本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)柔性直流輸電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種混合雙子模塊MMC均壓控制方法及裝置。

背景技術(shù)：

直流短路故障是MMC-HVDC系統(tǒng)最為常見的一種故障，基于半橋式子模塊的MMC換流器，如圖1-a所示，在直流雙極短路故障時(shí)無法通過閉鎖子模塊IGBT來切斷交流系統(tǒng)向直流短路點(diǎn)的饋能回路，必須快速跳開交流斷路器或直流隔離開關(guān)以清除故障電流，這不僅增加了系統(tǒng)成本，提高了對(duì)設(shè)備的技術(shù)要求，同時(shí)也降低了系統(tǒng)投運(yùn)率，減慢了故障恢復(fù)速度。

目前工程上大多采用制造難度大、成本高的直流電纜敷設(shè)線路以降低直流故障發(fā)生率，但并不能從根本解決半橋式MMC換流器對(duì)直流故障的處理失效問題。鑒于此，通過換流器自身控制實(shí)現(xiàn)故障電流自清除成為一種最經(jīng)濟(jì)有效的方法，也使得尋找具有直流故障穿越能力的換流器拓?fù)涑蔀檠芯口厔?shì)。

目前具有直流故障自清除能力的MMC子模塊拓?fù)溆腥珮蜃幽K、鉗位雙子模塊等，分別如圖1-b、圖1-c所示。其中，全橋子模塊式MMC使用功率器件多，初期投資成本和系統(tǒng)運(yùn)行損耗很大；而鉗位雙子模塊式MMC不能輸出負(fù)電平，不具備不閉鎖STATCOM運(yùn)行故障穿越能力，切不具備提升系統(tǒng)容量的能力。

鑒于上述兩種子模塊各自的缺點(diǎn)，申請(qǐng)公布號(hào)為CN104993716A的中國(guó)專利文件提出一種混合雙子模塊，如圖2所示，其兼具上述兩者的優(yōu)勢(shì)，投資成本相對(duì)較低，同時(shí)具備閉鎖故障穿越能力和STATCOM運(yùn)行故障穿越能力，負(fù)電平輸出方式可以提高系統(tǒng)調(diào)制度，并進(jìn)而提升系統(tǒng)容量。但常規(guī)MMC系統(tǒng)的均壓控制策略不能滿足其均壓要求，因此亟需提出一種適用于混合雙子模塊MMC的系統(tǒng)均壓控制策略。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種混合雙子模塊MMC均壓控制方法及裝置，以同時(shí)實(shí)現(xiàn)適用于混合雙子模塊的模塊內(nèi)和模塊間的均壓控制。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

本發(fā)明提供一種混合雙子模塊MMC均壓控制方法，對(duì)于任一個(gè)橋臂，根據(jù)橋臂電流方向、整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差的總和的正負(fù)和投入子模塊個(gè)數(shù)的正負(fù)，對(duì)每個(gè)子模塊的綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，確定各子模塊對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)；所述綜合電壓指標(biāo)與模塊內(nèi)電容電壓和、模塊內(nèi)電容電壓差有關(guān)。

進(jìn)一步的，當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)和；當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)差。

進(jìn)一步的，一個(gè)橋臂包括N個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊包含2個(gè)子單元；

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正，調(diào)制波需輸出M個(gè)子單元時(shí)，子模塊輸出狀態(tài)包括單電容電壓、雙電容電壓和切除：

橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的N₁個(gè)子模塊輸出單電容電壓，電壓最高的N₂個(gè)子模塊切除，其他子模塊輸出雙電容電壓；

橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的N₃個(gè)子模塊切除，電壓最高的N₄個(gè)子模塊輸出單電容電壓，其他子模塊輸出雙電容電壓；

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，調(diào)制波需輸出–M個(gè)子單元時(shí)，子模塊輸出狀態(tài)包括負(fù)向電容電壓和切除：

橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最高的M個(gè)子模塊輸出負(fù)向電容電壓，其他子模塊切除；

橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的M個(gè)子模塊輸出負(fù)向電容電壓，其他子模塊切除；

其中，N、M、N₁、N₂、N₃和N₄均為自然數(shù)。

進(jìn)一步的，若模塊內(nèi)電容電壓差的總和為正，則N₁＝M％2，N₂＝N–N₁–M/2；若M≥N，則N₄＝2N–M，N₃＝0；若M<N，則N₄＝M，N₃＝N–M；

若模塊內(nèi)電容電壓差的總和為負(fù)，則N₄＝M％2，N₃＝N–N₄–M/2；若M≥N，則N₁＝2N–M，N₂＝0；若M<N，則N₁＝M，N₂＝N–M；其中，％表示取余數(shù)操作。

本發(fā)明還提供一種混合雙子模塊MMC均壓控制裝置，對(duì)于任一個(gè)橋臂，包括用于根據(jù)橋臂電流方向、整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差的總和的正負(fù)和投入子模塊個(gè)數(shù)的正負(fù)，對(duì)每個(gè)子模塊的綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，確定各子模塊對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)的模塊；所述綜合電壓指標(biāo)與模塊內(nèi)電容電壓和、模塊內(nèi)電容電壓差有關(guān)。

進(jìn)一步的，當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)和；當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)差。

進(jìn)一步的，一個(gè)橋臂包括N個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊包含2個(gè)子單元：

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正，調(diào)制波需輸出M個(gè)子單元時(shí)，子模塊輸出狀態(tài)包括單電容電壓、雙電容電壓和切除：

橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的N₁個(gè)子模塊輸出單電容電壓，電壓最高的N₂個(gè)子模塊切除，其他子模塊輸出雙電容電壓；

橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的N₃個(gè)子模塊切除，電壓最高的N₄個(gè)子模塊輸出單電容電壓，其他子模塊輸出雙電容電壓；

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，調(diào)制波需輸出–M個(gè)子單元時(shí)，子模塊輸出狀態(tài)包括負(fù)向電容電壓和切除：

橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最高的M個(gè)子模塊輸出負(fù)向電容電壓，其他子模塊切除；

橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的M個(gè)子模塊輸出負(fù)向電容電壓，其他子模塊切除；

其中，N、M、N₁、N₂、N₃和N₄均為自然數(shù)。

進(jìn)一步的，若模塊內(nèi)電容電壓差的總和為正，則N₁＝M％2，N₂＝N–N₁–M/2；若M≥N，則N₄＝2N–M，N₃＝0；若M<N，則N₄＝M，N₃＝N–M；

若模塊內(nèi)電容電壓差的總和為負(fù)，則N₄＝M％2，N₃＝N–N₄–M/2；若M≥N，則N₁＝2N–M，N₂＝0；若M<N，則N₁＝M，N₂＝N–M；其中，％表示取余數(shù)操作。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明針對(duì)混合雙子模塊，該模塊能夠輸出四種電壓狀態(tài)，分別為兩倍電容電壓、電容電壓、零電壓和負(fù)向電容電壓?；旌想p子模塊內(nèi)部存在兩個(gè)電容，不能如鉗位雙子模塊一樣兩個(gè)電容器的投入切除控制相互獨(dú)立，在實(shí)現(xiàn)模塊間均壓的同時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)模塊內(nèi)電壓均衡。

本發(fā)明基于綜合電壓指標(biāo)的模塊間排序均壓控制，實(shí)現(xiàn)了模塊內(nèi)部電容電壓均衡和模塊之間電容電壓均衡的效果。具體調(diào)節(jié)單電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)，達(dá)到整個(gè)橋臂的模塊電壓差總和趨近于零的目的，配合基于含子模塊內(nèi)部電壓差因素的綜合電壓指標(biāo)的模塊間排序均壓控制，實(shí)現(xiàn)任一子模塊內(nèi)部?jī)呻娙蓦妷壕獾男Ч?/p>

