出由式(2)可知,VSC的3个桥臂施加相同的电压Udc,又由于VSC具有严格的对称性,3个桥臂相对于直流端电压Udc来说具有相同的阻抗,因此直流电流Idc将在3个桥臂间均分。同样地,也是出于VSC的对称性,各相输出端电流ia、ib、ic将在各相上、下半桥臂间均分。因此,可得出VSC各相半桥臂暂态电流ij1、ij2(j=a,b,c),为1.2uao、ia1及sa1的推理以a相为例,可在如下条件下求解上半桥臂所需电容存储能量的分析表达式:1)正弦输出电压uao与电流ia;2)平滑的直流侧电压Udc;3)有功功率在VSC3个桥臂间均分。这些条件对换流器的运行并不是完全必须的,但是他们能在总体上实现很好的近似。故而可设定uao为ˆuNsin(ωNt),ia为ˆiNsin(ωNt+ϕ),其中ˆuN为uao的峰值;ˆiN为ia的峰值,ωN表示uao与ia的角频率,ϕ表示ia的初相位。定义k、m为故将式(4)代入式(1)、式(5)代入式(3)可分别得出a相上半桥臂的电压与电流分别为因此a相上半桥臂的功率Sa1(t)可通过ua1(t)与ia1(t)的乘积求得,即m与k之间的内在联系的推理过程如下:式中uN,eff和iN,eff分别为uao与ia的有效值。由式(9)~(11)可得取Udc=2kV、Idc=1kA、ωN=50Hz,则当k=0.8,m=2.89,ϕ=π/6时,相应的ua1(t)、ia1(t)及Sa1(t)如图2所示。在功率曲线Sa1(t)的2个零点x1(m,ϕ)与x2(m,ϕ)之间对Sa1(t)进行积分,即可得到a相上半桥臂的能量脉动∆WZ(m):将式(12)代入式(15),可将式(15)转化为故而a相上半桥臂中每个子模块的能量脉动∆WSM(k)可由∆WZ(k)除以子模块数n得到,为结合子模块电压纹波系数ε(0<ε<0.5),并利用如下关系:式中为各子模块电容的额定电压,且有由式(18)即可求出各子模块中的电容参数Co:电容是决定VSC总成本、占地面积大小的重要因素之一,电容参数设计的合理与否直接影响到VSC的经济性,以上对于新型模块化多电平VSC子模块电容参数进行了合理设计。2电容均压策略影响新型模块化多电平VSC性能优劣的一个重要因素是如何保持各子模块电容电压的均衡,使得各子模块电容电压处于一个相同的水平,各功率半导体器件承受相同的应力,为此,本文提出子模块电容均压控制策略。通过子模块传感器以典型毫秒级的采样率来对各子模块电容电压进行周期性地测量,根据测得的电压数值,利用软件对各子模块电容进行分类。当某相半桥臂中的电流为正,即半桥臂吸收功率时,触发具有最低电压的各子模块中的IGBTT1(如图1所示)来构成所期望施加的半桥臂电压,此时被选定的各子模块电容将被充电;当某相半桥臂中的电流为负,即半桥臂发出功率时,触发具有最高电压的各子模块中的IGBTT1来构成所期望施加的半桥臂电压,此时被选定的各子模块电容将放电。以五电平换流器a相上半桥臂4个子模块为例,来阐释如上所述的电容均压策略,如图3所示。由图3可见,在电角度θw对应的时刻之前,流过a相上半桥臂的电流ia1为正,上半桥臂吸收有功,那么在上半桥臂电压波形各电平台阶跃变处,选取传感器测得的具有最小电容电压值的子模块来开通构成半桥臂所需的多电平阶梯输出,截至相对较高电容电压值的子模块,这样,这些低电容电压值的子模块由于开通,其子模块电容可被充电,不断去追赶那些高电容电压值的子模块,从而使得所有子模块的电容电压值彼此间相互接近,达到均衡;在电角度θw对应的时刻之后,ia1为负,上半桥臂发出有功,此时在各电平台阶跃变处,截至传感器测得的最小电容电压值的子模块,开通具有相对较高电容电压值的子模块来构成半桥臂所需的多电平阶梯输出,这样,这些高电容电压值的子模块由于开通,其子模块电容将放电,电容电压值降低,不断接近那些低电容电压值的子模块,从而使得所有子模块电容电压值彼此间相互靠近,达到均衡。与此同时,引入“附加开关点”,确保电容充电或放电过程中具有高电容电压值子模块与具有低电容电压值子模块之间的电压差额∆u始终被限定在预先设定的临界值范围内,只要∆u一达到临界值,就进行相应的子模块切换操作,如图3中的θz所示。将处于增长态势的子模块由开通变为截至,将处于截至状态的子模块由截至变为开通,如此便可将各子模块电容电压始终限定在均衡范围内。通过这样一种均压策略,即可实现各子模块电容电压的持续平衡,该策略能够实现电容存储能量的优化利用以及开关器件功耗的均匀分布。3相桥臂中2n个别模块的主次充电电容的能量存储必然要求对电容预先进行充电,这也直接决定了换流器正常运行与否。实现换流器一相桥臂中各子模块电容的预充电策略,仅需要一个辅助的直流电压源,且此直流电压源的输出电压Usource仅约等于子模块电容电压UC即可。不妨假定上、下半桥臂均串联n个子模块。首先将辅助直流电压源的输出端接到换流器相应的正、负直流母线上,保持2n个子模块中的IGBTT1始终为关断状态,待充电子模块中的IGBTT2也为关断状态,其余(2n-1)个子模块中的IGBTT2为开通状态,这样直流电压源便只对该待充电子模块的电容充电,等到该待充子模块电容达到运行电压时,其充电完毕,将其上的IGBTT2由原先的关断状态变为开通状态,与此同时,将下一个待充电子模块中的IGBTT2由原先的开通状态变为关断状态,这样直流电压源便会转向对此子模块充电,以此类推,便可实现对一相桥臂中2n个子模块的依次充电。到最终充电完毕,可以通过串联的二极管或机械开关将直流电压源断开。图4示意了n取10时一相桥臂中20个子模块电容的依次充电过程,该过程由电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC仿真得出。由于三相桥臂是并联在正、负直流母线上的,所以上述策略对于其余两相是完全适用的,故可对三相桥臂中的各子模块同时进行充电。在实际中可能会出现这样一种情况,电网希望从故障崩溃停运后的“全黑”状态进入到运行状态,即“黑启动”。从上述预充电策略来看,新型模块化多电平VSC可以借助外加辅助电源很容易地实现各子模块电容的充电,那么当其与电网相连时,完全可以实现电网一定程度上简单、安全的“黑启动”,所以可以说此预充电策略使VSC具备了一定的“黑启动”能力。4电容均压策略在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC中搭建了三相模块化多电平VSC模型,各相半桥臂均具有4个相同的子模块,即VSC输出五电平,正、负直流母线之间无额外的电容能量存储,如图1所示。根据式(19)选取各子模块电容参数,换流器采用具有低开关频率的多电平基频调制策略,通过PSCAD/EMTDC及结合使用Matlab/Simulink,得到a相上半桥臂电压波形如图5所示;与a相上半桥臂电压波形相对应的,采用前述子模块电容均压策略所得出的上半桥臂4个子模块电容电