CN102118019B - 一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，该控制保护方法包括以下处理方式：在子模块的4种控制模式下，子模块控制器执行不同的控制保护逻辑；子模块内部接口输出信号的生成、输入信号的检测和多种故障的诊断；子模块控制器按照动作优先级执行控制和保护动作；子模块控制器对所述储能电容C电压进行测量；子模块控制器与阀基控制器之间异步串行通信；本发明针对模块化多电平换流器子模块的组成结构设计了一套完整和智能的控制保护方案，可以实现整个子模块的协调控制和保护，保证子模块在换流器中的稳定可靠运行以及与换流器整个控制保护系统的协同配合。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性直流输电换流器的控制技术，具体讲涉及一种模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)子模块控制保护方法。
背景技术
当前，基于全控型电力电子器件IGBT的各种电力电子电路已经越来越多地应用于电力系统、机车牵引、航空航天等领域。随着电力电子技术及材料、制造工艺的发展，IGBT器件的通流能力也越来越强，使其在直流输电领域也得到重要的发挥空间，直接促进了柔性直流输电技术的诞生和发展。与传统的高压直流输电技术不同，柔性直流输电换流器以由IGBT串联构成的高压换流阀替代了晶闸管串联换流阀，形成了电压源型的柔性直流换流器。柔性直流输电可以实现向远距离的中小型孤立、弱负荷进行供电；可以进行独立、准确、灵活的有功/无功功率控制，提高系统潮流传输的经济性和稳定性；在潮流反转时直流电压极性不变，方便构成多端直流输电系统；在相联系统短路时不增加系统的短路容量，有利于限制短路电流，阻止系统的故障扩散；可以提供无功支持和频率控制，用于风电场和分布式发电等可再生能源并网有着特殊的优势；在相联电网故障后能够提供黑启动电源，加快电网故障后的快速恢复能力；换流站占地面积相对于普通直流大为减小。
在柔性直流输电技术中，基于模块化多电平(Modular Multilevel Coverter，MMC)结构的换流器是柔性直流换流器的重要拓扑结构之一。对于已经广泛采用的两电平换流器拓扑结构，由于直流输电中的电压和功率等级比较高，单独的IGBT器件远不能满足耐压要求，因此需要将IGBT串联组成阀体增加耐压。但是由于每个器件的特性不尽相同，对于IGBT串联组成阀体的可靠性成为了该拓扑结构需要解决的重点和难题。模块化多电平换流器结构避免了两电平换流器结构需要IGBT串联的难点，并且输出交流电压电压变化小，电平阶梯多更趋近于正弦波，因此同样是一种具有强大技术优势和广阔发展前景的柔性直流输电换流器拓扑结构。
柔性直流输电技术丰富的性能优势吸引了众多科研技术人员投入到相关的研究及实践工作中，其灵活的控制性能也使得柔性直流的控制保护方法和控制保护装置成为了柔性直流技术的研究热点。在基于模块化多电平换流器拓扑结构的柔性直流的控制中，对换流器子模块内部的控制保护是整个控制保护系统中一个非常重要的环节。
发明内容
本发明的目的是设计一种针对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)的柔性直流换流器子模块的控制保护方案，实现整个子模块的协调控制和保护，保证子模块在模块化多电平换流器中的稳定可靠运行以及与模块化多电平换流器整个控制保护系统的协同配合。
本发明采用下述方案实现本发明的目的：
一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，所述模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由子模块级联组成；其改进之处在于，所述子模块包括绝缘栅双极型功率管IGBT1和IGBT2、晶闸管V、储能电容C、真空开关、电阻R1和电阻R2；所述电阻R1和电阻R2串联，组成R1-R2支路；所述真空开关、晶闸管V和IGBT2依次并联；所述IGBT1和IGBT2为上下结构且IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极；所述IGBT1、R1-R2支路和储能电容C依次并联；
所述控制保护方法包括设置子模块控制器，所述子模块控制器包括可编程逻辑芯片、A/D转换电路、分压、调理及隔离电路、光耦、光接收器和光发射器；所述子模块控制器的内部接口包括：子模块控制器与IGBT驱动电路接口、子模块控制器与晶闸管驱动电路接口、子模块控制器与真空开关驱动电路接口、子模块控制器与取能电源接口以及子模块控制器与储能电容接口；
所述子模块控制器的外部接口为与换流器阀基控制器的光纤通信接口；
所述控制保护方法采用下述处理方式：
