模塊化多電平多電平換流器電容預充電策略

0模塊化多電平vc子模塊電容均壓優化技術隨著國際能源市場的解除控制和分散化能源的趨勢，對先進能源設備的需求日益緊迫，比如在輸電部和電網行業廣泛使用的能源效率。VSC可具有多種形式的拓撲結構,目前在實際中常用的是兩電平與三電平VSC技術。兩電平VSC存在的主要問題為絕緣柵雙極晶體管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)串聯所帶來的靜態、動態均壓和電磁干擾(electromagneticinterference,EMI),以及由于過高開關頻率帶來的過高開關損耗。對于多電平電壓源換流器,常見的拓撲包括二極管箝位型、電容箝位型和級聯H橋型。從換流器的工業生產與服務需求角度來看,主電路上嚴格的模塊化構造至關重要,這就要求VSC主電路僅僅是由一些具有相同結構的子模塊來構成,并且無需額外的正、負直流母線間的部件,比如傳統意義上的VSC直流側電容器組僅僅通過變化所使用的子模塊數量就可使VSC滿足不同的電壓及功率要求,并且在廣泛的應用領域里,VSC可使用相同的硬件及機械構造。上述二極管箝位型與電容箝位型多電平VSC在實際中電平數做不上去的最主要原因就是他們難以模塊化生產。新型模塊化多電平VSC很好地滿足了這一要求,它將電容與開關器件視為一個整體來構建子模塊,通過子模塊串聯提升換流器的電壓及功率等級,易于擴展到任意電平輸出,具有較低的諧波畸變,且可采用較低的開關頻率,從而降低了損耗,提高了效率。盡管新型模塊化多電平VSC具有如上種種優點,但是它也有幾個需亟待解決的關鍵問題在文獻[19-20]中未被闡述,即:子模塊電容參數的設計、針對具有低開關頻率的多電平基頻開關調制時的子模塊電容的均壓及子模塊電容的預充電,這些問題妥善解決與否直接決定換流器輸出性能的優劣。本文針對上述問題,首先從闡釋模塊化多電平VSC主電路拓撲的本質工作機理入手,基于拓撲本質機理闡釋中推導出的半橋臂電壓、電流關系表達式,得出了半橋臂功率脈動曲線,功率脈動曲線在每兩個零點之間的面積即表示半橋臂上子模塊的能量攝入與能量支出,從“能量脈動”角度,遵循能量攝入與能量支出必須持平的原則,分別推導和建立了半橋臂能量脈動函數與子模塊能量脈動函數,進而通過子模塊電容存儲能量與其額定電壓之間的關系,并結合子模塊電壓紋波系數,可計算得出子模塊電容參數的函數表達式。從模塊化多電平VSC子模塊電容均壓問題產生的物理本質入手,結合換流器拓撲特點,從半橋臂功率及能量的角度,提出了一種主動的子模塊電容均壓控制策略,并結合一基于多電平基頻開關調制的模塊化五電平VSC,以及相應開關器件的觸發時序,對所提策略進行了具體闡釋。同樣從模塊化多電平VSC拓撲自身特點入手,考慮到各子模塊電容電壓數值不太高,且換流器存在正、負直流母線,提出了一種外加輔助直流電源并結合子模塊開關器件動作的子模塊電容預充電方式。通過仿真較好地驗證了以上提出的設計方法、策略和措施。1新型多模子模塊電子模塊的設計1.1矛盾靜接收點電壓圖1為新型模塊化多電平VSC子模塊及主電路拓撲單相示意圖。圖1中P點表示VSC正直流母線,N點表示VSC負直流母線,o點表示VSC假想的直流側中性點。VSC直流電壓為Udc,故P點相對于o點的電壓N點相對于o點的電壓ui1、u2i2(i=a,b,c)分別表示每相上、下半橋臂電壓,則可以得到式中uio(i=a,b,c)為VSC各相交流輸出端相對于直流側假想中性點o的電壓。