本發(fā)明涉及電力電子，具體為一種基于半橋子模塊的mmc(modularmultilevel?converter模塊化多電平變換器)直流耗能裝置梯形調(diào)制策略。

背景技術(shù)：

1、隨著全球能源需求的持續(xù)增長和環(huán)境問題的日益突出，海上風(fēng)電作為一種綠色、可持續(xù)的發(fā)電方式，已成為世界各國能源轉(zhuǎn)型的重要方向。出于對生態(tài)環(huán)境保護(hù)和航道占用等因素的考慮，海上風(fēng)電正逐步從近岸區(qū)域向遠(yuǎn)海區(qū)域推進(jìn)。隨著海上風(fēng)電場離岸距離的增加，交流并網(wǎng)方案的經(jīng)濟(jì)性和可靠性逐漸降低。相比之下，柔性直流輸電技術(shù)由于沒有充電功率限制、功率控制更靈活、投資成本更低等優(yōu)點(diǎn)，成為了大容量、遠(yuǎn)距離海上風(fēng)電并網(wǎng)的首選技術(shù)方案。

2、在采用柔性直流并網(wǎng)的海上風(fēng)電系統(tǒng)中，當(dāng)陸上交流電網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)接地故障時(shí)，受端換流站交流側(cè)的電壓下降會顯著降低其有功功率傳輸能力。由于通信延時(shí)的影響，風(fēng)電場的輸出功率無法迅速降低，導(dǎo)致功率過剩，從而在30-50毫秒內(nèi)使系統(tǒng)直流電壓超限，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)此類故障穿越并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，通常會安裝耗散裝置以電阻熱能的方式耗散盈余功率。

3、耗散裝置分為交流耗能裝置和直流耗能(dcc，dc?chopper)裝置兩種類型。交流耗能裝置安裝在海上風(fēng)電場的交流側(cè)，而dcc裝置則安裝在陸上的直流側(cè)。由于海上平臺空間有限，在陸上直流側(cè)安裝dcc裝置成為最佳選擇。當(dāng)前，傳統(tǒng)的dcc裝置根據(jù)裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為四種類型：集中式dcc、分布式dcc、混合式dcc和mmc?dcc。這四種dcc設(shè)備各有優(yōu)缺點(diǎn)。

4、集中式dcc裝置由多個絕緣柵雙極晶體管(igbt?insulated-gate?bipolartransistor)與一個集中電阻r串聯(lián)組成，通過脈沖寬度調(diào)制(pwm?pulse-widthmodulation)來調(diào)節(jié)功率耗散。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制簡單、成本低，但di/dt和du/dt較大，需要同時(shí)開斷所有igbt，這對器件的生產(chǎn)要求較高。分布式dcc裝置將耗散電阻r均勻分配給每個獨(dú)立的子模塊(sm?submodule)，可以降低igbt的電壓應(yīng)力，但需要昂貴的水冷系統(tǒng)來冷卻每個sm中的電阻，大大增加了成本。混合式dcc裝置結(jié)合了集中式和分布式dcc設(shè)備的優(yōu)勢，由具有自放電功能的sm和一個串聯(lián)的集中電阻r組成。這種裝置具有更高的控制靈活性，并能減少系統(tǒng)干擾，但仍需水冷散熱。mmc式dcc在混合式dcc裝置設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，sm不再需要內(nèi)置電阻來實(shí)現(xiàn)電容器的充放電平衡，從而無需水冷系統(tǒng)，大大降低了成本。然而，sm的調(diào)制策略成為影響其性能的關(guān)鍵因素。

5、未來，dcc裝置的發(fā)展趨勢是低成本和輕量化設(shè)計(jì)。mmc?dcc裝置在性能和成本方面都具有顯著優(yōu)勢，因此成為當(dāng)前的研究重點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)dcc裝置sm中電容器的充放電平衡，通常采用正弦調(diào)制策略為sm產(chǎn)生調(diào)制電壓。然而，當(dāng)系統(tǒng)中盈余功率較大時(shí)，正弦調(diào)制電壓可能變?yōu)樨?fù)值。由于半橋sm無法產(chǎn)生負(fù)電壓，因此必須使用部分全橋sm來替代。這增加了dcc設(shè)備的成本和控制復(fù)雜性，嚴(yán)重影響了mmc?dcc設(shè)備的應(yīng)用前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于半橋子模塊的mmc直流耗能裝置梯形調(diào)制策略，在調(diào)制電壓非負(fù)的前提下，實(shí)現(xiàn)sm電容充放電平衡和系統(tǒng)全系列盈余功率的動態(tài)耗散，從而實(shí)現(xiàn)基于半橋sm的mmc?dcc裝置在不同盈余功率水平下的電容充放電平衡。技術(shù)方案如下：