A、在所述子模块的4种控制模式下，所述子模块控制器执行不同的控制保护逻辑、
B、实现所述子模块内部接口输出信号的生成、输入信号的检测和多种故障的诊断、
C、所述子模块控制器按照动作优先级执行控制和保护动作、
D、所述子模块控制器对所述储能电容C电压进行测量或
E、所述子模块控制器与阀基控制器之间进行异步串行通信。
本发明提供的一种优选的技术方案是：所述处理方式A中：所述4种控制模式依次进行上电延时模式、正常运行模式、系统停机模式和模块掉电模式。
本发明提供的第二种优选的技术方案是：所述处理方式B中：
所述子模块控制器与IGBT驱动电路接口，输出IGBT驱动电路触发控制信号，正确控制IGBT驱动电路的开通和关断，并根据IGBT驱动电路的反馈信号，监测IGBT驱动电路是否出现故障；
所述子模块控制器与晶闸管驱动电路接口，子模块与所述晶闸管驱动电路之间采用三脉冲形式传输晶闸管的触发信号，同时根据所述晶闸管驱动电路的反馈信号监测晶闸管是否出现故障；
所述子模块控制器与真空开关驱动电路接口，子模块与真空开关驱动电路之间采用三脉冲形式传输真空开关的触发信号，同时根据所述真空开关驱动电路的反馈信号监测真空开关的分合状态及是否出现拒合故障；
所述子模块控制器与取能电源接口，所述子模块控制器接收取能电源的开关量报警信号，以监测取能电源工作是否出现故障。
本发明提供的第三种优选的技术方案是：所述处理方式C中：所述按照动作优先级包括对于绝缘栅双极型功率管IGBT1和IGBT2、晶闸管V和真空开关的动作优先级；
所述对于上管IGBT1，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将IGBT1关断；
所述对于下管IGBT2，如果出现电容过压故障，则将IGBT2开通；否则，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将IGBT2关断；
所述对于晶闸管V，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将晶闸管V开通；
所述对于真空开关，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将真空开关开通。
本发明提供的第四种优选的技术方案是：所述处理方式D中：所述子模块控制器对AD转换结果设置8级先进先出缓冲存储器FIFO，同时存储连续8次采样结果，每次存入新数据时，会同时将FIFO中最旧的数据挤出队列，并对新的FIFO队列中存储的8次采样结果做算术平均，得到所述储能电容C电压测量的结果。
本发明提供的第五种优选的技术方案是：所述处理方式E中：所述子模块控制器与阀基控制器之间采用反曼彻斯特编码的异步串行通信及命令响应的通信管理方式，所述通信介质为光纤。
与现有技术相比，本发明达到的有益效果是：
1.实现了模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)子模块的相对独立控制，对子模块内部各部件都有完备的信号接口和状态监测功能，在底层保证了子模块运行的可靠性和稳定性；
2.配置了一套完整合理的子模块控制保护方案，设计了4种不同的控制保护模式，实现了与整个换流站系统控制和保护的协调配合；
3.在子模块内部实现了储能电容电压的测量，降低了换流站测量系统的软硬件压力，且其测量速度快，保证了系统控制和保护的性能要求；
4.子模块动作优先级针对各动作元件独立执行，有效降低了控制执行中冲突带来的影响；
5.子模块控制器与上级控制系统之间实现了异步串行通信，信息交互量大、交互灵活且通信速度快，保证了换流站控制系统整体的信息流通；
6.子模块控制器采用可编程逻辑元件为核心，方便功能的升级，降低了硬件开发成本。
附图说明
图1是MMC及其子模块的结构框图；
图2是MMC子模块控制器的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
图1是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)及其子模块的结构框图，模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每相有上下两个桥臂组成，每个上下桥臂的结构相同，由若干个子模块级联组成；每个子模块包括上下两个全控型电力电子器件IGBT1和IGBT2、储能电容C和一个起到过流保护功能的晶闸管V，同时还有一个真空开关可以在子模块发生严重故障时通过闭合将该子模块从主回路中旁路；通过控制每个子模块内部IGBT的通断可以控制子模块输出电容电压(投入)或不输出电压(退出)，使每一相上下桥臂始终投入一定数量的子模块可以得到所需的直流侧电压，同时，通过调节上下桥臂各投入的子模块数量可以得到换流器的交流输出电压。