其中，當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)疊加；當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)求差。本發(fā)明能夠有效地實(shí)現(xiàn)橋臂內(nèi)全部子模塊電容電壓的均衡，在混合雙子模塊MMC系統(tǒng)的啟動(dòng)、正常運(yùn)行、故障穿越等多種工況下均能啟到良好的均壓效果。

附圖說明

圖1-a是半橋子模塊圖；

圖1-b是全橋子模塊圖；

圖1-c是鉗位雙子模塊圖；

圖2是混合雙子模塊及其組成的換流器圖；

圖3是混合雙子模塊的構(gòu)成圖；

圖4是系統(tǒng)均壓控制框圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)及技術(shù)方案更加清楚，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如圖2、圖3所示，混合雙子模塊由4個(gè)IGBT和2個(gè)模塊電容構(gòu)成。混合雙子模塊可近似認(rèn)為由兩個(gè)半橋單元組合而成。下表為混合雙子模塊的工作狀態(tài)。

表1混合雙子模塊工作狀態(tài)表

由上表可以看出，混合雙子模塊能夠輸出4種電壓，分別為雙電容電壓、單電容電壓、零電壓和負(fù)向電容電壓。而且，當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正時(shí)，子模塊輸出電壓對(duì)應(yīng)有當(dāng)單電容電壓、雙電容電壓和零(即切除)三種狀態(tài)，當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，子模塊輸出電壓對(duì)應(yīng)有負(fù)向電容電壓和零(即切除)兩種狀態(tài)。則說明該子模塊能夠代替2個(gè)半橋子模塊輸出雙電容電壓的同時(shí)，具備全橋子模塊的負(fù)電壓特性，能提高直流電壓利用率，提升系統(tǒng)容量。

簡(jiǎn)言之，混合雙子模塊僅使用了4個(gè)IGBT和2個(gè)電容器，即實(shí)現(xiàn)了全橋子模塊與半橋子模塊串聯(lián)的作用，但后者使用了6個(gè)IGBT和2個(gè)電容器?；旌想p子模塊MMC與現(xiàn)有各類MMC拓?fù)湎啾?，兼具器件少、容量高與直流故障穿越功能等多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。

混合雙子模塊內(nèi)部存在兩個(gè)電容器，但不能如鉗位雙子模塊一樣兩個(gè)電容器的投入切除控制相互獨(dú)立。由表1可以看出，當(dāng)子模塊輸出單電容電壓時(shí)，只能選擇投入電容C₂，而當(dāng)子模塊輸出負(fù)向電容電壓時(shí)，只能選擇反向投入電容C₁。

當(dāng)橋臂電流方向不變的時(shí)間段內(nèi)，兩個(gè)電容電壓差將逐步增大。如當(dāng)橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，則正向投入電容C₂將導(dǎo)致電容電壓增大，反向投入電容C₁將導(dǎo)致電容電壓減小，其他狀態(tài)下兩個(gè)電容變化一致。當(dāng)橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，則正向投入電容C₂將導(dǎo)致電容電壓減小，反相投入電容C₁將導(dǎo)致電容電壓增大。該時(shí)間段內(nèi)，兩電容電壓差將逐步增大。

這就要求混合雙子模塊MMC換流器系統(tǒng)均壓控制策略需要同時(shí)考慮子模塊間和子模塊內(nèi)部的電容電壓均壓?jiǎn)栴}。

圖4給出了系統(tǒng)均壓控制框圖，該系統(tǒng)均壓控制策略通過兩個(gè)控制手段，實(shí)現(xiàn)了模塊內(nèi)部電容均壓和模塊之間電容均壓兩個(gè)控制目的。兩個(gè)控制手段分別為控制不同電壓輸出狀態(tài)的子模塊個(gè)數(shù)和采用模塊綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行模塊間排序均壓控制。

模塊內(nèi)部電容均壓通過兩方面實(shí)現(xiàn)，首先通過控制將整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差的總和趨近于零，其次控制不同模塊的內(nèi)部電壓差均衡。