只要對VSC各相半橋臂電壓ui1、ui2(i=a,b,c)依照式(1)限定的那樣去施加,則在VSC的輸出端便能得到所期望的直流電壓Udc與交流電壓uao、ubo、uco。由式(1)不難得出由式(2)可知,VSC的3個橋臂施加相同的電壓Udc,又由于VSC具有嚴格的對稱性,3個橋臂相對于直流端電壓Udc來說具有相同的阻抗,因此直流電流Idc將在3個橋臂間均分。同樣地,也是出于VSC的對稱性,各相輸出端電流ia、ib、ic將在各相上、下半橋臂間均分。因此,可得出VSC各相半橋臂暫態電流ij1、ij2(j=a,b,c),為1.2uao、ia1及sa1的推理以a相為例,可在如下條件下求解上半橋臂所需電容存儲能量的分析表達式:1)正弦輸出電壓uao與電流ia;2)平滑的直流側電壓Udc;3)有功功率在VSC3個橋臂間均分。這些條件對換流器的運行并不是完全必須的,但是他們能在總體上實現很好的近似。故而可設定uao為?uNsin(ωNt),ia為?iNsin(ωNt+?),其中?uN為uao的峰值;?iN為ia的峰值,ωN表示uao與ia的角頻率,?表示ia的初相位。定義k、m為故將式(4)代入式(1)、式(5)代入式(3)可分別得出a相上半橋臂的電壓與電流分別為因此a相上半橋臂的功率Sa1(t)可通過ua1(t)與ia1(t)的乘積求得,即m與k之間的內在聯系的推理過程如下:式中uN,eff和iN,eff分別為uao與ia的有效值。由式(9)~(11)可得取Udc=2kV、Idc=1kA、ωN=50Hz,則當k=0.8,m=2.89,?=π/6時,相應的ua1(t)、ia1(t)及Sa1(t)如圖2所示。在功率曲線Sa1(t)的2個零點x1(m,?)與x2(m,?)之間對Sa1(t)進行積分,即可得到a相上半橋臂的能量脈動?WZ(m):將式(12)代入式(15),可將式(15)轉化為故而a相上半橋臂中每個子模塊的能量脈動?WSM(k)可由?WZ(k)除以子模塊數n得到,為結合子模塊電壓紋波系數ε(0<ε<0.5),并利用如下關系:式中為各子模塊電容的額定電壓,且有由式(18)即可求出各子模塊中的電容參數Co:電容是決定VSC總成本、占地面積大小的重要因素之一,電容參數設計的合理與否直接影響到VSC的經濟性,以上對于新型模塊化多電平VSC子模塊電容參數進行了合理設計。2電容均壓策略影響新型模塊化多電平VSC性能優劣的一個重要因素是如何保持各子模塊電容電壓的均衡,使得各子模塊電容電壓處于一個相同的水平,各功率半導體器件承受相同的應力,為此,本文提出子模塊電容均壓控制策略。通過子模塊傳感器以典型毫秒級的采樣率來對各子模塊電容電壓進行周期性地測量,根據測得的電壓數值,利用軟件對各子模塊電容進行分類。當某相半橋臂中的電流為正,即半橋臂吸收功率時,觸發具有最低電壓的各子模塊中的IGBTT1(如圖1所示)來構成所期望施加的半橋臂電壓,此時被選定的各子模塊電容將被充電;當某相半橋臂中的電流為負,即半橋臂發出功率時,觸發具有最高電壓的各子模塊中的IGBTT1來構成所期望施加的半橋臂電壓,此時被選定的各子模塊電容將放電。以五電平換流器a相上半橋臂4個子模塊為例,來闡釋如上所述的電容均壓策略,如圖3所示。