[发明专利]一种MMC的谐波特性解析方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子系统性能评估技术领域，具体涉及一种MMC的谐波特性解析方法。

背景技术

模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）采用子模块级联形式，避免大量开关器件直接串联，具有良好的电压输出特性，且不存在动态均压等问题，非常适用于高压直流输电场合。在2010年和2011年的两次国际电力电子会议上，德国慕尼黑联邦国防军大学的学者R.Marquardt进一步提出广义MMC的概念，以子模块为基本单元，根据内部构造不同将子模块分为三种基本类型：半桥子模块（half bridge sub-module，HBSM）、全桥子模块（full bridge sub-module，FBSM）和箝位双子模块（clamp double sub-module，CDSM）。

然而，由于模块化多电平换流器的非线性特性，在稳态运行情况下，交直流系统中不可避免地会产生谐波分量，这些谐波分量将改变MMC内部各电气量的数值，从而进一步影响主回路参数的设计。另外，各电气量的谐波分量还会影响电能质量，进而引起一系列问题，例如桥臂电流的谐波量在换流器内部形成环流，引起暂态过程的不平衡与扰动，增大输电损耗。因此，建立MMC谐波特性解析计算表达式在理论上和应用上都具有非常重要的意义。

目前，对模块化多电平换流器谐波特性解析分析的研究并不深入，王姗姗等在标题为模块化多电平换流器的数学模型（中国电机工程学报，2011,31(24)：1-8）的文献介绍了一种MMC谐波分析方法，该方法将理想情况平均开关函数模型与瞬时功率结合，给出了交直流电压、桥臂电流电压、桥臂子模块电容电压总和以及单个子模块电容的电压电流的时域解析表达式。但该方法的平均开关函数只取了理想情况下的基波分量，并且桥臂电流也只考虑到基波分量，而忽略了二次及其以上次谐波，这与实际情况不一致，会带来一定的误差。此外，宋强等在标题为模块化多电平换流器稳态运行特性的解析分析（电网技术，2012,36(11)：198-204）的文献中介绍了一种考虑桥臂电流二倍频分量的MMC稳态各电气量解析方法，但该方法的平均开关函数也只取了理想情况下的基波分量，计算精度也会受到影响。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种MMC的谐波特性解析方法，解析结果精确、使用范围广，在工程中具有非常强的参考意义与使用价值。

一种MMC的谐波特性解析方法，包括如下步骤：

（1）根据MMC的运行工况及系统参数，建立MMC各桥臂含有二次谐波分量的桥臂电流模型；

（2）根据所述的桥臂电流模型以及实际运行工况下的平均开关函数模型，建立MMC各桥臂的子模块平均电容电流模型；

（3）根据所述的子模块平均电容电流模型以及子模块电容，建立MMC各桥臂的子模块平均电容电压模型；

（4）根据所述的子模块平均电容电压模型以及平均开关函数模型，建立MMC各相的桥臂总电压模型；

（5）利用傅里叶级数谐波分析法从所述的桥臂总电压模型中提取MMC各相桥臂总电压的二倍频波动分量，进而联立所述的桥臂电流模型，计算出MMC各相桥臂的二倍频环流以及各次谐波。

所述的步骤（1）中桥臂电流模型的表达式如下：

其中：i_u,j和i_l,j分别为MMC中j相的上桥臂电流和下桥臂电流，I_d,j为MMC中j相的直流电流分量，I_j为MMC交流侧j相电流的幅值，I_2,j为MMC中j相桥臂二倍频环流的幅值，为MMC的j相功率因数角，θ_j为MMC中j相桥臂二倍频环流的相位，ω=100π，t为时间。

所述的步骤（2）中子模块平均电容电流模型的表达式如下：

i_{u_c,j}＝i_c,j(1)+i_c,j(2)+i_c,j(3)-i_c,j(4)-i_c,j(5)-i_c,j(6)

i_{l_c,j}＝i_c,j(1)-i_c,j(2)+i_c,j(3)+i_c,j(4)-i_c,j(5)+i_c,j(6)