在確定子單元投入個(gè)數(shù)時(shí)，混合雙子模塊有兩種正向電壓輸出狀態(tài)，可以靈活調(diào)節(jié)不同電壓輸出的子模塊的個(gè)數(shù)。通過控制單電容電壓輸出的子模塊個(gè)數(shù)可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)橋臂的模塊電壓差總和趨近于零。具體如下：

當(dāng)橋臂電流為正時(shí)，電容C₂與C₁的電壓差(U_c2-U_c1)將逐步增大。此時(shí)，若整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差的總和為正(Σ(U_c2-U_c1)＞0)，則減少該橋臂內(nèi)單電容電壓輸出的子模塊個(gè)數(shù)，令模塊內(nèi)電壓差絕對(duì)值較慢速度增加，若電壓差總和為負(fù)(Σ(U_c2-U_c1)＜0)，則增加該橋臂內(nèi)單電容電壓輸出的子模塊個(gè)數(shù)，令模塊內(nèi)電壓差絕對(duì)值逐步減小。當(dāng)橋臂電流為負(fù)時(shí)，反之。

使用模塊電壓差為指標(biāo)進(jìn)行模塊間排序均壓控制，能實(shí)現(xiàn)不同模塊間內(nèi)部電壓差的均衡，配合整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差一致，即能達(dá)到每個(gè)子模塊內(nèi)部電容電壓均衡的效果。

模塊之間的電容均壓，可以使用模塊子模塊電壓為指標(biāo)進(jìn)行模塊間排序均壓控制，從而實(shí)現(xiàn)不同模塊間電壓均衡的效果。

為解決上文模塊間排序均壓控制采用不同指標(biāo)的矛盾，本發(fā)明基于模塊綜合電壓指標(biāo)，該綜合電壓指標(biāo)與投入子模塊個(gè)數(shù)的正負(fù)、以及模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差有關(guān)。使用該指標(biāo)進(jìn)行常規(guī)的排序均壓控制，配合整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差一致，能同時(shí)保證模塊內(nèi)部?jī)呻娙蓦妷壕夂筒煌K間電容電壓均衡。

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)和。這是由于橋臂電流為正，投入的模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差同時(shí)增加，反之同時(shí)減小。

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)時(shí)，綜合電壓指標(biāo)為模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差的加權(quán)差。這是由于橋臂電流為正，投入的模塊內(nèi)電容電壓和減小，而電壓差增加，反之模塊內(nèi)電容電壓和增大，電壓差減小。

最后根據(jù)橋臂電流方向和投入子模塊個(gè)數(shù)的正負(fù)狀態(tài)，結(jié)合上述得到的不同電壓輸出狀態(tài)的子模塊數(shù)，對(duì)排序后綜合電壓指標(biāo)最高、中間、最低的子模塊分別匹配不同的電壓輸出狀態(tài)。具體的：

當(dāng)投入子模塊數(shù)為正，橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，按綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，電壓最低的子模塊輸出單電容電壓，電壓最高的子模塊切除，其他子模塊輸出雙電容電壓。

當(dāng)投入子模塊數(shù)為正，橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，按綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，電壓最高的子模塊輸出單電容電壓，電壓最低的子模塊切除，其他子模塊輸出雙電容電壓。

當(dāng)投入子模塊數(shù)為負(fù)，橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，按綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，電壓最高的子模塊負(fù)投入，其他子模塊切除。

當(dāng)投入子模塊數(shù)為負(fù)，橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，按綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，電壓最低的子模塊負(fù)投入，其他子模塊切除。

上述各狀態(tài)子模塊個(gè)數(shù)由以下方案決定：

假定單橋臂含N個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊包括共2個(gè)子單元。可按照下述方案來確定具體切除和輸出個(gè)數(shù)，但是該方案并不是唯一的，可根據(jù)實(shí)際進(jìn)行改變和調(diào)節(jié)。