由圖3可見,在電角度θw對應的時刻之前,流過a相上半橋臂的電流ia1為正,上半橋臂吸收有功,那么在上半橋臂電壓波形各電平臺階躍變處,選取傳感器測得的具有最小電容電壓值的子模塊來開通構成半橋臂所需的多電平階梯輸出,截至相對較高電容電壓值的子模塊,這樣,這些低電容電壓值的子模塊由于開通,其子模塊電容可被充電,不斷去追趕那些高電容電壓值的子模塊,從而使得所有子模塊的電容電壓值彼此間相互接近,達到均衡;在電角度θw對應的時刻之后,ia1為負,上半橋臂發出有功,此時在各電平臺階躍變處,截至傳感器測得的最小電容電壓值的子模塊,開通具有相對較高電容電壓值的子模塊來構成半橋臂所需的多電平階梯輸出,這樣,這些高電容電壓值的子模塊由于開通,其子模塊電容將放電,電容電壓值降低,不斷接近那些低電容電壓值的子模塊,從而使得所有子模塊電容電壓值彼此間相互靠近,達到均衡。與此同時,引入“附加開關點”,確保電容充電或放電過程中具有高電容電壓值子模塊與具有低電容電壓值子模塊之間的電壓差額?u始終被限定在預先設定的臨界值范圍內,只要?u一達到臨界值,就進行相應的子模塊切換操作,如圖3中的θz所示。將處于增長態勢的子模塊由開通變為截至,將處于截至狀態的子模塊由截至變為開通,如此便可將各子模塊電容電壓始終限定在均衡范圍內。通過這樣一種均壓策略,即可實現各子模塊電容電壓的持續平衡,該策略能夠實現電容存儲能量的優化利用以及開關器件功耗的均勻分布。3相橋臂中2n個別模塊的主次充電電容的能量存儲必然要求對電容預先進行充電,這也直接決定了換流器正常運行與否。實現換流器一相橋臂中各子模塊電容的預充電策略,僅需要一個輔助的直流電壓源,且此直流電壓源的輸出電壓Usource僅約等于子模塊電容電壓UC即可。不妨假定上、下半橋臂均串聯n個子模塊。首先將輔助直流電壓源的輸出端接到換流器相應的正、負直流母線上,保持2n個子模塊中的IGBTT1始終為關斷狀態,待充電子模塊中的IGBTT2也為關斷狀態,其余(2n-1)個子模塊中的IGBTT2為開通狀態,這樣直流電壓源便只對該待充電子模塊的電容充電,等到該待充子模塊電容達到運行電壓時,其充電完畢,將其上的IGBTT2由原先的關斷狀態變為開通狀態,與此同時,將下一個待充電子模塊中的IGBTT2由原先的開通狀態變為關斷狀態,這樣直流電壓源便會轉向對此子模塊充電,以此類推,便可實現對一相橋臂中2n個子模塊的依次充電。到最終充電完畢,可以通過串聯的二極管或機械開關將直流電壓源斷開。圖4示意了n取10時一相橋臂中20個子模塊電容的依次充電過程,該過程由電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC仿真得出。由于三相橋臂是并聯在正、負直流母線上的,所以上述策略對于其余兩相是完全適用的,故可對三相橋臂中的各子模塊同時進行充電。在實際中可能會出現這樣一種情況,電網希望從故障崩潰停運后的“全黑”狀態進入到運行狀態,即“黑啟動”。從上述預充電策略來看,新型模塊化多電平VSC可以借助外加輔助電源很容易地實現各子模塊電容的充電,那么當其與電網相連時,完全可以實現電網一定程度上簡單、安全的“黑啟動”,所以可以說此預充電策略使VSC具備了一定的“黑啟動”能力。4電容均壓策略在電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC中搭建了三相模塊化多電平VSC模型,各相半橋臂均具有4個相同的子模塊,即VSC輸出五電平,正、負直流母線之間無額外的電容能量存儲,如圖1所示。根據式(19)選取各子模塊電容參數,換流器采用具有低開關頻率的多電平基頻調制策略,通過PSCAD/EMTDC及結合使用Matlab/Simulink,得到a相上半橋臂電壓波形如圖5所示;與a相上半橋臂電壓波形相對應的,采用前述子模塊電容均壓策略所得出的上半橋臂4個子模塊電容電