2、一種基于半橋子模塊的mmc直流耗能裝置梯形調(diào)制策略，所述基于半橋子模塊的mmc直流耗能裝置包括串聯(lián)的耗能閥和集中式耗能電阻r；所述耗能閥包含多個子模塊，所述子模塊由半橋組成；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障并產(chǎn)生盈余功率時(shí)，通過調(diào)整耗能閥中各子模塊的投切指令來追蹤耗能閥的調(diào)制電壓usm，從而使集中式耗能電阻r的電壓ur發(fā)生相應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)對耗散功率的實(shí)時(shí)控制，并保持直流電壓udc的穩(wěn)定；

3、所述梯形調(diào)制策略包括標(biāo)準(zhǔn)梯形電壓調(diào)制模式和基于pfm的梯形電壓調(diào)制模式；

4、所述標(biāo)準(zhǔn)梯形電壓調(diào)制模式通過延長一個調(diào)制周期內(nèi)耗能閥子模塊電容對外放電的時(shí)間，來實(shí)現(xiàn)子模塊電容充放電平衡；

5、所述基于pfm的梯形電壓調(diào)制模式通過改變載波頻率，使mmc直流耗能裝置的耗散功率匹配系統(tǒng)的盈余功率；

6、根據(jù)實(shí)時(shí)盈余功率，切換調(diào)制模式使裝置耗散功率等于系統(tǒng)盈余功率，將兩種調(diào)制模式相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)全系列盈余功率的耗散。

7、進(jìn)一步的，其特征在于，所述標(biāo)準(zhǔn)梯形電壓調(diào)制模式中梯形調(diào)制電壓的確定過程為：

8、步驟1a：設(shè)定耗能閥的調(diào)制電壓為直流分量和梯形交流分量之和；

9、步驟1b：根據(jù)耗能閥調(diào)制電壓的直流分量與梯形交流分量，以及耗能支路電流的直流分量和交流分量，計(jì)算耗能閥的直流和交流分量在一個周期內(nèi)耗散的能量；

10、步驟1c：根據(jù)耗能閥的直流和交流分量在一個周期內(nèi)耗散的能量計(jì)算耗能閥直流和交流分量的平均功率；

11、步驟1d：使耗能閥的平均直流電功率和平均交流電功率之和為零；

12、步驟1e：使集中式耗能電阻r在一個調(diào)制周期內(nèi)的直流和交流平均功率之和等于系統(tǒng)的盈余功率；

13、步驟1f：根據(jù)步驟1d和1e是條件得到梯形調(diào)制電壓表達(dá)式。

14、更進(jìn)一步的，其特征在于，所述步驟1b中計(jì)算耗能閥的直流和交流分量在一個周期內(nèi)耗散的能量具體為：

15、耗能閥調(diào)制電壓的直流分量與梯形交流分量用下式表示：

16、

17、式中，a為調(diào)制系數(shù)，udc為系統(tǒng)直流側(cè)電壓；b是梯形交流分量的峰值，δt1和δt2是梯形交流分量兩個狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，t是調(diào)制電壓的一個周期；

18、則耗能支路電流的直流分量和交流分量分別為：

19、

20、則耗能閥的直流和交流分量在一個周期內(nèi)耗散的能量為：

21、

22、式中，δedc是直流分量一個周期耗散的能量，δeac是交流分量一個周期耗散的能量；

23、步驟1c中計(jì)算耗能閥的直流分量平均功率和交流分量平均功率具體為：

24、

25、

26、式中，pdc為耗能閥的直流分量平均功率，pac為耗能閥的交流分量平均功率；

27、步驟1d中計(jì)算公式如下：

28、

29、步驟1e中計(jì)算公式如下:

30、

31、式中，pr是r中耗散的平均功率；k是盈余功率系數(shù)；pmax是系統(tǒng)的最大盈余功率，相當(dāng)于耗能閥不投入sm時(shí)電阻r兩端為直流電壓udc時(shí)的功率；idc和iac分別是直流電流和交流電流；