图2是模块化多电平换流器(Modular Multilevel Coverter，MMC)子模块控制器的结构框图，模块化多电平换流器子模块控制器的核心为可编程逻辑芯片；子模块控制器的内部接口包括：子模块控制器与IGBT驱动电路接口(包括与IGBT驱动电路的触发信号和反馈信号接口)、子模块控制器与晶闸管驱动电路接口(包括与晶闸管驱动电路的触发信号和反馈信号接口)、子模块控制器与真空开关驱动电路接口(包括与真空开关驱动电路的触发信号和反馈信号)、子模块控制器与取能电源接口(包括与取能电源故障报警信号接口)以及子模块控制器与储能电容接口(包括与储能电容电压测量信号接口)；子模块控制器的外部接口为与换流器阀基控制器的光纤通信接口。
子模块控制器实现的控制保护功能包括：(1)通过4种不同控制模式的设定，实现子模块在系统不同运行工况下与换流器整体控制保护逻辑协调配合，保证子模块的正确动作；(2)实现与子模块内部各电路部分的接口，包括输出信号的转换、输入信号的检测和多种故障的诊断；(3)结合子模块自身运行状态和阀基控制器的控制命令实现一套面向执行元件的动作优先级逻辑；(4)实现对子模块储能电容电压值的测量及其过电压保护；(5)实现子模块控制器与阀基控制器的异步串行通信和完整的运行信息交互，具体处理方式如下：
(一)子模块的4种控制模式
子模块的4种控制模式依次进行上电延时模式、正常运行模式、系统停机模式和模块掉电模式，在这4种控制模式下，子模块控制器执行不同的控制保护逻辑，控制保护逻辑包括取能电源故障保护、储能电容过压故障保护、IGBT故障保护、光通信故障保护、晶闸管V故障保护、真空开关故障保护、IGBT触发控制、晶闸管V触发控制、真空开关触发控制、储能电容电压测量、通信接收和通信发送，具体如表1所示：
表1 子模块控制器执行不同的控制保护逻辑
其中：“√”表示功能开启，“x”表示功能关闭。
(二)子模块控制器与子模块内部接口及故障诊断
①子模块控制器与IGBT驱动电路接口；输出IGBT驱动电路触发控制信号，正确控制其开通和关断，并根据IGBT驱动电路的反馈信号，监测IGBT驱动电路是否出现故障；
②子模块控制器与晶闸管驱动电路接口：子模块与晶闸管驱动电路之间采用三脉冲形式传输晶闸管的触发信号，以增加抗干扰性能，降低误触发机率，同时根据晶闸管驱动电路的反馈信号监测晶闸管是否出现故障；
③子模块控制器与真空开关驱动电路接口：子模块与真空开关驱动电路之间采用三脉冲形式传输真空开关的触发信号，以增加抗干扰性能，降低误触发机率，同时根据真空开关驱动电路的反馈信号监测真空开关的分合状态及是否出现拒合故障；
④子模块控制器与取能电源接口：子模块控制器接收取能电源的开关量报警信号，以监测取能电源工作是否出现故障。
(三)动作优先级
在本发明中，子模块控制器采用了一种面向动作元件、对所有受控动作元件独立进行优先级工作控制的方式，具体如下：
(1)对于上管IGBT1，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将其关断；
(2)对于下管IGBT2，如果出现电容过压故障，则将其开通，否则，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将其关断；
(3)对于保护晶闸管V，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将保护晶闸管V开通；
(4)对于真空开关，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将真空开关开通。
(四)对储能电容C电压测量
子模块控制器对AD转换结果设置8级FIFO缓存，可以同时存储连续8次采样结果，每次存入新数据时，会同时将FIFO中最旧的数据挤出队列，并对新的FIFO队列中存储的八次采样结果做算术平均，得到储能电容电压检测的最终结果。
在读取AD转换结果时，首先判断其是否溢出，如果是则判断溢出计数器，如果溢出次数小于3，则将本次读取的数据丢弃，并将溢出计数器加1，如果溢出次数等于3，则将本次读取的数据存入FIFO对列，并将溢出计数器清零；如果结果没有溢出，则判断本次读取的数据是否超出有效数据的范围，如果是，则将本次读取的数据当作坏值丢弃，同时坏值计数器加1；如果结果没有溢出，且本次读取的数据在有效范围之内，则将本次读取的数据存入FIFO队列，并将坏值计数器清零；如果结果没有溢出，且本次读取的数据超出了有效数据范围，但是坏值计数器值为3，则将本次读取的数据存入FIFO队列，并将坏值计数器清零。
(五)异步串行通信
子模块控制器与阀基控制器之间采用反曼彻斯特编码的串行通信及命令响应的通信管理方式，通信介质为光纤，实现电气隔离以及高速稳定的通信接口；阀基控制器向子模块控制器下发系统运行状态和子模块动作命令，子模块控制器向阀基控制器上传子模块控制模式、子模块故障信息和子模块储能电容电压，实现了换流器控制系统和底层子模块之间完整的数据信息交互。
