[发明专利]一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法

说明书

一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，该方法创新性的提出：模块化多电平存在子模块间热不平衡现象，利用主动热平衡控制来平衡子模块间的热不平衡问题；（1）采用本方法所提出的主动热平衡控制来平衡子模块之间的结温，子模块之间温度不平衡的现象可以得到改善；（2）子模块之间对应的功率半导体的温度分布及结温的不平衡性可以降低，温度变化次数和达到高温的次数也可以有相对改善。（3）并且热平衡算法能够在电容电压平衡的基础上降低子模块之间的结温差，而不会降低系统的性能。（4）此平衡方法也能够降低功率半导体的最高温度，从而使功率半导体的寿命增加。

技术领域

本发明内容涉及一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，解决电力电力变压器中多电平换流器的热不平衡问题，是一种嵌入在电容电压平衡算法中的热平衡方法。

背景技术

模块化多电平换流器作为一种新型的多电平电压源换流器(voltage-sourcedconverter,VSC)，由于其非常适合用于直流输电场合，得到了国际学术界和工业界的高度关注。模块化多电平换流器(MMC)，凭借其自身损耗低、谐波畸变小、可扩展性高、易于构建多端直流网络等显著优势，逐渐取代了两电平/三电平换流器在高压大容量柔性直流领域中的应用。MMC为了稳定运行要对桥臂上子模块间的电容电压进行平衡，而未考虑子模块中功率器件的损耗和结温之间的平衡。在实际应用中，子模块中电容的大小不同，而电容电压的平衡作用在低电容值的子模块中通态损耗和开关损耗较高，导致子模块中的半导体器件的温度也升高，引起了不同子模块之间温度的不平衡。承受更多损耗的子模块会产生更多的温度，温度过高将造成器件的损坏及寿命的降低。而温度多次变化会产生热机械应力，会导致子模块中功率器件连接材料的损伤，长期温度变化以后可能会导致器件失效。国内外学者一直致力于模块化多电平的热平衡控制方法研究中。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种基于模块化多电平换流器的热平衡控制方法，其目的是解决个子模块间温度不平衡对换流器的最大负荷运行以及寿命的影响。其可在电容电压平衡控制的基础上控制子模块(Sub-module,SM)之间的热平衡；引入各子模块间温度变化影响变量，保证不改变子模块输出电压波形及波形质量的基础上均衡各子模块之间的温度差，防止子模块中的半导体器件由于高温或频繁的温度变化造成老化或损坏。可实现不同子模块之间的热应力分布，延长各子模块的使用寿命。

技术方案：

一种模块化多电平换流器的热平衡控制方法，其特征在于：该方法创新性的提出：模块化多电平存在子模块间热不平衡现象，利用主动热平衡控制来平衡子模块间的热不平衡问题；在热平衡控制方法中设定了在各个子模块之间允许的最大温度差值，在各组子模块的m_i值中挑出最大和最小值m_max、m_min，两者之间的差就是组间最大差值Δm，设定了一个最大差值允许值m_ref来维持平衡各个子模块间的温度平衡；该方法设计子模块分配流程当m_ref小于Δm时，根据臂电流方向对子模块进行排序，臂电流为正时，将子模块按m值的大小升序排列。当m_ref大于Δm时，将子模块按m值的大小降序排列。该分配流程将子模块之间的温度通过嵌入电容电压平衡方法中从而得到平衡。可以实现电容器电压Vcu和器件结温T_j的平衡；该方法中根据模块化多电平换流器的运行数据，计算需导通的子模块的个数，然后根据已投入子模块的充放电情况决定需要投入或切除的子模块，即若已投入的子模块处于充电状态，且需投入子模块时，则在尚未投入的子模块中选取电容电压、子模块温度最小的子模块投入；若已投入的子模块处于充电状态，且需切出子模块时，则在已投入的子模块中选取电容电压最大、子模块温度较大的子模块切出；若已投入的子模块处于放电状态，且需投入子模块时，则在尚未投入的子模块中选取电容电压最大、子模块温度较大的子模块投入；若已投入的子模块处于放电状态，且需切出子模块时，则在已投入的子模块中选取电容电压最小的子模块切出。