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防止模块化多电平变流器子模块发生过电压的方

文章来源:稳压电源公司,时间:2019-09-09 10:19    点击量:

针对模块化多电平变流器(MMC)子模块电压分组检测引起的过电压问题,对子模块过电压防护策略进行研究。
 
首先,指出子模块电压不能实时直接测量是过电压出现的原因;接着,研究负载接入运行前对子模块电压进行预检测的必要性;然后,提出负载接入运行过程中的子模块过电压检测及预防策略,最后,在Matlab/Simulink环境下搭建31电平单相MMC仿真模型进行仿真验证并在九电平单相实验平台上进行实验验证。
 
仿真和实验结果表明,本文提出的过电压防护策略在电容参数一致和存在参数偏移时均能取得良好的过电压防护效果,具有很强的参数适应性。
 
 
近年来,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter, MMC)因具有模块化设计、输出波形质量好、便于四象限运行、器件开关频率低、故障处理能力强等优点,在柔性直流输电、中高压电力传动及电能质量调节领域得到广泛的应用。
 
模块化多电平变流器通过多个半桥子模块级联来获得较高的电压等级,而现有的柔性直流输电系统中,模块化多电平变流器每相桥臂子模块数量庞大,如2010年正式投入运营的Trans Bay Cable Project柔性直流输电工程和2014年7月投入运营的舟山柔性直流输电工程中每个换流站的MMC子模块达到200个以上。
 
数目如此多的子模块使得传统的PWM调制策略不再适用于子模块数多的MMC的应用,因此,以上提到的直流输电工程中MMC的调制方式均采用了最近电平逼近控制(Nearest Level Control, NLC)算法。而在最近电平逼近调制(Nearest Level Modulation, NLM)下,无论是传统均压策略还是各类优化均压策略,都需要给每个子模块配置电压传感器来获得各子模块的电容电压。随着子模块个数的增加,这种子模块电容电压检测方法不仅增加了系统的成本,还增加了数据采集和通信系统的负担。
 
为了减少子模块电压传感器的使用,国内外学者主要从调制策略和观测器的角度进行研究。
 
有学者结合脉冲循环分配的策略,提出了基于脉宽补偿的电压平衡控制方法,获得了较好的电容电压自平衡效果。
有学者在每个开关周期中对PWM脉冲进行交换,使子模块循环导通,保证每个子模块的开通和关断具有相同的条件,从而使得子模块电容电压达到均衡。
有学者研究了一种无需子模块电压传感器的基频固定脉冲的调制方式,通过调整子模块脉冲波形使每个子模块能量一致。该方法可以在基频情况下实现子模块电容电压均衡控制,且无需测量子模块的电容电压和其他附加的反馈控制。
有学者都是对调制方法进行改进,非常适用MMC桥臂子模块数量很多的情况,但是这些方法都是建立在子模块参数一致的条件下,并没有考虑电容参数不一致的影响。
有学者提出了基于2n分组控制的方法以减少MMC传感器使用的数量,但是该文献同样没有考虑子模块电容出现偏移的影响。文献[15-17]提出了自适应观测器来估算子模块电容电压,取得了较好的估算精度。
有学者将卡尔曼滤波与自适应观测器结合以减少电力电子系统噪声干扰。
有学者的研究可以减少传感器的使用,但是观测器算法复杂,当子模块数量很多时,实现难度较大。
有学者在每个桥臂仅配置一个电压互感器,通过桥臂电流和子模块开断状态来预测子模块电容电压。
有学者在相关研究的基础上,通过在特定时刻直接测量到的子模块真实值对预测到的子模块进行校正,但MMC所有子模块校正一次所需要的时间较长,尤其是MMC子模块数量很多时,对子模块进行校正所需要的时间更长。
有学者采用最近电平逼近调制方式,对子模块电压进行分组检测,考虑采样系统的延迟特性对子模块电压测量精度的影响,提出了基于采样电压延迟补偿的子模块电压测量方法,但没有对MMC子模块过电压问题进行研究。
 
综上所述,针对MMC子模块电容电压少传感器检测中出现子模块过电压的问题,本文在桥臂子模块分组检测的基础上,对子模块过电压产生的原因进行分析,并提出子模块过电压防护策略。在负载接入前对子模块进行预检测,以快速得到每个子模块电容电压真实值,防止子模块过充电;在负载接入时,设置子模块阈值电压,当测量得到子模块电容电压平均值超过阈值电压时,采用基于直接可测情况的子模块电容电压测量方法获得该组中每个子模块电容电压真实值,进而对子模块电压正确排序,避免过电压的发生。
 
防止模块化多电平变流器子模块发生过电压的方法
图11  单相九电平MMC实验平台
 
总结
MMC分组检测中,由于子模块电容电压不能实时被检测到,从而使得桥臂子模块可能出现过充电造成子模块出现过电压的问题,本文针对此问题,提出了一种基于强制投入的子模块过电压防护策略。
 
该策略在负载接入运行前对桥臂子模块电容电压进行预检测以消除初始阶段子模块出现的过电压;在负载接入运行中对具有过电压趋势的子模块进行检测以获得该子模块电容电压真实值,使其参与正常排序,限制其电容电压的进一步攀升,从而防止过电压的出现。本文所提出的策略在不影响MMC稳定运行的前提下,能够有效防止子模块过电压的发生。
 
仿真和实验结果表明该方法有效、可行。该子模块过电压防护策略较为简单,实用性较强,对柔性直流输电中MMC少传感器的应用和推广具有一定的意义。

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