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為正，調(diào)制波需輸出M個(gè)子單元，橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，綜合電壓指標(biāo)最低的N₁個(gè)子模塊輸出單電容電壓，電壓最高的N₂個(gè)子模塊切除，其他子模塊輸出雙電容電壓；橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，將綜合電壓指標(biāo)最低的N₃個(gè)子模塊切除，電壓最高的N₄個(gè)子模塊輸出單電容電壓，其他子模塊輸出雙電容電壓。

若橋臂內(nèi)單電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)盡量少時(shí)，單電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)為M％2(M除以2的余數(shù))，雙電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)為M/2，其他子模塊切除；若橋臂內(nèi)單電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)盡量多時(shí)，若M≥N，則單電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)為2N–M，雙電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)為M–N；若M<N，則單電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)為M，雙電容電壓輸出子模塊個(gè)數(shù)為0，其他子模塊切除。即：

若模塊內(nèi)電容電壓差的總和為正，當(dāng)橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，則N₁＝M％2，N₂＝N–N₁–M/2；當(dāng)橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，若M≥N，則N₄＝2N–M，N₃＝0；若M<N，則N₄＝M，N₃＝N–M；

若模塊內(nèi)電容電壓差的總和為負(fù)，當(dāng)橋臂電流方向?yàn)檎龝r(shí)，則N₄＝M％2，N₃＝N–N₄–M/2；當(dāng)橋臂電流方向?yàn)樨?fù)時(shí)，若M≥N，則N₁＝2N–M，N₂＝0；若M<N，則N₁＝M，N₂＝N–M；其中，％表示取余數(shù)操作。

當(dāng)投入子模塊個(gè)數(shù)為負(fù)，調(diào)制波需輸出–M個(gè)子單元時(shí)，負(fù)投入的子模塊(輸出負(fù)電壓)的子模塊個(gè)數(shù)為M，切除的子模塊個(gè)數(shù)為N–M。

以單橋臂10個(gè)混合雙子模塊為例，當(dāng)調(diào)制波需要輸出8個(gè)子單元時(shí)，若單橋臂模塊內(nèi)電壓差的總和與橋臂電流符號(hào)為相同時(shí)，盡量減少單電容電壓輸出的子模塊，此時(shí)可設(shè)置4個(gè)雙電容電壓輸出子模塊，不設(shè)置單電容電壓輸出子模塊。當(dāng)調(diào)制波需要輸出15個(gè)子單元時(shí)，若單橋臂模塊內(nèi)電壓差的總和與橋臂電流符號(hào)相反時(shí)，盡量增加單電容電壓輸出的子模塊，此時(shí)可設(shè)置5個(gè)雙電容電壓輸出子模塊，設(shè)置5個(gè)單電容電壓輸出子模塊。

以單橋臂10個(gè)混合雙子模塊為例，無論電流方向如何，若調(diào)制波需要輸出-3個(gè)子單元時(shí)，則負(fù)投入3個(gè)子模塊，切除7個(gè)子模塊。

另外，本發(fā)明還提供一種混合雙子模塊MMC均壓控制裝置，對(duì)于任一個(gè)橋臂，包括用于根據(jù)橋臂電流方向、整個(gè)橋臂的模塊內(nèi)電壓差的總和的正負(fù)和投入子模塊個(gè)數(shù)的正負(fù)，對(duì)每個(gè)子模塊的綜合電壓指標(biāo)進(jìn)行排序，確定各子模塊對(duì)應(yīng)的輸出狀態(tài)的模塊；所述綜合電壓指標(biāo)與模塊內(nèi)電容電壓和與模塊內(nèi)電容電壓差有關(guān)。

該裝置實(shí)際上是基于本發(fā)明方法流程的一種計(jì)算機(jī)解決方案，即一種軟件構(gòu)架，上述模塊即為與方法流程相對(duì)應(yīng)的各處理進(jìn)程或程序。由于對(duì)上述方法的介紹已經(jīng)足夠清楚完整，故對(duì)該裝置不再進(jìn)行詳細(xì)描述。