32、步驟1f中，由式(9)與式(10)得到梯形調(diào)制電壓表達(dá)式為：

33、

34、選擇δt1＝1/2·δt2情況下的梯形調(diào)制電壓，此時(shí)調(diào)制電壓的最大值為1.256udc，非負(fù)區(qū)間為(0～0.438)，即使用1.256倍的半橋sm能夠耗散(0～0.438)pmax的盈余功率。

35、當(dāng)δt1與δt2的比值不同時(shí)，梯形調(diào)制電壓的最大值不同，調(diào)制電壓的非負(fù)區(qū)間也不同。綜合考慮設(shè)備成本和控制效果，本發(fā)明選擇了δt1＝1/2·δt2情況下的梯形調(diào)制電壓。此時(shí)調(diào)制電壓的最大值為1.256udc，非負(fù)區(qū)間為0～0.438。因此，只需使用1.256倍的半橋sm即可耗散0～0.438pmax的盈余功率。即標(biāo)準(zhǔn)梯形調(diào)制電壓相比傳統(tǒng)的調(diào)制方法而言，子模塊電容對外放電的時(shí)間得到了延長，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)電容充放電平衡。

36、更進(jìn)一步的，所述基于pfm的梯形電壓調(diào)制模式中梯形調(diào)制電壓的確定過程為：

37、步驟2a：確定基于pfm的梯形電壓調(diào)制模式中，梯形調(diào)制電壓的最大值為um，最小值為0，表達(dá)式如下：

38、

39、式中，t1、t2和t3分別為梯形調(diào)制電壓第一、二、三個狀態(tài)的終止時(shí)間點(diǎn)；

40、流過耗能裝置的電流ism為：

41、

42、步驟2b：根據(jù)能量守恒定律，使耗能閥在一個調(diào)制周期內(nèi)吸收和釋放的能量之和應(yīng)為零，以實(shí)現(xiàn)耗能閥中sm電容的充放電平衡；通過對式(12)和式(13)進(jìn)行分段積分來計(jì)算：

43、

44、將t1＝t3-t2代入式(14)得：

45、

46、步驟2c：通過調(diào)整梯形波的載波頻率來實(shí)現(xiàn)耗能裝置耗散功率與盈余功率相匹配；設(shè)載波頻率d為：

47、

48、當(dāng)d＝0時(shí)，耗能閥的調(diào)制電壓為0，r兩端的電壓為udc，耗散功率pr等于系統(tǒng)的最大盈余功率pmax。當(dāng)d＝1時(shí)，耗散功率最小。利用分段積分法，每個調(diào)制周期耗能電阻r的最小平均功率計(jì)算如下：

49、

50、當(dāng)t3＝t時(shí)，電阻的耗散功率最小，則電阻最小耗散功率為：

51、

52、將δt1＝1/2·δt2條件下梯形調(diào)制電壓的最大值1.256udc代入um，得到電阻最小耗散功率即基于pfm的梯形電壓調(diào)制模式能夠耗散(0.23～1)pmax范圍內(nèi)的盈余功率。

53、因此，系統(tǒng)故障過程產(chǎn)生的盈余功率為0～pmax，第一種模式耗散功率為(0～0.438)pmax，第二種模式為(0.23～1)pmax，兩者結(jié)合起來就可以滿足(0～pmax)功率耗散了，只需使用1.256倍的半橋子模塊，就能耗散系統(tǒng)全系列工況盈余功率。因此，與傳統(tǒng)的調(diào)制方法相比，本發(fā)明提出的梯形電壓調(diào)制策略能夠顯著節(jié)省功率器件的使用，從而降低成本。

54、本發(fā)明的有益效果是：

55、1)本發(fā)明的梯形調(diào)制策略包含兩種模式，其中標(biāo)準(zhǔn)梯形電壓調(diào)制模式，通過延長一個調(diào)制周期內(nèi)耗能閥子模塊電容對外放電的時(shí)間來彌補(bǔ)全橋子模塊電容電壓反向放電過程的缺失，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了子模塊電容充放電平衡。與傳統(tǒng)的正弦電壓調(diào)制方法相比，使用半橋子模塊替代了全橋子模塊并大幅減少了子模塊使用數(shù)量，降低了控制的復(fù)雜度并節(jié)約了成本。

56、2)本發(fā)明通過基于脈沖頻率調(diào)制的梯形調(diào)制模式，通過改變載波頻率，使耗能裝置耗散功率匹配系統(tǒng)的盈余功率，與所述標(biāo)準(zhǔn)梯形電壓調(diào)制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)全系列盈余功率的耗散。