本发明针对模块化多电平换流器子模块的组成结构设计了一套完整和智能的控制保护方案，可以实现整个子模块的协调控制和保护，保证子模块在换流器中的稳定可靠运行以及与换流器整个控制保护系统的协同配合。
最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (6)
1.一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，所述模块化多电平换流器由三相六个桥臂构成，每个桥臂由子模块级联组成；其特征在于，所述子模块包括绝缘栅双极型功率管IGBT1和IGBT2、晶闸管V、储能电容C、真空开关、电阻R1和电阻R2；所述电阻R1和电阻R2串联，组成R1-R2支路；所述真空开关、晶闸管V和IGBT2依次并联；所述IGBT1和IGBT2为上下结构且IGBT1的发射极连接IGBT2的集电极；所述IGBT1、R1-R2支路和储能电容C依次并联；
所述控制保护方法包括设置子模块控制器，所述子模块控制器包括可编程逻辑芯片、A/D转换电路、分压、调理及隔离电路、光耦、光接收器和光发射器；所述子模块控制器的内部接口包括：子模块控制器与IGBT驱动电路接口、子模块控制器与晶闸管驱动电路接口、子模块控制器与真空开关驱动电路接口、子模块控制器与取能电源接口以及子模块控制器与储能电容接口；
所述子模块控制器的外部接口为与换流器阀基控制器的光纤通信接口；
所述控制保护方法采用下述处理方式：
A、在所述子模块的4种控制模式下，所述子模块控制器执行不同的控制保护逻辑、
B、实现所述子模块内部接口输出信号的生成、输入信号的检测和多种故障的诊断、
C、所述子模块控制器按照动作优先级执行控制和保护动作、
D、所述子模块控制器对所述储能电容C电压进行测量以及
E、所述子模块控制器与阀基控制器之间进行异步串行通信。
2.如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，其特征在于，所述处理方式A中：所述4种控制模式依次进行上电延时模式、正常运行模式、系统停机模式和模块掉电模式。
3. 如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，其特征在于，所述处理方式B中：
所述子模块控制器与IGBT驱动电路接口，输出IGBT驱动电路触发控制信号，正确控制IGBT驱动电路的开通和关断，并根据IGBT驱动电路的反馈信号，监测IGBT驱动电路是否出现故障；
所述子模块控制器与晶闸管驱动电路接口，子模块与所述晶闸管驱动电路之间采用三脉冲形式传输晶闸管的触发信号，同时根据所述晶闸管驱动电路的反馈信号监测晶闸管是否出现故障；
所述子模块控制器与真空开关驱动电路接口，子模块与真空开关驱动电路之间采用三脉冲形式传输真空开关的触发信号，同时根据所述真空开关驱动电路的反馈信号监测真空开关的分合状态及是否出现拒合故障；
所述子模块控制器与取能电源接口，所述子模块控制器接收取能电源的开关量报警信号，以监测取能电源工作是否出现故障。
4. 如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，其特征在于，所述处理方式C中：所述按照动作优先级包括对于绝缘栅双极型功率管IGBT1和IGBT2、晶闸管V和真空开关的动作优先级；
所述对于上管IGBT1，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将IGBT1关断；
所述对于下管IGBT2，如果出现电容过压故障，则将IGBT2开通；否则，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将IGBT2关断；
所述对于晶闸管V，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将晶闸管V开通；
所述对于真空开关，如果同时出现需要开通和关断的动作命令，则将真空开关开通。
5. 如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，其特征在于，所述处理方式D中：所述子模块控制器对AD转换结果设置8级先进先出缓冲存储器FIFO，同时存储连续8次采样结果，每次存入新数据时，会同时将FIFO中最旧的数据挤出队列，并对新的FIFO队列中存储的8次采样结果做算术平均，得到所述储能电容C电压测量的结果。
6. 如权利要求1所述的一种模块化多电平换流器子模块控制保护方法，其特征在于，所述处理方式E中：所述子模块控制器与阀基控制器之间采用反曼彻斯特编码的异步串行通信及命令响应的通信管理方式，所述通信介质为光纤。
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